高压凝固Mg-15Zn-34Y合金组织演变与力学性能

发布时间：2020-07-31 18:44

【摘要】：本文以Mg-15%Zn-34%Y合金为主要研究对象,研究了凝固压力对合金组织和相组成的影响,揭示了新相Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)晶体结构,分析了高压凝固Mg-15%Zn-34%Y合金中各相的竞争机制,解释了Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的形成机理。研究了高压凝固Mg-15%Zn-34%Y合金以及Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的力学性能。不同压力下凝固的Mg-15%Zn-34%Y合金的组织与相分析结果表明,凝固压力显著影响Mg-15%Zn-34%Y合金的组织与相组成,常压下凝固时,合金由交错排列的14H板条相(Mg_(12)Zn Y)、W相(Mg_3Y_2Zn_3)和Mg固溶体组成;1GPa压力下凝固的合金中,W相消失,同时产生了一种成分为Mg64.093±0.004Zn15.355±0.002Y20.552±0.005(Mg64Zn15Y21)的新相,不同于已知的Mg-Zn-Y合金三元相;2GPa压力下凝固的Mg-15%Zn-34%Y合金由新相Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)和共晶组织(Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相+Mg固溶体)组成,Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相呈花朵状形态。3GPa压力下凝固后,合金中Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相尺寸增大,体积分数提高。对Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)新相进行机构分析,结果表明,Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相为立方晶系,空间群为Fm-3m(no.225),空间常数为7.16567(27)?;Mg原子有三种位置,Y原子有一种位置,Zn原子有一种位置;在一个单元中,只有位置(0.5,0.5,0.5)完全被Mg原子占据;位置(0,0,0)、位置(0.25,0.25,0.25)属于混合位置,由Y/Mg按照0.822/0.178的概率比例、Zn/Mg按照0.307/0.693的概率比例占据。分析测试表明,随着凝固压力的增加,Mg-15%Zn-34%Y合金中共晶相的共晶间距增大。基于改进的J-H模型,建立了共晶间距与凝固压力的定量关系,利用该式可以预测高压下合金共晶间距的变化。对高压凝固Mg-15%Zn-34%Y合金中各相竞争机制进行了研究,比较了各相的形核功、生长速度等参数,发现当凝固压力大于一个临界值后,Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的形核功低于14H相和W相,Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相晶胚更容易转变为晶核;Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的Mg、Zn、Y含量靠近Mg-15%Zn-34%Y合金的名义成分,晶核需要的全部原子更容易由合金熔体来直接提供,Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相为熔体原子提供适宜附着的生长台阶,有利于提高生长速率;Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相优先形核,且形核率高于14H相和W相,长大过程中会向周围熔体释放凝固潜热从而减少局部熔体过冷度,使14H相和W相更难形核,并抑制已生成的晶核继续生长,甚至消失。对Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相进行了纳米压痕测试和第一性原理计算分析。Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的纳米硬度为4.55GPa,杨氏模量为66.09GPa;Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的三个独立弹性常数分别为C_(11)=52.53633GPa、C_(12)=27.06729GPa、C_(44)=38.99479GPa;由弹性常数计算得该相的体模量为35.55697GPa,剪切模量为24.92971GPa,泊松比为0.21585;通过Pugh判据对Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相的韧性进行判断,该相为硬脆性相;Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)相呈各向异性,111为最大原子密度晶向。研究了凝固压力对Mg-15%Zn-34%Y合金力学性能的影响,力学性能测试表明。高压凝固使Mg-15%Zn-34%Y合金硬度、抗拉性能、抗压性能均发生了改变。2GPa凝固的Mg-15%Zn-34%Y合金抗拉强度提高到149.72MPa,比常压凝固的合金提高了近90%,抗压强度为645.26MPa,比常压凝固的合金提高了约3倍。综合分析,提出了凝固压力对Mg-15%Zn-34%Y合金力学性能的影响机制:压力通过改变Zn和Y在Mg固溶体中的固溶度、形成高强新相、改变共晶间距等综合作用影响合金的力学性能。随凝固压力增加,Zn、Y在Mg固溶体中的固溶度升高,使Mg固溶体相的强度提高;高压凝固条件下,Mg-15%Zn-34%Y合金形成了Mg_(64)Zn_(15)Y_(21)高强相,有利于合金抵抗变形,这是合金强度提高的主要原因;研究建立了凝固压力与共晶相强度(σ_j)之间的关系式,随着凝固压力增加,合金中共晶相的共晶间距变大,共晶相强度下降,不利于合金强度提高。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22
【图文】：

可以达到 770GPa 的压力，最近实验室中已经实现超过 1TPa 的创纪录的压力[49]。图1-1 为金刚石对顶砧工作的原理图[50]。 除了产生的压力极高之外，由于施压物为金刚石，其透明的特点使金刚石对顶砧还具有与大量测量技术兼容的优点[51-54]。事实上，几乎所有电磁波谱中在钻石中都有优异透过率，使得金刚石对顶砧可以使用各种辐射探测方法，包括 X 射线和中子衍射，以及各种光谱技术(如拉曼和红外光谱，布里渊散射，可见光和 X 射线发射/吸收光谱。通过制造具有嵌入式电极和其他测量电路的金刚石对顶砧，可以原位进行电和磁特性的测量[55]。金刚石对顶砧的缺点是可容纳在砧座(由质量约 0.2-0.4 克拉的无瑕疵钻石制成)中的样品体积非常小。 当测量手段是需要比较大量样品的技术时(例如中子衍射)，如此小的样品体积会导致信号太弱而无法被精确测量。小样

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本文编号：2776855