热处理工艺对Mg-Y-Sm-Zn-Zr合金组织和性能的影响

发布时间：2020-10-08 20:52

　　 镁合金作为最轻的工程结构材料,具有比重小、比强度高、减振性好等优点,被誉为21世纪绿色工程金属结构材料。但当温度升高时镁合金的强度和抗蠕变性能会大幅降低,使其难以作为构件材料在国防和汽车工业领域广泛使用。镁合金中添加稀土是提高耐热性能最有效的方法之一,在不增加稀土含量的前提下,热处理强化是进一步提高稀土镁合金的力学性能的有效办法,开发高强耐热稀土镁合金是近年来的重要研究方向。本文在课题组具有自主知识产权的Mg-Y-Sm-Zn-Zr合金的基础上,通过成分优化制备了Mg-3.4Y-3.6Sm-2.6Zn-0.8Zr合金,选择不同的热处理工艺对合金进行了热处理。采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和室温拉伸试验分别检测了铸态和不同热处理态的合金显微组织和力学性能,并对不同状态下合金的组织结构演变、断裂方式及强化机理进行了分析和研究。确定了实验合金的最佳热处理工艺。研究结果表明:铸态合金的显微组织呈细小等轴晶状,其平均晶粒大小为21μm,主要组织由(Mg,Zn)_3(Y,Sm)和Mg_(12)(Y,Sm)Zn和层状LPSO结构组成。通过DSC热分析,共晶相(Mg,Zn)_3(Y,Sm)熔点为502.7℃,α-Mg熔点为615.5℃。铸态合金在室温条件下的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为122.3MPa、191.5MPa和5.7%,其断裂行为为沿晶脆性断裂。经过500℃×15h(热水淬火)固溶热处理后,晶粒尺寸没有明显长大,合金第二相发生固态相变但没有改变物相种类,固溶态合金由α-Mg+球状(Mg,Zn)_3(Y,Sm)相+长条状Mg_(12)(Y,Sm)Zn相组成。高温固溶后,随着冷却速率的减缓,晶粒内部析出层状LPSO结构。采用热水淬火(80℃)获得最佳的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为119.4MPa、245.3MPa和21.4%。试样的断裂行为由沿晶脆性断裂转变为穿晶准解理断裂,其强化方式主要相变强化。固溶态合金经过225℃×40h(空冷)时效处理后,合金达到峰值时效78.55HV,室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到170.0MPa、260.8MPa和14.1%,强化方式主要为析出强化。Mg-3.4Y-3.6Sm-2.6Zn-0.8Zr合金的最佳热处理工艺为500℃×15h(热水淬火)+225℃×40h(空冷)。进行固溶+时效热处理显著提高了合金的力学性能,与铸态合金相比,屈服强度和抗拉强度分别提高了39%和36%。
【学位单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG166.4;TG146.22
【部分图文】：

图 1.1 Mg-Y 二元相图Fig. 1.1 Mg-Y binary phase diagramY 基础合金中添加其他合金元素（如：RE、Zn 和 Zr 等）会溶度，但能大幅度提高合金中析出相，进一步提升合金的代，英国科学家在 Mg-Y 合金的基础上，通过添加 Nd、 WE 系列的 WE54 和 WE43 镁合金，具有较高的室温和高 300℃，特别是其蠕变性能甚至超过部分铝合金，耐蚀性能,45]。WE54 镁合金的室温抗拉强度达到 285MPa，在 250℃MPa[46]。WE 系列的 WE43 和 WE54 合金是目前研究和应用[47,48]。素在镁合金中的作用铈组元素，密度为 7.520 g/ cm3，相对原子质量为 150.35 nm，c=2.6207 nm。Sm 与 Mg 的原子尺寸接近（rMg=0.160

图 1.2 Mg-Sm 二元相图Fig. 1.2 Mg-Sm binary phase diagram Zr 元素在镁合金中作用Y 系合金中添加少量的 Zn 时，一方面可以与稀土 Y 在晶合物钉扎晶界，另一方面能够有效降低合金中的堆垛层错产生，形成长周期有序堆垛结构（LPSO 结构）。稀土镁成长周期有序结构（LPSO）相和准晶相，可以提高镁合金 结构相的原子堆垛方式可以看做是密排六方（hcp）和面合金在塑性变形时，位错的基面滑移是主要的变形机制，中位错不但可以滑移，而且很容易进行交滑移，因此含 n 系合金具有较高的塑性[53]。合金中最有效的晶粒细化剂，Zr 与 Mg 都是密排六方结构

西安建筑科技大学硕士学位论文溶工艺中的固溶温度、固溶时间、冷却方式对稀土镁合金的影响，在保证晶粒不充分长大的情况下，稀土镁合金的固溶越长，冷却速度越快，合金中的稀土元素及相会更彻底地固强度越高。E 合金的时效过程可分为时效初期的欠时效（β″相）、时效）、时效后期的过时效（β相），其时效后期形成的β相为平可以显著提高镁合金的硬度和屈服强度，但其塑韧性会有所扩散和分解速度缓慢，因此 Mg-RE 合金时效处理时需较长在镁中的扩散速率较低，析出相的热稳定性很高，所以 Mg耐热性和高温强度[66]。

【参考文献】

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本文编号：2832742