添加Zn对Mg-Gd-Ca-Zr合金的组织结构和性能的影响
发布时间：2021-08-09 16:35
析出强化Mg-Gd系合金由于其优异的力学性能和热稳定性在航空航天和3C等领域受到广泛关注。然而,纯Gd的高价格导致Mg-Gd系合金的应用受到限制。对于Mg-Gd二元合金而言,当Gd含量小于10 wt.%时,合金中柱面析出相的数量密度较低,且分布不均匀,从而导致合金的析出强化效果较差。因此,本文在Mg-10Gd-0.6Ca-0.5Zr（wt.%）合金的基础上分别添加0.5 wt.%和1 wt.%的Zn来提高合金的力学性能,利用扫描电子显微技术（SEM）、透射电子显微技术（TEM）、扫描透射电子显微技术（STEM）和X射线能谱分析（EDS）等方法研究了Zn的添加对合金微观结构的影响,探讨了合金微观结构和力学性能之间的联系。研究发现,添加Zn可以提高Mg-10Gd-0.6Ca-0.5Zr合金的淬火态硬度和时效硬化效果。添加1 wt.%Zn合金的淬火态硬度提高了9 HV,淬火态硬度的提高主要归咎于添加Zn后未溶Mg5Gd颗粒数量的增多、Zn2Zr3相的形成以及添加Zn的晶粒细化效果。添加Zn后,200℃时效Mg-10Gd-0.6...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镁的密排六方晶胞Fig.1.1Thehexagonalcrystalstructureofmagnesium.
重庆大学硕士学位论文1引言8在Mg中的固溶度与平衡固溶度间的差值将为析出相的形核提供驱动力，形成大量析出相，从而强化合金。然而，当Mg-Gd合金中Gd的含量低于10wt.%时，析出强化效果很差[32,33]，所以一般情况下，Mg-Gd合金中Gd的含量都在10-20wt.%之间[33,34]。P.Vostry等人[32]研究发现，Mg-15wt.%Gd从20到500℃等时退火时，α-Mg过饱和固溶体（S.S.S.S.）的分解只有三个过程：S.S.S.S.(cph)→β""(D019)→β"(cbco)→β(fcc)。然而，近年来，越来越多的研究者在Mg-Gd-Y[35]、Mg-Gd-Nd[36]、Mg-Dy-Nd[36]和Mg-Y-Nd[36,37]合金中观察到四个析出过程：S.S.S.S.(cph)→β""(D019)→β"(cbco)→β1(fcc)→β(fcc)。为了弄清楚Mg-Gd二元合金的时效析出过程，研究人员利用透射电子显微镜和HAADF-STEM技术对Gd含量大于10wt.%的Mg-Gd二元合金进行了研究[38,39]，确定其析出过程形成β""、β"、β1、β四种析出相[39]。图1.5[39]为Mg-15Gd-0.5Zr（wt.%）合金在250℃等温时效的时效硬化曲线以及析出相在曲线上的分布。从时效硬化曲线可以看出，时效8小时后，合金的硬度达到峰值（104VHN），相较于淬火态而言，合金的硬度显著增加，表现出了优异的时效硬化效果。β""相仅在时效的早期阶段形成，其晶体结构类型为D019，晶格常数a=0.641nm，c=0.521nm，与α-Mg基体的取向关系为[0001]β""//[0001]α，{2110}β""//{2110}α。最初的报道认为，β""为片状析出相，且惯习面几乎平行于{2110}α。但这与近年来研究者们在HAADF-STEM图像（图1.6[39]）中观察到形貌不一致[38]。图1.4Mg-Gd二元合金相图[31]Fig.1.4BinaryphasediagramofMg-Gdalloy[31].
重庆大学硕士学位论文1引言9图1.5Mg-15Gd-0.5Zr合金250℃时效硬化曲线以及析出相沿曲线的分布[39]Fig.1.5HardnesscurvesofMg-10Gd-0.5Zralloysduringisothermalageingat200℃andthedistributionofprecipitatesalongthecurve[39].β"相呈透镜状，惯习面为{2110}α[38]，其晶体结构类型为cbco，晶格常数a=0.650nm，b=2.272nm，c=0.521nm，与基体的取向关系为(100)β"//(1210)α，[001]β"//[0001]α。通过对原子分辨率的HAADF-STEM图像分析发现，β"的原子结构为：Gd原子在单胞中呈锯齿形排列，如图1.7a[1]所示。根据图1.7b和c[1]的单胞模型可推断出β"相的成分为Mg7Gd。β1的晶体结构为fcc[39]，与WE54合金中β1相的晶体结构相同[37]。化学成分为Mg3Gd，晶格常数a=0.73nm，空间群为Fm3m，与基体的取向关系为(112)β1//(1010)α，[110]β1//[0001]α，惯习面平行于{1010}α。平衡相β的晶体结构为fcc（空间群F43m，a=2.2nm），化学成分为Mg5Gd，与基体的取向关系为(110)β//(0001)α，[111]β//[2110]α，惯习面平行于{1010}α[39]。图1.6200℃时效5hMg-5at.%Gd合金沿[0001]α方向的HADDF-STEM图像[39]Fig1.6[0001]αHAADF-STEMimageshowingdistributionandmorphologyofprecipitatesinaMg-5at.%Gdalloyagedat200℃for5h[39].
【参考文献】：
期刊论文
[1]Heat-treatable Mg-9Al-6Sn-3Zn extrusion alloy[J]. Chaoqiang Liu,Chenglong Liu,Houwen Chen,Jian-Feng Nie. Journal of Materials Science & Technology. 2018(02)
[2]稀土Y对Mg-6Zn-1Mn合金显微组织和力学性能的影响[J]. 张红菊,张丁非,潘复生. 功能材料. 2016(12)
[3]Microstructure evolution and corrosion properties of Mg-Dy-Zn alloy during cooling after solution treatment[J]. 毕广利,姜静,张帆,房大庆,李元东,马颖,郝远. Journal of Rare Earths. 2016(09)
[4]高性能铸造稀土镁合金的发展[J]. 陈巧旺,汤爱涛,许婷熠,王玉容,叶俊华,潘复生. 材料导报. 2016(17)
[5]Effect of Zn, Cu and Ni addition on microstructure and mechanical properties of ascast Mg-Dy alloys[J]. Guang-li Bi,Xiao-mei Luo,Jing Jiang,Yong-gang Zhang,Jian-ji Xu,Jie-ming Chen,Yuan-dong Li,Ying Ma. China Foundry. 2016(01)
[6]合金化元素Zn对GW系镁合金组织和力学性能的影响[J]. 李杰华,介万奇,杨光昱. 金属学报. 2007(10)
本文编号：3332418
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镁的密排六方晶胞Fig.1.1Thehexagonalcrystalstructureofmagnesium.
重庆大学硕士学位论文1引言8在Mg中的固溶度与平衡固溶度间的差值将为析出相的形核提供驱动力，形成大量析出相，从而强化合金。然而，当Mg-Gd合金中Gd的含量低于10wt.%时，析出强化效果很差[32,33]，所以一般情况下，Mg-Gd合金中Gd的含量都在10-20wt.%之间[33,34]。P.Vostry等人[32]研究发现，Mg-15wt.%Gd从20到500℃等时退火时，α-Mg过饱和固溶体（S.S.S.S.）的分解只有三个过程：S.S.S.S.(cph)→β""(D019)→β"(cbco)→β(fcc)。然而，近年来，越来越多的研究者在Mg-Gd-Y[35]、Mg-Gd-Nd[36]、Mg-Dy-Nd[36]和Mg-Y-Nd[36,37]合金中观察到四个析出过程：S.S.S.S.(cph)→β""(D019)→β"(cbco)→β1(fcc)→β(fcc)。为了弄清楚Mg-Gd二元合金的时效析出过程，研究人员利用透射电子显微镜和HAADF-STEM技术对Gd含量大于10wt.%的Mg-Gd二元合金进行了研究[38,39]，确定其析出过程形成β""、β"、β1、β四种析出相[39]。图1.5[39]为Mg-15Gd-0.5Zr（wt.%）合金在250℃等温时效的时效硬化曲线以及析出相在曲线上的分布。从时效硬化曲线可以看出，时效8小时后，合金的硬度达到峰值（104VHN），相较于淬火态而言，合金的硬度显著增加，表现出了优异的时效硬化效果。β""相仅在时效的早期阶段形成，其晶体结构类型为D019，晶格常数a=0.641nm，c=0.521nm，与α-Mg基体的取向关系为[0001]β""//[0001]α，{2110}β""//{2110}α。最初的报道认为，β""为片状析出相，且惯习面几乎平行于{2110}α。但这与近年来研究者们在HAADF-STEM图像（图1.6[39]）中观察到形貌不一致[38]。图1.4Mg-Gd二元合金相图[31]Fig.1.4BinaryphasediagramofMg-Gdalloy[31].
重庆大学硕士学位论文1引言9图1.5Mg-15Gd-0.5Zr合金250℃时效硬化曲线以及析出相沿曲线的分布[39]Fig.1.5HardnesscurvesofMg-10Gd-0.5Zralloysduringisothermalageingat200℃andthedistributionofprecipitatesalongthecurve[39].β"相呈透镜状，惯习面为{2110}α[38]，其晶体结构类型为cbco，晶格常数a=0.650nm，b=2.272nm，c=0.521nm，与基体的取向关系为(100)β"//(1210)α，[001]β"//[0001]α。通过对原子分辨率的HAADF-STEM图像分析发现，β"的原子结构为：Gd原子在单胞中呈锯齿形排列，如图1.7a[1]所示。根据图1.7b和c[1]的单胞模型可推断出β"相的成分为Mg7Gd。β1的晶体结构为fcc[39]，与WE54合金中β1相的晶体结构相同[37]。化学成分为Mg3Gd，晶格常数a=0.73nm，空间群为Fm3m，与基体的取向关系为(112)β1//(1010)α，[110]β1//[0001]α，惯习面平行于{1010}α。平衡相β的晶体结构为fcc（空间群F43m，a=2.2nm），化学成分为Mg5Gd，与基体的取向关系为(110)β//(0001)α，[111]β//[2110]α，惯习面平行于{1010}α[39]。图1.6200℃时效5hMg-5at.%Gd合金沿[0001]α方向的HADDF-STEM图像[39]Fig1.6[0001]αHAADF-STEMimageshowingdistributionandmorphologyofprecipitatesinaMg-5at.%Gdalloyagedat200℃for5h[39].
【参考文献】：
期刊论文
[1]Heat-treatable Mg-9Al-6Sn-3Zn extrusion alloy[J]. Chaoqiang Liu,Chenglong Liu,Houwen Chen,Jian-Feng Nie. Journal of Materials Science & Technology. 2018(02)
[2]稀土Y对Mg-6Zn-1Mn合金显微组织和力学性能的影响[J]. 张红菊,张丁非,潘复生. 功能材料. 2016(12)
[3]Microstructure evolution and corrosion properties of Mg-Dy-Zn alloy during cooling after solution treatment[J]. 毕广利,姜静,张帆,房大庆,李元东,马颖,郝远. Journal of Rare Earths. 2016(09)
[4]高性能铸造稀土镁合金的发展[J]. 陈巧旺,汤爱涛,许婷熠,王玉容,叶俊华,潘复生. 材料导报. 2016(17)
[5]Effect of Zn, Cu and Ni addition on microstructure and mechanical properties of ascast Mg-Dy alloys[J]. Guang-li Bi,Xiao-mei Luo,Jing Jiang,Yong-gang Zhang,Jian-ji Xu,Jie-ming Chen,Yuan-dong Li,Ying Ma. China Foundry. 2016(01)
[6]合金化元素Zn对GW系镁合金组织和力学性能的影响[J]. 李杰华,介万奇,杨光昱. 金属学报. 2007(10)
本文编号：3332418
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