Mg-Nd-Zn-Zr合金固溶-挤压-时效工艺及增韧机制研究
发布时间：2021-08-24 11:25
传统Mg-Nd-Zn-Zr合金组织稳定性差,承载强度低且韧性不足,为了改善合金的强度和塑性,对其进行了固溶挤压时效工艺的研究。本文对合金分别在530℃固溶1.5-24h,之后用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）来观察不同固溶时间下的合金内部组织。随后进行挤压时效处理,研究其内部第二相对合金塑性变形产生的影响。在固溶完全后,分别在挤压温度250-400℃、挤压比10.5、16的工艺下进行挤压,进行了组织性能分析,通过EBSD和TEM分析挤压工艺对合金变形后织构和性能产生的影响。并进行了工程化应用。结果表明,Mg-Nd-Zn-Zr合金在铸态下由α-Mg和Mg12Nd组成,530℃固溶9h后晶界处的共晶组织基本固溶完全,固溶后合金内部会出现Zr的偏聚区,在固溶24h后会有α-Nd偏聚区的存在,晶粒长大到60μm左右。固溶9h后300℃挤压的合金具有较高的韧性,屈服达到170MPa,抗拉强度在240MPa左右,挤压后晶粒尺寸在4μm左右,同时具有40%的延伸率。合金固溶24h后内部晶粒较大,降低了合金变形后的性能。合金挤压后的织构较弱,织构强度在2.7左右,同时挤压后合金晶粒多处于软取向的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mg-Y-Zn合金中的14H型LPSO结构[22]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-系合金而言，Zn的加入可以提高室温拉伸性能和室温压缩性能[33]，期间会有一种准二元相Mg3(Zn,Nd)和一种三元相Mg50Nd8Zn42析出。即Zn元素的加入对合金的室温和高温性能有很好的提升效果。同时Zn还能促进析出相的析出，影响析出相的长大，增加析出相的密度,从而提高合金的强度[34]。上海交通大学开发出的低成本的Mg-Nd-Zn-Zr合金，具有和AZ91合金相当的铸造性能，同时具有较高的高温强和较好的耐腐蚀性能（图1-2），时效后的析出相会提高合金的抗蠕变性能[35]。图1-2NZ30K合金拉伸、蠕变及抗腐蚀性能[35]a)合金拉伸性能b)蠕变性能c)抗腐蚀性能1.3镁合金的强化机制1.3.1固溶强化固溶强化是靠溶质原子替换晶格上的基体原子，产生原子错排，由于溶质原子和基体原子的弹性模量的差异会产生点阵畸变，位错的运动受阻，进而强化基体[2]。同时会提高固溶体的强度和硬度，降低塑性。研究表明稀土元素的固溶强化效果要远高于一般合金元素，S.M.He[36]等人表明稀土元素Gd和Y作为固溶原子对合金的固溶强化效果要远高于Al元素。同时多数稀土元素的原子半径和镁合金的原子半径尺寸差别在15%之内[37]，根据Hume-Rothey准则[38]，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-其固溶性较高。从Mg-Nd合金的相图（图1-3）中可以发现Nd元素在镁合金中最大的固溶度可以达到3.6wt%，有着良好的固溶强化潜力。对于Mg-Nd-Zn-Zr合金而言，合理的固溶工艺可以很大限度的发挥合金的潜能，其良好的固溶时效性能为后续的工艺的制定提供了基础，也可以把固溶时效强化作为一个提升合金性能的有效手段。图1-3Mg-Nd合金相图1.3.2析出强化析出强化是一种重要强化机制，对于稀土镁合金而言尤为重要。在较低的温度下元素的固溶度较小，会有析出相的出现，进而会产生析出强化[39]。镁稀土系合金都有这类特征。何上明[40]等人表明，析出相的强化效果在稀土合金中可以达到铸态镁合金的60%以上。其内部析出相的形貌、大小和分布也会对其强化效果产生重要的影响。因为析出相的强化效果是通过阻碍位错的运动，和位错产生交互作用而实现的。因此，可以根据位错理论将析出相分为点状障碍物和延性障碍物[41]，延性障碍物指在较近距离内和位错有交互作用的第二相颗粒。从另一方面，可以按照第二相颗粒和基体的共格程度来分为共格颗粒和非共格晶粒。当位错在滑移面上滑移时，会和合金内部析出的第二相发生交互作用。Nabarro[41]等人把这种交互作用分为局部、扩散交互作用。H.米格兰[42]等人表明，基体位错遇到非共格晶粒时，会在颗粒处发生弯曲，并以Orowan机制绕过晶粒，而不能直接穿过非共格晶粒。但基体位错却可以穿透具有共格界面的第二相。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能稀土镁合金研究与应用进展[J]. 董天宇. 世界有色金属. 2018(19)
[2]Mg-Gd系合金的合金化研究进展[J]. 唐昌平,左国良,李志云,孙玹琪,李权. 材料导报. 2018(21)
[3]ZM6铸造镁合金在空间飞行器主承力结构中的应用研究[J]. 李成祥,李海岩,张耀磊,王彬,郭剑. 兵器装备工程学报. 2018(06)
[4]Zr对Mg-Gd-Er合金晶粒细化机理的影响[J]. 李淑波,杜文博,王旭东,刘轲,王朝辉. 金属学报. 2018(06)
[5]高性能稀土镁合金研究与应用[J]. 张文毓. 稀土信息. 2018(04)
[6]镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望[J]. 吴国华,陈玉狮,丁文江. 载人航天. 2016(03)
[7]稀土镁合金研究与应用进展[J]. 曾小勤. 稀土信息. 2016(02)
[8]先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用[J]. 丁文江,付彭怀,彭立明,蒋海燕,王迎新,吴国华,董杰,郭兴伍. 航天器环境工程. 2011(02)
[9]AZ31镁合金不同温度挤压后组织性能研究[J]. 梁书锦,王欣,刘祖岩,王尔德. 稀有金属材料与工程. 2009(07)
[10]挤压比和挤压温度对AZ31镁合金组织性能的影响[J]. 李艳辉,李保成,尹从娟. 金属世界. 2008(03)
博士论文
[1]Mg-Nd-Zn-Zr合金晶粒细化及疲劳和高温力学性能[D]. 刘洪汇.哈尔滨工业大学 2018
[2]AZ31轧制镁合金的室温塑性变形机制研究[D]. 侯德文.重庆大学 2017
[3]Mg-Nd-Zn-Zr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究[D]. 付彭怀.上海交通大学 2009
[4]Mg-Gd-Y-Zr（-Ca）合金的微观组织演变、性能和断裂行为研究[D]. 何上明.上海交通大学 2007
[5]稀土镁合金的热力学及固溶特性的理论模拟[D]. 吴玉蓉.湖南大学 2007
硕士论文
[1]IECAP及时效对Mg-Nd-Zn-Zr合金组织和力学性能的影响[D]. 伦玉超.哈尔滨理工大学 2016
[2]溶质原子对镁固溶体合金层错的影响及镁位错性能的研究[D]. 张泉.湘潭大学 2012
[3]挤压态二元Mg-RE合金静态力学行为研究[D]. 王坦.沈阳航空航天大学 2012
[4]ZM6合金组织及高温性能研究[D]. 杜建锋.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3359897
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mg-Y-Zn合金中的14H型LPSO结构[22]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-系合金而言，Zn的加入可以提高室温拉伸性能和室温压缩性能[33]，期间会有一种准二元相Mg3(Zn,Nd)和一种三元相Mg50Nd8Zn42析出。即Zn元素的加入对合金的室温和高温性能有很好的提升效果。同时Zn还能促进析出相的析出，影响析出相的长大，增加析出相的密度,从而提高合金的强度[34]。上海交通大学开发出的低成本的Mg-Nd-Zn-Zr合金，具有和AZ91合金相当的铸造性能，同时具有较高的高温强和较好的耐腐蚀性能（图1-2），时效后的析出相会提高合金的抗蠕变性能[35]。图1-2NZ30K合金拉伸、蠕变及抗腐蚀性能[35]a)合金拉伸性能b)蠕变性能c)抗腐蚀性能1.3镁合金的强化机制1.3.1固溶强化固溶强化是靠溶质原子替换晶格上的基体原子，产生原子错排，由于溶质原子和基体原子的弹性模量的差异会产生点阵畸变，位错的运动受阻，进而强化基体[2]。同时会提高固溶体的强度和硬度，降低塑性。研究表明稀土元素的固溶强化效果要远高于一般合金元素，S.M.He[36]等人表明稀土元素Gd和Y作为固溶原子对合金的固溶强化效果要远高于Al元素。同时多数稀土元素的原子半径和镁合金的原子半径尺寸差别在15%之内[37]，根据Hume-Rothey准则[38]，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-其固溶性较高。从Mg-Nd合金的相图（图1-3）中可以发现Nd元素在镁合金中最大的固溶度可以达到3.6wt%，有着良好的固溶强化潜力。对于Mg-Nd-Zn-Zr合金而言，合理的固溶工艺可以很大限度的发挥合金的潜能，其良好的固溶时效性能为后续的工艺的制定提供了基础，也可以把固溶时效强化作为一个提升合金性能的有效手段。图1-3Mg-Nd合金相图1.3.2析出强化析出强化是一种重要强化机制，对于稀土镁合金而言尤为重要。在较低的温度下元素的固溶度较小，会有析出相的出现，进而会产生析出强化[39]。镁稀土系合金都有这类特征。何上明[40]等人表明，析出相的强化效果在稀土合金中可以达到铸态镁合金的60%以上。其内部析出相的形貌、大小和分布也会对其强化效果产生重要的影响。因为析出相的强化效果是通过阻碍位错的运动，和位错产生交互作用而实现的。因此，可以根据位错理论将析出相分为点状障碍物和延性障碍物[41]，延性障碍物指在较近距离内和位错有交互作用的第二相颗粒。从另一方面，可以按照第二相颗粒和基体的共格程度来分为共格颗粒和非共格晶粒。当位错在滑移面上滑移时，会和合金内部析出的第二相发生交互作用。Nabarro[41]等人把这种交互作用分为局部、扩散交互作用。H.米格兰[42]等人表明，基体位错遇到非共格晶粒时，会在颗粒处发生弯曲，并以Orowan机制绕过晶粒，而不能直接穿过非共格晶粒。但基体位错却可以穿透具有共格界面的第二相。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能稀土镁合金研究与应用进展[J]. 董天宇. 世界有色金属. 2018(19)
[2]Mg-Gd系合金的合金化研究进展[J]. 唐昌平,左国良,李志云,孙玹琪,李权. 材料导报. 2018(21)
[3]ZM6铸造镁合金在空间飞行器主承力结构中的应用研究[J]. 李成祥,李海岩,张耀磊,王彬,郭剑. 兵器装备工程学报. 2018(06)
[4]Zr对Mg-Gd-Er合金晶粒细化机理的影响[J]. 李淑波,杜文博,王旭东,刘轲,王朝辉. 金属学报. 2018(06)
[5]高性能稀土镁合金研究与应用[J]. 张文毓. 稀土信息. 2018(04)
[6]镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望[J]. 吴国华,陈玉狮,丁文江. 载人航天. 2016(03)
[7]稀土镁合金研究与应用进展[J]. 曾小勤. 稀土信息. 2016(02)
[8]先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用[J]. 丁文江,付彭怀,彭立明,蒋海燕,王迎新,吴国华,董杰,郭兴伍. 航天器环境工程. 2011(02)
[9]AZ31镁合金不同温度挤压后组织性能研究[J]. 梁书锦,王欣,刘祖岩,王尔德. 稀有金属材料与工程. 2009(07)
[10]挤压比和挤压温度对AZ31镁合金组织性能的影响[J]. 李艳辉,李保成,尹从娟. 金属世界. 2008(03)
博士论文
[1]Mg-Nd-Zn-Zr合金晶粒细化及疲劳和高温力学性能[D]. 刘洪汇.哈尔滨工业大学 2018
[2]AZ31轧制镁合金的室温塑性变形机制研究[D]. 侯德文.重庆大学 2017
[3]Mg-Nd-Zn-Zr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究[D]. 付彭怀.上海交通大学 2009
[4]Mg-Gd-Y-Zr（-Ca）合金的微观组织演变、性能和断裂行为研究[D]. 何上明.上海交通大学 2007
[5]稀土镁合金的热力学及固溶特性的理论模拟[D]. 吴玉蓉.湖南大学 2007
硕士论文
[1]IECAP及时效对Mg-Nd-Zn-Zr合金组织和力学性能的影响[D]. 伦玉超.哈尔滨理工大学 2016
[2]溶质原子对镁固溶体合金层错的影响及镁位错性能的研究[D]. 张泉.湘潭大学 2012
[3]挤压态二元Mg-RE合金静态力学行为研究[D]. 王坦.沈阳航空航天大学 2012
[4]ZM6合金组织及高温性能研究[D]. 杜建锋.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3359897
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