大塑性变形Mg-Gd-Y系合金组织结构演变和力学性能研究

发布时间：2018-04-10 10:08

  本文选题：稀土镁合金　切入点：反复镦压　出处：《上海交通大学》2015年博士论文

【摘要】：镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,在国防军事、航空航天、汽车、电子通信等工业领域具有非常广阔的应用前景。相比于其他金属结构材料,镁合金在室温下的强度和塑性都比较低,开展镁合金的强韧化研究对推广其应用具有重要意义。由于镁没有同素异构变化,无法利用相变强化来提高它的性能。目前,镁合金最为有效的强化方式为固溶强化、细晶强化和析出强化等。本文以Mg-GdY系合金为研究对象,以反复镦压和轧制为变形手段,细化和均匀化合金的组织结构,研究的重点着眼于合金在变形和热处理中的组织、结构和织构的演变,以及相应的力学性能变化规律。本研究系统地研究了细晶强化、固溶强化、时效强化、位错强化和织构控制等多种强化手段对提高合金力学性能的作用;深入地分析了位错运动,孪晶、亚晶和晶界形成,第二相析出和转变,界面偏析等变形和析出机理;揭示了如何有效利用多种强韧化机制,充分发挥复合强化作用制备高性能稀土镁合金关键科学问题。具体研究内容如下:利用Gleeble热模拟试验机,研究了挤压态Mg-Gd-Y(GW103K)合金的热压缩变形过程中的流变行为。GW103K合金的流变应力对加工温度和应变速率敏感,在任意应变速率下,峰值应力随温度的降低而增高;而当变形温度一定时,峰值应力随着应变速率的增加而提高。基于流变应力结果,对材料进行了本构分析,获得挤压态GW103K合金的变形激活能计算值为229.5k J/mol,及其本构模型:。热加工图表明变形温度420-450℃,变形速率0.01-0.1s-1是优化的热变形工艺参数。热加工图预测了应变量较少时,主要变形失稳区是低温低应变速率和高温高应变速率;而应变量较大的主要变形失稳区集中在高应变速率。用有限元模拟软件DEFORM对不同温度、道次反复镦压变形进行了模拟。研究结果表明,样品在变形过程中存在小范围搅拌紊流;应力场显示,较高的变形应力发生在镦压初期,尤其是样品侧棱位置有明显的应力集中;应变场显示,单道次变形后,材料应变在挤压方向分布不均,呈波浪形分布特征,多道次变形应变累积上升,未发现变形死区,反复镦压4道次变形后,材料的最小应变值达到~3.7。研究了不同工艺参数下反复镦压样品的微观组织。反复镦压加工道次对组织细化效果明显,晶粒尺寸随着加工道次的增加,从139μm细化到1μm以下的超细晶;晶粒尺寸的均匀性也随加工道次增加而逐渐提高;织构强度随加工道次增加逐渐降低。反复镦压变形温度对组织结构演化有显著影响,随着变形温度增加,晶粒尺寸也从~1μm增加到4~5μm和10~20μm;织构强度也随变形温度升高而提高。反复镦压不同加工路径的晶粒细化能力有区别,路径A细化效果显著,并发现有剪切带形成,路径B细化效果较差,4道次变形后依然存在尺寸为5~10μm的大晶粒,未见明显的剪切带。研究了不同工艺参数下反复镦压样品的力学性能。力学性能随加工道次的增加而提高,变形前后屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别比初始状态提高了150%、52%和110%;随着变形道次增加,力学性能均匀性也显著提高。随着变形温度增加,屈服强度呈逐渐降低的规律,抗拉强度变化规律与之相似,断裂延伸率的变化规律是随着加工温度提高而提高。反复镦压加工路径B与路径A相比,得到的样品具有更高的延伸率,但是屈服强度和抗拉强度都相对较低,路径B适合制备延伸率要求较高的样品,而路径A更适合制备高强度GW103K合金。研究了反复镦压后样品的时效析出行为。时效析出可进一步提高反复镦压样品的屈服强度和断裂强度,时效峰值样品的抗拉强度可在时效前350MPa的基础上再提高100MPa左右,但延伸率大幅降低。峰值时效晶内析出相形貌为“乌龟形”,经细致的微观结构表征确认,该形貌是由β″相、βT相和β′相共同组成。新发现的βT相位于β″相和β′相之间,其晶体结构为b.c.o结构,晶格常数为a=2·a Mg≈0.64nm,b=8·d(1010)Mg≈3.33 nm,c=cMg≈0.52 nm,与基体的取向关系是:(100)Tb//(1120)a、[001]Tb//[0001]a。βT相的化学成分为Mg_5RE,其中RE由Gd和Y组成,因此也可写成Mg_5Gdx Y1-x(0x1)。提出了新的Mg-Gd-Y三元合金的时效析出序列:S.S.S.S→β″→βT→β′→β1→β。Ag元素对Mg-Gd-Y系合金的界面偏析结构有影响。未添加Ag的GW103K合金,孪晶和晶界的原子偏析呈直线型,而添加了Ag元素后,Mg-Gd-Y-Ag合金(GWQ1032K),在{1012}孪晶(TBII)和片层晶界(LGB)上会形成“脊椎骨”形貌的周期性偏析新结构,该新结构比直线型偏析有更高的溶质原子密度,因而具有更高的钉扎界面的能力。出现这种新偏析结构的主要原因是,Ag原子的fcc结构以及较小的原子半径。此外,孪晶、层错、晶界等界面结构和能量也会对偏析形式产生影响:“脊椎骨”形周期性偏析结构容易在晶界和TBII等高界面能的界面上形成;而低界面能的TBI上形成的偏析结构为直线型;能量最低的层错上甚至无法形成任何周期性偏析结构。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22

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本文编号：1730770