Mg-Sm-Yb-Zn-Zr系合金组织和性能及其蠕变行为研究

发布时间：2020-06-08 14:06

【摘要】：镁合金作为目前最轻的金属结构材料,被广泛应用于汽车工业、航空航天、武器装备等领域。Mg-RE系合金因其高强、耐热等特点,成为镁合金领域的研究热点之一。近年来,廉价的轻稀土钐(Sm)引起了研究人员的极大兴趣,并且开发了Mg-Sm-Zn-Zr系合金。基于轻、重稀土复合添加能够显著改善镁合金力学性能的理论,因此,本文设计开发了Mg-Sm-Yb-Zn-Zr系合金。本论文主要研究Yb对Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr基合金组织、性能及其蠕变行为的影响。首先,本文研究了不同Yb含量对铸态Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr(M40)基合金微观组织和力学性能影响,结果表明,Yb具有明显的细化晶粒效果;M40合金中主要的第二相为Mg_3Sm(FCC,a=0.74nm),呈多孔网状结构,分布在三叉晶界;Yb添加之后,第二相体积分数增加,铸态合金主要的第二相有晶界实心树枝状Mg_(24)RE_5相(BCC,a=1.12nm)和晶内板条状Mg_5RE相(FCC,a=2.22nm),且与Mg基体的位相关系为:(200)_(Mg5RE)和(-110-2)_(α-Mg)相差3.03~o,[012]_(Mg5RE)//[-24-23]_(α-Mg)。此外,在M40合金中发现了纳米级板条状柱面沉淀相Mg_3Sm和细长条状基面沉淀相Mg_5Sm相;在Mg-3.5Sm-2Yb-0.6Zn-0.4Zr(M42)合金发现了纳米级条纹状Mg_(24)RE_5相、超细针状Mg_3RE相以及基面堆垛层错。Yb添加对合金的力学性能具有显著的提升,且随着Yb含量的增加,屈服强度明显提升,延伸率呈先增后减的趋势;铸态M42合金展示了最佳的综合力学性能(σ_b=234MPa,σ_(0.2)=131MPa,ε_f=18.4%),并且保持了良好的高温(250~oC以下)拉伸性能。其次,研究了铸态合金的蠕变行为,并分析M40和M42合金的蠕变变形机制。结果表明,Yb添加能够明显改善铸态合金的蠕变性能,且铸态M42合金展示了最优的抗高温蠕变性能。基于蠕变激活能和蠕变应力指数,M40和M42合金在200~250~oC、60~100MPa条件下主导的蠕变机制是位错型蠕变,并伴随着扩散和晶界滑移的发生。另外,蠕变过程中的动态析出相是提高合金蠕变抗力的主要原因。晶界r型空洞和w型裂纹的形核、聚集、长大是导致蠕变失效的主要原因。此外,研究了合金的固溶处理工艺,具体工艺为,M40和M405合金:520~oC-6h,冷水淬火;M41,M42和M43合金:525~oC-2h+515~oC-4h,80~100~oC热水淬火。固溶之后,合金的塑性得到了明显的改善,强度变化不大。并进一步研究了M40和M42合金200~oC峰值时效析出相和力学性能。M40合金峰时效态主要的析出相有β’相和γ’’相,其中β’相,沿{10-10}二级棱柱面析出,底心斜方晶系(a=0.642 nm,b=2.224 nm,c=0.521 nm),与镁基体的位相关系是:(001)_(β’)//(0001)_α,[2-10]_(β’)//[2-1-10]_α;γ’’相沿基面析出,有序的六方结构(a=0.556nm,c=0.444nm)。M42合金峰时效态主要的析出相有:风车状析出相(由β’’相和β’相首尾相接,连接而成)、盘片状β’’相、针状的γ’’相和γ’相。其中β’’相,沿{11-20}二级棱柱面析出DO19结构(a=0.642nm,c=0.521nm),与镁基体的位相关系是:(10-10)_(β’’)//(10-10)_α,[0001]_(β’’)//[0001]_α;针状γ’’相与镁基体的位相关系是:(2-1-10)_(γ’’)//(-1100)_α,[0001]_(γ’’)//[0001]_α;针状γ’是一种无序的六方结构(a=0.321nm,c=0.781nm),与镁基体的位相关系是:(0001)_(γ’)//(0001)_α,[2-1-10]_(γ’)//[2-1-10]_α。峰时效态M42合金展示了最佳的力学性能(σ_b=297MPa,σ_(0.2)=228MPa,ε_f=8.1%),优于峰时效态WE43合金。另外,峰时效态合金保持了良好高温力学性能,主要归因于良好热稳定性的γ’’相和γ’相。少量(0.5%)的Yb添加均能改善铸态、固溶态和峰时效态合金的加工硬化效果;同时热处理对合金的加工硬化效果也具有明显的影响。铸态和峰时效态M42合金的加工硬化效果对温度有强烈的敏感性。
【图文】：

曲线,蠕变时间,曲线,加工硬化

究表明[39,43]，加工硬化不仅仅由位错相互作用粒[41,42]、大角度晶界[40,43]也会引起加工硬化。行为材料在高温服役的重要性能指标。蠕变是指金度）、高温环境下的一种缓慢塑形变形行为。蠕和压入蠕变。如图 1.1 所示是典型的蠕变试验代表蠕变应变；蠕变曲线一般分为三个阶段[1,7

蠕变机制,应力,温度,晶界滑移

图 1.2 不同应力和温度所对应的蠕变机制[48]。蠕变过程中，位错滑移是在高温环境下进行的，气团，，并阻碍位错运动。此时位错开动的临界切应高的应力。但是，高温条件下柯氏气团会发生移动的产生。因此这种位错滑移称之粘滞滑移。另一方形成位错塞积群。在较低温时，产生加工硬化；在过攀移或者交滑移的方式通过障碍，从而产生蠕变变应力指数范围为 3~7[1]。蠕变。在高温和低应力条件下，易发生晶界滑移。下晶界原子的定向扩散、晶界迁移或晶间滑动引起来自于晶界滑移，影响晶界滑移的因素主要有温度变应力的增加，晶界滑移对蠕变变形量的贡献也随面面积减小）则会减小其对蠕变变形量的贡献。通
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】