Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金微观组织演变及力学性能研究

发布时间：2018-07-16 23:25

【摘要】：镁稀土合金因其比强度高、耐腐蚀性能和生物相容性优良,引起国内外越来越多的重视,但现有的高强镁稀土合金大都采用价格昂贵的重稀土元素作为主要强化元素,大大提高了这类合金的成本。为拓展镁稀土合金应用领域,急需开发一种低成本高性能的镁稀土合金。本文提出采用价格较低的轻稀土元素Nd和Sm联合强化镁合金的新思路,同时配合少量的Zn和Zr元素进一步改善组织。目前,基于混合轻稀土的镁合金研究尚处于起步阶段,Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的微观组织及力学性能尚不清楚。因此,本文系统开展了Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金成分优化,深入研究了合金在固溶和时效过程组织演变,考察了正向挤压联合等通道转角挤压及其随后时效处理对合金组织和力学性能影响。为优化Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金成分,依据本课题组前期大量的相关研究工作,在已确定的Sm、Zn、Zr元素的最佳含量的基础上,系统研究了稀土元素Nd对Mg-x Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr(0≤x≤2.5)合金铸态、固溶态和时效态的组织和性能的影响,揭示了合金的断裂机制。结果表明:铸态合金主要由α-Mg晶粒和共晶β相组成,β相主要呈网状分布在晶界附近。铸态合金经固溶处理后,β相溶解于α-Mg基体中,形成过饱和固溶体,经随后的时效处理,在α-Mg的基体中形成大量的GP区、β′相和β1相,片状β′相和β1相的惯析面主要为棱柱面。Nd元素可显著增强析出强化效果,Nd元素含量为2.0 wt.%时,时效态合金可获得较高的强度,屈服强度和抗拉强度分别为154 MPa和261 MPa,延伸率为5.8%。铸态合金经固溶处理和时效处理后的拉伸断裂行为由沿晶断裂向穿晶断裂转变。在合金成分优化的基础上,通过调控固溶温度和时间,考察了固溶温度和时间对Mg-2.0Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr合金组织和性能的影响。结果表明:随着固溶温度的增加和固溶时间的延长,合金的晶粒尺寸逐渐增大,β相逐渐减少,强度先升高后降低,当固溶温度高于515℃且固溶时间超过8 h,β相基本分解。确定了合金的最佳固溶处理工艺为515℃×8 h。基于优化的固溶处理工艺,进一步研究了时效温度和时间对Mg-2.0Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr合金组织和性能的影响。结果表明:随着时效温度的逐渐增加,β′相和β1相的尺寸逐渐增大,当时效温度过高,析出物的密度明显降低。合金的强度随时效温度的升高,先升高后降低,延伸率与强度的变化相反。随着时效时间的延长,合金依次经历初始欠时效、半峰时效、峰时效和过时效阶段。欠时效阶段随时效时间的延长β′相和β1相的尺寸和密度逐渐增大,峰时效阶段β′相和β1相的密度最高,过时效阶段β1相显著粗化且密度降低。首次发现时效态合金中存在基于纳米粒子和粗大片状β1相的棋盘形双相共构析出物。合金经190℃×18 h时效处理后可获得较高的强度,屈服强度和抗拉强度分别为152 MPa和266 MPa,延伸率为6.1%。为缩短Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的时效处理时间,在时效前对固溶态合金进行冷压缩预变形处理。结果表明:合金的硬度达到峰值所需时效时间仅为10 h,时效时间缩短近一半,且硬度峰值更高。发现预变形合金存在新型基面析出物βB′相,基于基面析出的βB′相及棱柱面析出的β′相所共同形成的封闭结构,可显著增强时效强化效应。利用HAADF-STEM等分析测试技术,确定Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的时效序列为:SSSS→GP区→β′相→β1相→β相,析出物主要以与基体结构相似度逐步降低的顺序析出,析出物与基体的共格关系和位向关系随析出物的转变逐渐减弱。采用正向挤压联合等通道转角挤压技术制备了高性能Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金。结果表明:随着Nd元素含量的增加,挤压态合金的晶粒尺寸逐渐减小,强度逐渐提高,延伸率逐渐降低。挤压态合金经190℃×18 h时效处理后,析出了大量的析出物,且随着Nd元素含量的增加,析出物数量逐渐增加,强度逐渐升高,塑性逐渐降低。Nd元素含量达到2.0 wt.%时强度较高,屈服强度和抗拉强度分别为187 MPa和315 MPa,延伸率为8.5%。综上,本文设计并制备了低成本高性能Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金,系统研究了合金的组织演变和力学性能。开发的铸态和固溶态合金具有中等强度和塑性,可广泛应用于汽车、3C等领域;经时效处理的合金具有较高的强度,在航空等轻量化领域具有广阔的应用前景;采用正向挤压联合等通道转角挤压技术制备的高强度、高塑性的合金,在医疗等领域的应用潜力巨大。因此,该研究为扩大镁稀土合金的应用,提供学术理论依据,具有重要的应用价值。
[Abstract]:The microstructure and mechanical properties of Mg - Nd - Sm - Zn - Zr alloy have been studied in this paper . The properties of 尾 phase and 尾 1 phase of Mg - Nd - Sm - Zn - Zr alloy have been increased gradually with the increase of the content of Nd : Therefore , the research provides academic theoretical basis for expanding the application of magnesium rare earth alloy , and has important application value .
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.22

【参考文献】