稀土Nd、Y对Mg-6Zn-1Mn镁合金微合金化效应的研究

发布时间：2017-05-20 12:25

  本文关键词：稀土Nd、Y对Mg-6Zn-1Mn镁合金微合金化效应的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镁合金具有质轻、高的比强度、良好的导热导电性、阻尼减振、电磁屏蔽等等优异性能,在交通、电子通讯、航空航天等领域展现了广阔的应用前景,已成为21世纪绿色环保工程材料之一。然而,当前镁合金材料的室温强度相对较低,耐蚀性能较差,严重限制了其作为结构材料的广泛应用。因此,发展高强高韧并兼有良好耐蚀性的镁合金材料,就成为当前结构材料前沿领域的热门课题,具有重要现实意义。本文基于课题组新近开发的高强Mg-6Zn-1Mn镁合金(ZM61),系统研究了稀土Nd、Y对ZM61的微合金化效应;并借助铜模铸造快速凝固技术,研究了不同冷却速率对ZM61合金结果和性能影响。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)配置能谱分析仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、示差扫描量热仪(DSC)、万能材料试验机、电化学工作站等实验手段,系统研究了不同稀土Nd、Y对ZM61系镁合金的微观结构、热稳定性、力学性能、腐蚀性能等的影响。主要获得了如下结果:(1)少量稀土Nd(低于0.4%)对铸态ZM61合金具有明显的细晶作用,随着Nd含量继续增加,在晶界上析出粗大第二相颗粒而导致合金的综合力学性能降低。研究还发现,Nd对挤压态ZM61合金的织构影响较小,其显著影响合金动态再结晶率。当Nd含量较低时,合金经挤压时动态再结晶率较低,主要生成弥散细小的第二相;随着Nd的增加,合金发生完全的动态再结晶,由于在合金晶界上析出粗大的T相,而导致合金综合力学性能下降。(2)当稀土Nd含量较低时,固溶处理后ZM61-Nd合金晶粒尺寸明显减小,大部分第二相已溶入镁基体中。在随后时效过程中能够析出大量细小弥散的第二相,起到弥散强化的作用,合金展示了较好的力学性能;随着Nd含量的增加,残留基体中的稀土三元相T相随之增加,进而在后续时效处理时,合金析出的第二相会减少,而导致ZM61-Nd系固溶单级时效态镁合金强度降低。透射电子显微镜结果证实了ZM61-Nd系合金在时效过程中的强化相Mg Zn2以β'1杆状相和β'2盘状相两种形式存在。其中β'1杆状相与基体的位向关系为:[112?0]Mg""[0001]Mg Zn2,(0002)Mg""(112?0)Mg Zn2;盘状β'2(Mg Zn2)相与基体的位向关系为:[112?0]Mg""[101?0]Mg Zn2,(0002)Mg""(0002)Mg Zn2。而通过添加Nd,可加速ZM61系合金中盘状β'2(Mg Zn2)相的析出,且随着时效时间的延长,合金中部分杆状β'1(Mg Zn2)相会向盘状β'2(Mg Zn2)相发生转变。(3)研究发现,在ZM61-Y系铸态合金中,随着Y含量的变化,合金主要物相演变规律为:α-Mg+Mg7Zn3→α-Mg+I→α-Mg+W→α-Mg+X,这主要归因于Zn/Y原子比的不同造成的。其中,I相主要偏聚于枝晶,W相多以鱼骨状的形式存在,X相多以片层状形式存在。(4)当Y含量低于2%时,挤压可使晶界和晶粒内部析出细小弥散的第二相,提高合金强度的同时,也具有较好的室温延展性,其断口上韧窝尺寸也较大。随着Y的增加,第二相颗粒变大,主要存在于晶界,热挤压过程中晶粒不易被挤碎、细化,弱化了析出相与基体的界面能,最终使得挤压态合金综合力学性能降低。同时,少量稀土Y(低于2%)掺杂ZM61系合金经固溶人工时效后,综合性能获得提高。这归因于在固溶过程中,合金中的大部分第二相颗粒溶入镁基体,在随后的人工时效过程中,晶界和晶内析出细小弥散的第二相颗粒,从而起到弥散强化作用。随着Y的增加,固溶过程中溶入镁基体的第二相颗粒少,固溶时效强化效果降低,而且晶粒尺寸大幅度长大,整体导致合金综合性能下降。(5)确立了Mg-6Zn-1Mn-2Y合金经515℃/2h+90℃/24h+180℃/24h固溶双级时效处理可获得较好的综合力学性能,其屈服强度高达340MPa,对应的时效硬化曲线呈现“欠时效-峰时效-过时效”特征,在时效过程中可长时间处于高硬度的状态,具备强的时效硬化能力,这为发展高强ZM61-Y合金系提供了可借鉴的技术路线。(6)快速凝固技术使得ZM61镁合金的微观组织更加均匀,析出相更加细小,合金强度可达460MPa,约为传统铸造镁合金的2倍。这主要归因于Mg Zn2析出相相对于α-Mg基体,具有较高的杨氏模量,使得合金强化效应明显。此外,通过动电位极化实验发现,快速凝固ZM61镁合金具有更低的腐蚀电流密度、更高的点蚀电位和更宽的钝化区间,其腐蚀速率仅为11.2μm/year,展现了优异的耐蚀性能。
【关键词】：镁合金 稀土 微观组织 强化机制 冷却速率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 镁合金研究现状13-16
• 1.2.1 铸造镁合金研究现状13-14
• 1.2.2 变形镁合金研究现状14-16
• 1.3 镁合金的强韧化16-23
• 1.3.1 镁合金的强化及其机理16-18
• 1.3.2 合金元素强化18-20
• 1.3.3 镁合金固溶强化20-21
• 1.3.4 镁合金时效强化21-22
• 1.3.5 变形强化22-23
• 1.4 稀土在镁合金中的研究现状23-28
• 1.4.1 稀土元素在镁合金中的作用23-25
• 1.4.2 稀土为微量添加元素的镁合金25-27
• 1.4.3 稀土为主元合金的镁合金27-28
• 1.5 Mg-Zn系镁合金的研究现状28-30
• 1.6 本课题研究目的和意义30-31
• 1.7 本文的主要研究内容31-34
• 2 稀土Nd对Mg-6Zn-1Mn系合金微观组织和性能的影响34-48
• 2.1 引言34
• 2.2 实验材料及研究方法34-38
• 2.2.1 试验合金的成分设计及制备34-35
• 2.2.2 差热分析35
• 2.2.3 物相分析35-36
• 2.2.4 热挤压试验36
• 2.2.5 力学性能测试36-37
• 2.2.6 合金显微组织分析37
• 2.2.7 电子背散射衍射(EBSD)分析37-38
• 2.3 Nd含量对Mg-6Zn-1Mn镁合金显微组织的影响38-43
• 2.3.1 铸态组织38-41
• 2.3.2 挤压态组织41-43
• 2.4 稀土Nd对挤压态Mg-6Zn-1Mn镁合金织构的影响43-45
• 2.5 Nd对挤压态Mg-6Zn-1Mn镁合金力学性能的影响45-47
• 2.6 本章小结47-48
• 3 固溶时效对Mg-6Zn-1Mn-xNd系合金组织和性能的影响48-74
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验材料及研究方法49-52
• 3.2.1 试验材料49
• 3.2.2 固溶时效试验49-51
• 3.2.3 力学性能测试51
• 3.2.4 合金硬度测试51
• 3.2.5 物相分析51-52
• 3.2.6 合金显微组织观察52
• 3.3 Mg-6Zn-1Mn-xNd合金固溶时效态显微组织52-61
• 3.3.1 固溶态组织52-55
• 3.3.2 合金固溶单级时效态组织55-58
• 3.3.3 合金固溶双级时效态组织58-61
• 3.4 Mg-6Zn-1Mn-xNd合金固溶时效态力学性能61-64
• 3.4.1 固溶单级时效态的力学性能61-63
• 3.4.2 固溶双级时效态的力学性能63-64
• 3.5 Mg-6Zn-1Mn-xNd合金时效硬化曲线64-67
• 3.5.1 Nd含量对Mg-6Zn-1Mn合金时效硬化曲线的影响64-65
• 3.5.2 温度对Mg-6Zn-1Mn-0.2Nd合金时效硬化曲线的影响65-67
• 3.6 Mg-6Zn-1Mn-0.2Nd合金 180℃时效组织演变67-72
• 3.6.1 时效析出相特征分析67-69
• 3.6.2 合金 180℃时效的显微组织演变69-72
• 3.7 本章小结72-74
• 4 稀土Y对Mg-6Zn-1Mn系合金微观组织和性能的影响74-92
• 4.1 引言74-75
• 4.2 实验材料及研究方法75-78
• 4.2.1 试验合金的成分设计及制备75
• 4.2.2 试验合金密度测试75-76
• 4.2.3 热挤压试验76-77
• 4.2.4 力学性能测试77
• 4.2.5 差热分析77
• 4.2.6 微观组织及物相分析77-78
• 4.3 Y微合金化对Mg-6Zn-1Mn合金显微组织和性能的影响78-89
• 4.3.1 添加Y对合金铸态组织的影响78-82
• 4.3.2 均匀化合金微观组织82-85
• 4.3.3 Y对Mg-6Zn-1Mn-Y合金挤压态微观组织和性能的影响85-89
• 4.4 本章小结89-92
• 5 固溶时效对Mg-6Zn-1Mn-xY系合金组织和性能的影响92-106
• 5.1 引言92
• 5.2 实验材料及研究方法92-93
• 5.2.1 试验合金的成分设计及制备92
• 5.2.2 热挤压试验92
• 5.2.3 固溶时效试验92-93
• 5.2.4 力学性能测试93
• 5.2.5 微观组织及物相分析93
• 5.3 Y对Mg-6Zn-1Mn合金固溶时效态微观组织和性能的影响93-96
• 5.4 Y对Mg-6Zn-1Mn合金直接时效态微观组织和性能的影响96-98
• 5.5 Mg-6Zn-1Mn-2Y合金固溶时效工艺优化98-103
• 5.5.1 Mg-6Zn-1Mn-2Y合金固溶时效显微组织分析99-102
• 5.5.2 Mg-6Zn-1Mn-2Y合金固溶时效力学性能分析102
• 5.5.3 Mg-6Zn-1Mn-2Y合金 180℃时效硬化曲线102-103
• 5.6 本章小结103-106
• 6 凝固速率对Mg-6Zn-1Mn系合金微结构及性能的影响106-120
• 6.1 引言106
• 6.2 实验过程106-109
• 6.3 实验结果与讨论109-118
• 6.3.1 凝固速率对ZM61 合金微观结构和热性能的影响109-111
• 6.3.2 凝固速率对ZM61 合金室温力学性能的影响111-112
• 6.3.3 凝固速率对ZM61 合金腐蚀性能的影响112-114
• 6.3.4 微量稀土Nd对ZM61 快速凝固镁合金微结构及性能的影响114-118
• 6.4 本章小结118-120
• 7 本文结论120-124
• 7.1 主要结论120-121
• 7.2 创新点121-124
• 致谢124-126
• 参考文献126-138
• 附录138-139
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录138-139
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录139

【参考文献】

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本文编号：381641