擠壓Mg-Nd-Zn-Zr合金微觀組織、力學(xué)行為及其再結(jié)晶機(jī)制研究.pdf

1、鎂稀土合金因其優(yōu)良的力學(xué)性能受到越來(lái)越多的重視。以Mg-Gd系合金為代表的鎂重稀土合金因其出眾的時(shí)效硬化特性和優(yōu)良的耐熱性能成為研究熱門合金;這類合金的室溫性能雖然優(yōu)異，但高稀土含量（＞8wt.％）大大提高了合金成本和合金密度。輕稀土元素Nd在鎂中的極限固溶度雖然只有3.6wt.％，但其在200℃時(shí)的固溶度幾乎為零(約為0.08wt.％)，所以即使只添加少量Nd也可明顯提高鎂合金時(shí)效強(qiáng)化效果。變形加工可以使合金的晶粒得到細(xì)化，進(jìn)一步提高

2、合金力學(xué)性能以及得到更多樣化的產(chǎn)品，因此以Mg-Nd系合金為基礎(chǔ)有望開發(fā)可時(shí)效熱處理的高性能低稀土含量的變形鎂合金。微量Zn的添加可以進(jìn)一步影響Mg-Nd系鑄造合金的組織與性能，但Zn元素對(duì)Mg-Nd合金的作用機(jī)制尚不清楚，尤其是對(duì)擠壓Mg-Nd-Zn合金的研究則更少。此外，傳統(tǒng)變形鎂合金在工業(yè)應(yīng)用中最大的障礙是其織構(gòu)所帶來(lái)的低塑性及低拉壓對(duì)稱性，而稀土元素加入鎂合金中可有效弱化擠壓后的絲織構(gòu)并因此改善延伸率及拉壓對(duì)稱性，但對(duì)其織構(gòu)類型

3、改變的原因目前尚不清楚。因此有必要對(duì)擠壓Mg-Nd-Zn-Zr系合金進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，優(yōu)化合金性能，并揭示合金強(qiáng)化機(jī)制、再結(jié)晶行為以便通過控制組織達(dá)到控制性能的目的。
　　本文在課題組前期鑄造Mg-Nd-Zn-Zr合金研究的基礎(chǔ)上，采用光學(xué)顯微鏡(OM)、電子探針(EPMA)、掃描電子顯微鏡(SEM)搭配電子背散射衍射(EBSD)以及透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段，通過硬度、室溫拉伸壓縮試驗(yàn)以及高溫壓縮試驗(yàn)，分別研究了不同Z

4、n及不同Nd含量對(duì)擠壓Mg-3.0Nd-xZn-Zr(x=0，0.2，0.5)和Mg-yNd-0.2Zn-Zr(y=1.5，2.0，2.5，3.0，3.5)（wt.％）合金組織與力學(xué)性能的影響，得到優(yōu)化的合金化學(xué)成分配比;以優(yōu)化的合金為對(duì)象，研究擠壓工藝參數(shù)對(duì)其顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，得到該合金的最優(yōu)化擠壓工藝范圍;最后以優(yōu)化合金為對(duì)象，研究該合金在熱壓縮過程中的再結(jié)晶行為與織構(gòu)的演變，以期找到NZK系合金擠壓后產(chǎn)生隨機(jī)織構(gòu)的原因

5、。其中重點(diǎn)研究了Zn對(duì)合金析出相以及力學(xué)行為的影響，Nd對(duì)合金織構(gòu)和力學(xué)性能的影響以及Zn和Nd對(duì)合金再結(jié)晶組織的影響。
　　論文首先重點(diǎn)研究了Zn對(duì)擠壓Mg-3.0Nd-xZn-Zr(x=0，0.2，0.5)合金顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析了Mg-3.0Nd-xZn-Zr合金的強(qiáng)韌化機(jī)制。擠壓合金中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨Zn含量的增加而減小，晶界相會(huì)隨Zn含量的增加而增加，同時(shí)晶內(nèi)會(huì)形成不同的亞穩(wěn)相。β”相是T5

6、態(tài)0Zn(N3K)及0.2Zn(NZ30K)合金中最主要的析出相。Zn加入Mg-Nd合金中會(huì)改變合金時(shí)效過程中的析出相，使合金的棱柱面析出相β”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛嫖龀鱿?，這也是T5態(tài)0.5Zn(NZ305K)合金中最主要的析出相。析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化是控制T5合金強(qiáng)度的主要強(qiáng)化機(jī)制，NZ30K-T5合金因同時(shí)具有細(xì)晶強(qiáng)化、基面析出相的強(qiáng)化作用以及非基面析出相的強(qiáng)化作用而具有較高的屈服強(qiáng)度和最高的抗拉強(qiáng)度。擠壓合金在室溫拉伸過程中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象

7、是溶質(zhì)原子釘扎已有位錯(cuò)的結(jié)果，時(shí)效后，溶質(zhì)原子富集在一起形成析出相，因此合金中屈服降完全消失而屈服平臺(tái)也減弱或完全消失。
　　其次，根據(jù)力學(xué)性能和顯微組織的篩選得到研究范圍內(nèi)最佳的Zn含量，并在此基礎(chǔ)上研究了Nd對(duì)擠壓Mg-yNd-0.2Zn-Zr合金組織性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):Nd含量不影響合金時(shí)效過程中的析出相類型;Nd對(duì)合金的再結(jié)晶率影響明顯，因而影響了合金的織構(gòu)。當(dāng)Nd含量低于2.5wt.％時(shí)，擠壓合金的再結(jié)晶率較低，有

8、明顯的雙峰分布組織;當(dāng)Nd含量增加至3wt.％以上后，合金的再結(jié)晶率明顯提高，同時(shí)織構(gòu)表現(xiàn)為弱化的隨機(jī)織構(gòu)。Nd含量從1.5wt.％增加至2.5wt.％，合金的時(shí)效析出強(qiáng)化效果增加導(dǎo)致了T5態(tài)合金強(qiáng)度的增加;進(jìn)一步增加Nd含量合金的時(shí)效析出強(qiáng)化效果不增加，同時(shí)因缺少未再結(jié)晶晶粒帶來(lái)的強(qiáng)化作用所以強(qiáng)度反而降低?？刂芓5態(tài)Mg-yNd-0.2Zn-Zr合金強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制主要是織構(gòu)強(qiáng)化與析出強(qiáng)化。
　　之后，對(duì)擠壓Mg-yNd-xZn-

9、Zr合金的雙峰分布組織進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)含Zn的Mg-Nd-Zn-Zr合金在高溫固溶處理中析出的高溫穩(wěn)定相Zn2Zr3相在擠壓過程中會(huì)釘扎位錯(cuò)并因此抑制再結(jié)晶。由于Zr在組織中是偏聚的，所以這些析出相在組織中的分布也是不均勻的，經(jīng)過擠壓含Zn2Zr3相多的晶粒就不能完成再結(jié)晶而沿ED方向被拉長(zhǎng)，含Zn2Zr3相少的晶粒則通過再結(jié)晶形成隨機(jī)取向的細(xì)小晶粒，這就造成了這些合金的雙峰分布特征組織。而NZ305K合金及NZ350K(3.5Nd

10、)合金中由于大量晶界相的存在，在擠壓過程中會(huì)刺激異質(zhì)形核提高再結(jié)晶率的同時(shí)減小未再結(jié)晶晶粒的尺寸，所以不會(huì)呈現(xiàn)明顯的雙峰分布組織。
　　根據(jù)以上的研究結(jié)果優(yōu)化的合金成分為Mg-2.5Nd-0.2Zn-Zr(wt.％)(NZ250K)。該成分?jǐn)D壓態(tài)及T5態(tài)下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率分別為:151.68MPa-222.01MPa-40.9％和198.49 MPa-314.99 MPa-26.49％，該合金同時(shí)還具有相當(dāng)優(yōu)異的拉壓對(duì)

11、稱性(＜5％)。隨后，對(duì)NZ250K合金擠壓工藝的研究表明，隨擠壓溫度的降低，合金晶粒尺寸持續(xù)減小，因此強(qiáng)度增加;擠壓速率和擠壓比對(duì)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律相同，降低擠壓速率或擠壓比，合金的晶粒尺寸得到細(xì)化，當(dāng)對(duì)應(yīng)的出料速率低于某個(gè)特定值后(本研究中為2m/min)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶率很低并具有強(qiáng)烈的絲織構(gòu)，強(qiáng)度得到明顯提高的同時(shí)延伸率也明顯惡化，此時(shí)合金也表現(xiàn)出明顯的拉壓不對(duì)稱性。具有最佳綜合力學(xué)性能的擠壓工藝為:擠壓溫度300℃，擠壓

12、比9，擠壓桿速率5mm/s，合金擠壓態(tài)的力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度215.88MPa,抗拉強(qiáng)度278.43MPa，延伸率28.9％，時(shí)效后力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度239.64MPa,抗拉強(qiáng)度327.18MPa，延伸率18.21％
　　最后，通過NZ250K合金在壓縮過程中織構(gòu)演變的觀察研究NZ250K合金隨機(jī)織構(gòu)的產(chǎn)生原因。合金在高溫變形過程中，非基面位錯(cuò)得以充分開動(dòng)，大量晶粒在發(fā)生再結(jié)晶前的晶粒c軸偏離壓縮軸，新晶粒形成初期與原始晶粒的位向接