自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Gd基合金組織和力學(xué)行為的研究.pdf

1、鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”。本文基于一種新的成分設(shè)計思想：利用非晶組分進(jìn)行自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金的設(shè)計和制備，通過引入新的增強(qiáng)相，即二十面體準(zhǔn)晶，進(jìn)行新型自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金的開發(fā)和研究。 選取了Mg-Zn-Gd合金系，并成功制備出自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡，X射線衍射儀，差熱分析儀和

2、透射電子顯微鏡等分析手段，研究了合金成分對準(zhǔn)晶相形成的影響規(guī)律，確定了準(zhǔn)晶相(I-phase)形成的合金成分范圍。在此基礎(chǔ)上，研究了不同準(zhǔn)晶含量對Mg-Zn-Gd系合金鑄態(tài)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律；通過引入MgZnCu Layes相，研究了該相和準(zhǔn)晶相復(fù)合增強(qiáng)對Mg-Zn-Gd系合金組織和力學(xué)性能的影響。研究了T4和T6熱處理工藝對Mg-Zn-Gd合金組織和力學(xué)性能的影響，最終獲得了兩種綜合性能較好的合金成分及其相應(yīng)的熱處理工藝。研究了

3、不同凝固條件對準(zhǔn)晶相形成和合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過熱擠壓，進(jìn)一步研究了變形工藝對準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金組織和力學(xué)性能的影響，分析了準(zhǔn)晶相和Laves相對擠壓態(tài)Mg-Zn-Gd系合金強(qiáng)化機(jī)制和變形機(jī)制的影響。主要研究結(jié)論如下： 1.通過研究ZrdGd比和Zn、Gd含量對Mg-Zn-Gd系合金準(zhǔn)晶相形成的影響規(guī)律，獲得了富鎂區(qū)Mg-Zn-Gd合金的準(zhǔn)晶相的形成范圍及其相組成。在普通凝固條件下，富鎂區(qū)Mg-Zn-Gd合金可以獲得五個相區(qū)：

4、(I)α-Mg+W-phase(II)α-Mg+W-phase+I-phase；(III)α-Mg+I-phase；(IV)α-Mg+I-phase+Crystal；(V)α-Mg+Crystal(Crystal代表Mg-Zn、Mg-Gd和MgZnGd相)。Mg-Zn-Gd合金在鑄態(tài)下形成的準(zhǔn)晶相成分為Mg：30±1at.％，Zn：62at.％，Gd：8±1at.％。該相具有很高的熱穩(wěn)定性，屬于F-type面心立方二十面體準(zhǔn)晶，平均價電

5、子濃度為2.08，符合Hume-Rothery準(zhǔn)則。 2.Mg-Zn-Gd鑄態(tài)合金中準(zhǔn)晶相呈骨骼狀分布在基體中，是一種典型的樹枝狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)準(zhǔn)晶的體積分?jǐn)?shù)為8.6％時，Mg-3.5Zn-0.6Gd(at.％)合金表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度和延伸率。添加Cu元素后，Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu(at.％)合金形成了α-Mg、I-phase和MgZnCu Laves相三相組織。MgZnCu Laves相的存在，顯著提高了合金的耐

6、熱性能。當(dāng)Cu含量為1.5at.％時，合金的力學(xué)性能較高，室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為176MPa、106MPa和6.5％，高溫(200℃)抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為130MPa和18.5％。在200℃、50MPa條件下，Mg-3.5Zn-0.6Gd和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金的拉伸蠕變總應(yīng)變量和穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為0.294％、4.72×10-9和0.084％、1.9×10-9，均超過商用耐熱鎂合金AE42(目前評

7、價鎂合金耐熱性能的基準(zhǔn)合金)一個數(shù)量級。 3.獲得了Mg-Zn-Gd合金最佳的T6熱處理工藝：440℃保溫8h水冷，200℃保溫24h空冷。T6熱處理工藝使Mg.3-5Zn-0.6Gd合金的屈服強(qiáng)度提高28.6％。然而，由于準(zhǔn)晶相和MgZnCu Laves相高的熱穩(wěn)定性使得熱處理對第二相分解和合金元素的固溶影響不明顯，因此熱處理對準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Gd基合金力學(xué)性能的改善作用非常有限。 4.冷卻速度對Mg-Zn-Gd系

8、合金的準(zhǔn)晶形成具有重要的影響，并且存在一個形成準(zhǔn)晶的最佳冷卻速度。Mg-3.5Zn-0.6Gd和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金在快速凝固銅模噴鑄試樣直徑為φ5mm圓棒條件下，冷卻速度約為70K/s，最有利于準(zhǔn)晶的形核和長大，合金具有最強(qiáng)的準(zhǔn)晶形成能力，組織中的準(zhǔn)晶體積分?jǐn)?shù)最高。當(dāng)冷卻速度低于70K/s時，冷卻速度的提高促進(jìn)準(zhǔn)晶相的形核和長大，因而增加合金中準(zhǔn)晶相的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)冷卻速度大于70K/s時，冷卻速度的提高抑制準(zhǔn)晶

9、的形核和長大，合金中準(zhǔn)晶相的體積分?jǐn)?shù)減少。 5.冷卻速度從4.8K/s提高到18.5K/s時，Mg-3.5Zn-0.6Gd合金的強(qiáng)度得以改善的原因包括兩方面：一是冷卻速度的提高帶來的細(xì)晶強(qiáng)化作用；二是冷卻速度的提高促進(jìn)了準(zhǔn)晶相的形成，提高了準(zhǔn)晶增強(qiáng)效果。而對于準(zhǔn)晶含量較少的Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金，冷卻速度對準(zhǔn)晶含量的影響不明顯，合金的強(qiáng)度改善主要是由于細(xì)晶強(qiáng)化的作用。 6.Mg-3.5Zn-0.6G

10、d和Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu兩種合金經(jīng)過擠壓后，準(zhǔn)晶相和Layes相被破碎。合金在擠壓過程中形成了彌散分布的100～200nm大小的納米準(zhǔn)晶顆粒，其成分為Mgg2ZnsoGds(at.％)，具有面心立方二十面體結(jié)構(gòu)。 7.Mg-3.5Zn.0.6Gd合金的力學(xué)性能對擠壓溫度較為敏感。在573K擠壓時，合金的力學(xué)性能比在673K擠壓時更高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別提高了3％、7.5％和13.7％。準(zhǔn)晶相和La

11、ves相的組合使得Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金的力學(xué)性能受擠壓溫度的影響較小，在573K和673K兩種擠壓溫度條件下，合金的力學(xué)性能沒有明顯差異。 8.高準(zhǔn)晶含量的Mg-3,5Zn-0.6Gd合金在200℃的高溫變形性能明顯優(yōu)于Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金。準(zhǔn)晶相和Laves相的復(fù)合增強(qiáng)作用使得Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu.合

12、金比Mg-3.5Zn-0.6Gd合金具有更高的高溫強(qiáng)度。Mg-3.5Zn-0.6Gd合金在673K擠壓比573K擠壓具有更好的高溫變形能力，200℃下拉伸的延伸率為94％。該合金良好的變形能力可歸因于兩方面：一、準(zhǔn)晶與基體具有良好的界面結(jié)合，在變形過程中，具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)變形作用。二、含準(zhǔn)晶合金變形后的織構(gòu)呈現(xiàn)出一種更為均勻的隨機(jī)分布的形態(tài)。這種更為均勻的隨機(jī)分布的織構(gòu)形態(tài)大大改善了合金的塑性。 9.高溫變形行為研究表明，準(zhǔn)晶增強(qiáng)

13、Mg-3.5Zn-0.6Gd合金具有很高的變形應(yīng)變量、更小的應(yīng)變硬化指數(shù)。而準(zhǔn)晶與Laves相復(fù)合增強(qiáng)的Mg-3.5Zn-0.6Gd-1.5Cu合金表現(xiàn)出更高的高溫強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)以及更加穩(wěn)定的組織(晶粒長大速率更小)。 本研究為變形鎂合金的開發(fā)提供了一種新的成分設(shè)計和合金強(qiáng)化的思路：通過調(diào)整合金的成分和制備工藝，可以改變合金內(nèi)部準(zhǔn)晶相和Layes相的總含量及兩者之間的比率，從而獲得具有不同變形能力和力學(xué)性能的變形鎂合金，滿足