Mg-Zn-Mn系變形鎂合金強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、本文研究了Zn、Mn含量對(duì)Mg-Zn-Mn系變形鎂合金室溫力學(xué)性能和顯微組織的影響、單級(jí)和雙級(jí)時(shí)效過程中時(shí)效析出相的演變和α-Mn析出相的晶體學(xué)特征;采用原位電阻法和硬度法研究了Mg-6wt.％Zn.1Wt.％Mn(ZM61)合金在不同溫度進(jìn)行單、雙級(jí)時(shí)效時(shí)的相變動(dòng)力學(xué),得到了Johnson-Mehl-Avrami(JMA)動(dòng)力學(xué)方程和“溫度-時(shí)間-轉(zhuǎn)變量”(TTT)圖;還構(gòu)建了析出強(qiáng)化模型并對(duì)ZM61合金單級(jí)時(shí)效早期的力學(xué)性能演變進(jìn)行

2、了模擬。
　　 研究Zn含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn):①擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能對(duì)Zn含量的變化不敏感,隨Zn含量的增加,屈服強(qiáng)度σ0.2和抗拉強(qiáng)度σb的變動(dòng)幅度均不大,延伸率δ保持在13％左右。T6(單級(jí)和雙級(jí))處理后,Zn含量從4％增到6％時(shí),σ0.2和σb均大幅增加且δ沒有顯著降低,當(dāng)Zn含量從6％增到9％時(shí),σ0.2和σb的增幅不大但δ會(huì)顯著降低。雙級(jí)時(shí)效的強(qiáng)化效果優(yōu)于單級(jí)時(shí)效但δ更低。擠壓態(tài)ZM61經(jīng)過“固溶+雙級(jí)時(shí)效”(420℃/2

3、h+90℃/24h+180℃/16h)處理后具有最佳的綜合力學(xué)性能,即:σ0.2=340MPa,σb=366MPa,δ=5％。②Mg-Zn-Mn合金在時(shí)效過程中析出兩種類型的析出相:一種是沿基體[001]Mg方向的桿狀相β1',一種是平躺在基體(001)Mg晶面上的盤狀相β2'。ZM61在180℃進(jìn)行單級(jí)時(shí)效時(shí),硬度在3.5h接近峰值,峰時(shí)效之前主要發(fā)生桿狀相數(shù)量密度的增加和桿的伸長,峰時(shí)效時(shí)桿狀相的數(shù)量密度達(dá)到最大值,過時(shí)效階段主要發(fā)

4、生桿狀相的粗化和盤狀相的增多,嚴(yán)重粗化的桿狀相常以α-Mn顆粒為異質(zhì)核心。③ZM61在180℃進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效時(shí),硬度在1h(86HV)就接近峰值,預(yù)時(shí)效(90℃/24h)態(tài)組織中彌散分布著直徑約5nm的Guinier-Preston(G.P.)區(qū),前20min的組織中只能觀察到桿狀相而看不到盤狀相,說明G.P.區(qū)只作為桿狀相的異質(zhì)形核核心,過時(shí)效階段盤狀相才逐漸增多。④ZM61在230℃進(jìn)行單、雙級(jí)時(shí)效時(shí),達(dá)到峰時(shí)效的時(shí)間明顯縮短(單級(jí):

5、2h,雙級(jí):0.5h)。雙級(jí)時(shí)效7h時(shí),合金雖已發(fā)生過時(shí)效,但組織中絕大部分的析出相仍為短桿狀,盤狀相的數(shù)量極少,說明高溫時(shí)效和G.P.區(qū)形核的共同作用抑制了盤狀相的析出。⑤單、雙級(jí)時(shí)效態(tài)組織中,位錯(cuò)形核導(dǎo)致大量的析出相沿位錯(cuò)線整齊排列。
　　 研究Mn含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn):①均勻化、擠壓和固溶處理時(shí)會(huì)析出α-Mn相,α-Mn相的截面形狀包括:球狀、平行多邊形和棒狀。②對(duì)一個(gè)正六邊形α-Mn析出相的晶體學(xué)特征進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn):六邊形相

6、的六個(gè)刻面均屬于{110}α-Mn晶面族。當(dāng)所有界面均為{110}α-Mn時(shí),α-Mn相的立體形貌為二十面體;α-Mn相與基體之間存在如下位向關(guān)系:(100)Mg～//(-321)Mn;[041]Mg//[111]Mn。③對(duì)一個(gè)棒狀α-Mn析出相的晶體學(xué)特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn):棒狀相躺在基面上,其長軸沿著基體晶格的最密排方向＜100＞α-Mg。④時(shí)效態(tài)組織中,α-Mn相會(huì)作為β1'相的異質(zhì)形核核心,對(duì)異質(zhì)形核的晶體學(xué)特征進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn):β1

7、'相與α-Mn相之間存在能夠共格匹配的低指數(shù)晶面,β1'相在α-Mn相上異質(zhì)形核可以形成共格界面,取代之前α-Mn相與基體之間的非共格界面,從而大幅降低體系的界面能。
　　 對(duì)ZM61單、雙級(jí)時(shí)效的等溫相變動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn):①原位電阻法表明:對(duì)于單級(jí)時(shí)效,長大階段的n約為1,粗化階段的n約為0.5,說明長大階段的相變機(jī)理為β1'桿狀相的伸長,而粗化階段的相變機(jī)理為β2'盤狀相的粗化。單級(jí)時(shí)效的TTT圖表明:在90～250℃范

8、圍內(nèi)沒有出現(xiàn)“鼻子”,說明250℃以下的相變動(dòng)力學(xué)由Zn在Mg中的擴(kuò)散速度決定。雙級(jí)時(shí)效的相變機(jī)制與單級(jí)時(shí)效一致,雙級(jí)時(shí)效的TTT圖表明:在130～250℃范圍內(nèi)也沒有出現(xiàn)“鼻子”,相變動(dòng)力學(xué)仍由Zn原子在Mg中的擴(kuò)散速度控制。②硬度法的研究表明:不同溫度下,單級(jí)和雙級(jí)時(shí)效的n大部分都接近1,說明峰時(shí)效之前的相變機(jī)制為β1'桿狀相的伸長。單級(jí)和雙級(jí)時(shí)效早期的相變激活能都接近80KJ/mol。TTT圖表明:“鼻子”仍未出現(xiàn),雙級(jí)時(shí)效大幅度

9、地加快了相變速率。
　　 采用模型法研究ZM61合金單級(jí)時(shí)效早期的力學(xué)性能演變時(shí)發(fā)現(xiàn):①“強(qiáng)化公式2”(假設(shè)析出相在滑移面上隨機(jī)分布時(shí)推導(dǎo)出的Orowan強(qiáng)化公式)的預(yù)測結(jié)果表明:用JMA方程表達(dá)fv時(shí),屈服強(qiáng)度曲線上存在極大值,用均勻形核理論表達(dá)fv時(shí),屈服強(qiáng)度在時(shí)效早期緩慢增加,接近峰時(shí)效時(shí)增速加快,不存在極大值點(diǎn)。對(duì)屈服強(qiáng)度出現(xiàn)極大值的分析表明:屈服強(qiáng)度由桿狀相的體積分?jǐn)?shù)和直徑共同決定,體積分?jǐn)?shù)增加不一定帶來屈服強(qiáng)度的提升

10、,因?yàn)闂U狀相直徑的增加會(huì)迅速地降低屈服強(qiáng)度。②對(duì)比“強(qiáng)化公式1”(假設(shè)析出相在滑移面上呈正三角形陣列規(guī)則排列時(shí)推導(dǎo)出的Orowan強(qiáng)化公式)和“強(qiáng)化公式2”的預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn):“強(qiáng)化公式1”和“強(qiáng)化公式2”所得出的曲線形態(tài)是一致的,但“強(qiáng)化公式1”對(duì)屈服強(qiáng)度的預(yù)測值整體上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“強(qiáng)化公式2”的預(yù)測值,這說明:兩種強(qiáng)化公式反映相同的屈服強(qiáng)度演變特征,但桿狀相以三角形陣列規(guī)則排列時(shí)帶來的強(qiáng)化效果顯著地優(yōu)于隨機(jī)排列的桿狀相帶來的強(qiáng)化效果。然而,