大塑性變形Mg-Gd-Y系合金組織結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能研究.pdf

1、鎂合金是實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在國防軍事、航空航天、汽車、電子通信等工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。相比于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金在室溫下的強(qiáng)度和塑性都比較低，開展鎂合金的強(qiáng)韌化研究對推廣其應(yīng)用具有重要意義。由于鎂沒有同素異構(gòu)變化，無法利用相變強(qiáng)化來提高它的性能。目前，鎂合金最為有效的強(qiáng)化方式為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等。本文以Mg-Gd-Y系合金為研究對象，以反復(fù)鐓壓和軋制為變形手段，細(xì)化和均勻化合金的組織結(jié)構(gòu)，研究的重點

2、著眼于合金在變形和熱處理中的組織、結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的演變，以及相應(yīng)的力學(xué)性能變化規(guī)律。本研究系統(tǒng)地研究了細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和織構(gòu)控制等多種強(qiáng)化手段對提高合金力學(xué)性能的作用；深入地分析了位錯運動，孿晶、亞晶和晶界形成，第二相析出和轉(zhuǎn)變，界面偏析等變形和析出機(jī)理；揭示了如何有效利用多種強(qiáng)韌化機(jī)制，充分發(fā)揮復(fù)合強(qiáng)化作用制備高性能稀土鎂合金關(guān)鍵科學(xué)問題。具體研究內(nèi)容如下：
　　利用Gleeble熱模擬試驗機(jī)，研究了擠壓態(tài)Mg

3、-Gd-Y(GW103K)合金的熱壓縮變形過程中的流變行為。GW103K合金的流變應(yīng)力對加工溫度和應(yīng)變速率敏感，在任意應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨溫度的降低而增高；而當(dāng)變形溫度一定時，峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而提高。基于流變應(yīng)力結(jié)果，對材料進(jìn)行了本構(gòu)分析，獲得擠壓態(tài)GW103K合金的變形激活能計算值為229.5kJ/mol，及其本構(gòu)模型：ε=1.9376×1016[sinh(0.00888σ)]4.35.56exp(-(229500/8.3

4、14T)。熱加工圖表明變形溫度420-450℃,變形速率0.01-0.1s-1是優(yōu)化的熱變形工藝參數(shù)。熱加工圖預(yù)測了應(yīng)變量較少時，主要變形失穩(wěn)區(qū)是低溫低應(yīng)變速率和高溫高應(yīng)變速率；而應(yīng)變量較大的主要變形失穩(wěn)區(qū)集中在高應(yīng)變速率。
　　用有限元模擬軟件 DEFORM對不同溫度、道次反復(fù)鐓壓變形進(jìn)行了模擬。研究結(jié)果表明，樣品在變形過程中存在小范圍攪拌紊流；應(yīng)力場顯示，較高的變形應(yīng)力發(fā)生在鐓壓初期，尤其是樣品側(cè)棱位置有明顯的應(yīng)力集中；應(yīng)變場

5、顯示，單道次變形后，材料應(yīng)變在擠壓方向分布不均，呈波浪形分布特征，多道次變形應(yīng)變累積上升，未發(fā)現(xiàn)變形死區(qū)，反復(fù)鐓壓4道次變形后，材料的最小應(yīng)變值達(dá)到~3.7。
　　研究了不同工藝參數(shù)下反復(fù)鐓壓樣品的微觀組織。反復(fù)鐓壓加工道次對組織細(xì)化效果明顯，晶粒尺寸隨著加工道次的增加，從139μm細(xì)化到1μm以下的超細(xì)晶；晶粒尺寸的均勻性也隨加工道次增加而逐漸提高；織構(gòu)強(qiáng)度隨加工道次增加逐漸降低。反復(fù)鐓壓變形溫度對組織結(jié)構(gòu)演化有顯著影響，隨著變

6、形溫度增加，晶粒尺寸也從~1μm增加到4~5μm和10~20μm；織構(gòu)強(qiáng)度也隨變形溫度升高而提高。反復(fù)鐓壓不同加工路徑的晶粒細(xì)化能力有區(qū)別，路徑A細(xì)化效果顯著，并發(fā)現(xiàn)有剪切帶形成，路徑B細(xì)化效果較差，4道次變形后依然存在尺寸為5~10μm的大晶粒，未見明顯的剪切帶。
　　研究了不同工藝參數(shù)下反復(fù)鐓壓樣品的力學(xué)性能。力學(xué)性能隨加工道次的增加而提高，變形前后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率分別比初始狀態(tài)提高了150％、52%和110%；

7、隨著變形道次增加，力學(xué)性能均勻性也顯著提高。隨著變形溫度增加，屈服強(qiáng)度呈逐漸降低的規(guī)律，抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律與之相似，斷裂延伸率的變化規(guī)律是隨著加工溫度提高而提高。反復(fù)鐓壓加工路徑B與路徑A相比，得到的樣品具有更高的延伸率，但是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都相對較低，路徑B適合制備延伸率要求較高的樣品，而路徑A更適合制備高強(qiáng)度GW103K合金。
　　研究了反復(fù)鐓壓后樣品的時效析出行為。時效析出可進(jìn)一步提高反復(fù)鐓壓樣品的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，時效峰

8、值樣品的抗拉強(qiáng)度可在時效前350MPa的基礎(chǔ)上再提高100MPa左右，但延伸率大幅降低。峰值時效晶內(nèi)析出相形貌為“烏龜形”，經(jīng)細(xì)致的微觀結(jié)構(gòu)表征確認(rèn)，該形貌是由β″相、βT相和β′相共同組成。新發(fā)現(xiàn)的βT相位于β″相和β′相之間，其晶體結(jié)構(gòu)為 b.c.o結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 a=2·aMg≈0.64nm，b=8·d(1010)Mg≈3.33 nm，c=cMg≈0.52 nm，與基體的取向關(guān)系是：(100)βT//(1120)α、[001]β

9、T//[0001]α。βT相的化學(xué)成分為Mg5RE，其中RE由Gd和Y組成，因此也可寫成Mg5GdxY1-x(0＜x＜1)。提出了新的Mg-Gd-Y三元合金的時效析出序列：S.S.S.S→β″→βT→β′→β1→β。
　　Ag元素對Mg-Gd-Y系合金的界面偏析結(jié)構(gòu)有影響。未添加Ag的GW103K合金，孿晶和晶界的原子偏析呈直線型，而添加了Ag元素后，Mg-Gd-Y-Ag合金(GWQ1032K)，在{1012}孿晶(TBII)和片