Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理工艺研究

论文摘要

镁合金是目前最轻的常规金属结构材料,且具有高的阻尼系数和良好的电磁屏蔽性能,在汽车、电子通讯、航空领域中具有巨大的应用潜力。但由于强度较低,镁合金的应用还不广泛。Mg-Gd-Y-Zr合金是近年来研制的一种新型镁合金,具有显著的时效硬化特征。本试验拟通过形变热处理手段来进一步提高合金的力学性能。本文以Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金为研究对象,采用光学显微镜（OM）、带能谱（EDAX）扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等分析手段,通过室温预拉伸和时效试验,研究了经形变热处理后Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织、沉淀相形态和晶体学特征,以及形变热处理工艺参数对合金力学性能的影响。论文对试验合金铸态显微组织及其均匀化工艺进行了研究,铸态合金由α-Mg固溶体和分布在晶界富稀土离异共晶相组成,经过510℃/8h均匀化处理后,晶间的偏析相基本溶解,晶粒尺寸较铸态有所增加；合金在400℃挤压,发生完全再结晶,晶粒得到明显细化,尺寸为20gm左右；经测试,挤压态合金力学性能比铸造状态得到显著提高,抗拉强度比铸态提高了30%、断后延伸率由铸态时的3%提高到26%。将挤压态试验合金在190℃、220℃、250℃温度下时效,时效硬化曲线显示：合金在220℃时效,其硬化效果最佳,经18h时效,其硬度值达到105HV。经测试,合金抗拉强度和屈服强度分别达到335MPa和225MPa,较挤压态合金分别提高了14%和21%,但塑性有所下降,65降低至16%。为了确定试验合金的形变热处理工艺参数,本试验先对挤压态试验合金在拉伸试验机上分别施以4%、8%、12%不同预变形量,接着在220℃不同时长下进行人工时效,最后测试其峰时效状态的力学性能,确定最佳预变形量、时效温度和时间。挤压态试验合金经预变形后,合金屈服强度得到显著提高,当合金预变形量为12%时,其屈服强度的达到305MPa,最大增幅达119MPa,较挤压态合金增长64%；延伸率随着变形量增加呈下降趋势,由挤压态合金的26%降低为12.7%。此外,时效前的预变形加速了试验合金220℃时效析出过程,合金达到时效峰值时间提前2～3h。预变形8%的合金经220℃保温18h进入峰值时效阶段,合金的抗拉强度和屈服强度达到410MPa和365MPa,较常规峰时效合金分别提高20%和60%,延伸率仅下降了3.2%；当预变形量超过8%后,合金下降的趋势尤为明显。经透射电子显微镜（TEM）分析发现：预变形引入大量位错,为后续时效过程中沉淀相的析出提供了扩散通道,在时效的初始阶段沉淀相沿位错线优先析出,并且,随着预变形量的增加,合金在后续时效过程中,析出的沉淀相也更加细小弥散,增强了合金强化效果。合金峰时效阶段的沉淀相是亚稳态的β’（Mg5X,X:Gd+Y）,属底心正方结构（bco）,它具有凸镜状,分布于镁合金的棱面上,可以有效的防止基面滑移,在合金中起主要的强化作用。β’与基体的位相关系为[001]β//[0001]α,（020）β’//（1010）α,且d（020）β=4d（1010）α’与基体呈1/4共格匹配关系。但是,随着变形量的增大,合金内部位错密度进一步增加,出现位错在品界处塞积,及大量交叉孪晶,合金的延伸率下降,容易造成某些部位应力集中,在拉伸过程中形成裂纹源。TEM研究还发现：预变形使合金内部出现了大量的基面滑移,随着变形量的增大,合金中出现了少量的非基面滑移；预变形还使合金中出现了{1012}型孪晶,滑移和孪生交互作用,从而获得较大的变形；但过大的变形量,会使合金中出现了交叉孪晶,而孪晶交叉处、孪晶与晶界结合处往往是裂纹的发源地。综合考虑强度和塑性的要求,8%预变形和220℃保温18h的形变热处理工艺可以使Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金达到最佳力学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁及镁合金的特点
• 1.2.1 金属镁的一般特性
• 1.2.2 镁合金的特点
• 1.3 镁合金的应用
• 1.4 镁合金的晶体结构与变形特点
• 1.4.1 镁的晶体结构
• 1.4.2 镁合金中的滑移
• 1.5 稀土镁合金及其分类
• 1.5.1 稀土镁合金成分设计的理论依据
• 1.5.2 稀土镁合金分类
• 1.6 镁合金的强化机制
• 1.7 形变热处理强化
• 1.8 本论文研究的意义和主要内容
• 2 合金制备与试验方法
• 2.1 合金制备
• 2.2 合金的热处理
• 2.2.1 合金的均匀化
• 2.2.2 合金的热挤压
• 2.2.3 合金的热处理工艺
• 2.3 合金的组织观察与力学性能测试
• 2.3.1 光学显微分析
• 2.3.2 微硬度测试
• 2.3.3 力学性能测试
• 2.3.4 扫描电镜分析
• 2.3.5 透射电镜分析
• 3 Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理工艺研究
• 3.1 Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织研究
• 3.1.1 Mg-Gd-Y-Zr合金铸态组织
• 3.1.2 Mg-Gd-Y-Zr合金均匀化处理、挤压态显微组织
• 3.2 Mg-Gd-Y-Zr合金常规时效热处理
• 3.2.1 Mg-Gd-Y-Zr合金时效温度的确定
• 3.2.2 Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能测试
• 3.2.3 Mg-Gd-Y-Zr合金峰时效阶段的沉淀相
• 3.3 预变形对Mg-Gd-Y-Zr合金组织与性能的影响
• 3.3.1 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织
• 3.3.2 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能
• 3.4 形变热处理后对Mg-Gd-Y-Zr合金组织与性能的影响
• 3.4.1 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金时效强化
• 3.4.2 形变热处理后Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能
• 3.4.3 合金经形变热处理后拉伸断口形貌分析
• 3.5 本章小结
• 4 Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理析出行为及强化机制
• 4.1 引言
• 4.2 预变形后挤压态合金组织特点
• 4.3 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金沉淀相析出行为
• 4.4 分析与讨论
• 4.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢