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Mg-Y-Sm-Zr系镁合金组织性能研究

2020-11-28阅读(780)

Mg-Y-Sm-Zr系镁合金组织性能研究

论文摘要

WE系列的WE43和WE54镁合金由于其优异的室温力学性能、高温抗蠕变性能和耐腐蚀性能在航天航空和汽车工业中得到越来越广泛的应用。WE系列合金的主要成分为Mg-Y-Nd-Zr,其中Zr为晶粒细化剂。而该系列合金主要通过稀土元素Y和Nd的时效析出强化提高合金性能。在镁合金中Sm具有比Nd更高的固溶强化和析出强化效果。但是关于Sm元素在镁合金中应用的研究很少,对Sm元素在镁合金中的强化机理还不清楚。因此,本文用Sm元素代替WE系列镁合金中的Nd元素,设计出Mg-4Y-xSm-0.5Zr（x=1,4,8）系列镁合金,系统研究了Sm元素对该系列镁合金组织结构、室温和高温力学性能的影响规律。并在此基础上重点研究了Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金的热处理和挤压成形工艺,研究Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金在热处理和挤压成形过程中的时效析出相变化和强化机制。文章最后还研究了挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金的高温压缩和压缩蠕变变形行为,对比分析了合金不同温度和不同应变速率下的高温压缩变形机制。实验设计Mg-4Y-1Sm-0.5Zr、Mg-4Y-4Sm-0.5Zr和Mg-4Y-8Sm-0.5Zr三种合金成分,研究了不同Sm含量对Mg-Y-Sm-Zr系镁合金在热处理和挤压成形过程中的组织性能的影响规律。研究结果表明铸态Mg-4Y-xSm-0.5Zr系列镁合金的组织主要为Mg基体+Mg5（Sm,Y）共晶化合物。不同合金中共晶化合物的稀土元素Y、Sm含量虽然稍有差异,但这些共晶化合物都具有与Mg5Sm相同的面心立方晶体结构（a=2.246nm）。另外,在铸态Mg-4Y-xSm-0.5Zr系列镁合金的晶界附近还存在一定量的富集稀土元素Y和Sm的面心立方结构（a=0.5581nm）方块相。经过固溶热处理,铸态Mg-4Y-1Sm-0.5Zr和Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金中的共晶相固溶入基体。而Mg-4Y-8Sm-0.5Zr合金由于Sm元素含量超过其在镁基体中的最大固溶度,固溶不完全,固溶处理后,面心立方晶体结构的Mg5（Sm,Y）共晶化合物转变为体心四方结构的Mg41Sm5,并有很少量Y元素置换Sm元素固溶其中。Mg-4Y-8Sm-0.5Zr合金,由于大量脆性相的存在,塑性低,强度差;Mg-4Y-1Sm-0.5Zr合金塑性好,但是由于Sm元素含量低,强化效果发挥不充分;Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金具有最佳的综合力学性能。研究Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金的固溶热处理工艺,结果表明合金在525℃固溶处理8小时后,得到最佳的固溶效果。合金经过固溶热处理,稀土元素Y和Sm完全固溶入基体并且均匀分布,起到一定程度的固溶强化效果,但主要作用还是得到均匀的过饱和固溶体,为随后的时效热处理提供最佳条件。进一步研究合金在不同温度和不同时间条件下的时效热处理工艺,结果表明Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金在200℃欠时效状态（16h）,析出相在晶内和晶界上弥散分布,有效强化合金,合金力学性能得到大幅度提高,抗拉强度达到348MPa,屈服强度达到217MPa,延伸率为6.9%,表现出优异的力学性能。析出强化是Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金的主要强化机制。主要通过β′析出相与镁基体之间的应力场强化合金。通过对Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金时效析出相的进一步研究表明:合金在不同温度下的时效析出相包括β′相,β1相和β相。合金在200℃时效,晶内只有β′一种相。该相在200℃温度下非常稳定。欠时效状态,β′相在晶内大量弥散均匀析出,有效强化合金,对应合金的最佳力学性能;随时效时间的增加,β′相逐渐合并长大呈盘状沿{2110 }惯习面析出。由于析出相的粗化和弥散度的降低合金力学性能相应有所降低。合金在较高温度250℃时效48小时,晶内沿{1010}惯习面析出盘状面心立方晶体结构（a=0.74nm）的β1相。合金在更高温度300℃时效处理13小时,大量面心立方晶体结构（a=2.223nm）平衡相（β相）在晶内析出。该平衡相的惯习面与β1相相同,形貌也与β1相相似,是由β1相原位转变而来。Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金高温（350℃及以上）挤压,挤压过程中发生动态再结晶,晶粒细化,起到显著的细晶强化作用。合金挤压后直接进行时效热处理,通过析出强化进一步提高合金强度,且析出强化效果随挤压温度的升高稍有提高。经过挤压和时效热处理,Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金最高抗拉强度达到400MPa,屈服强度超过300MPa,延伸率达到7%,表现出比WE系列合金更加优异的室温力学性能。析出强化和细晶强化都是合金有效的强化手段。文章最后还系统研究了挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr合金的高温压缩和压缩蠕变变形行为。合金在450℃,应变速率2.5×10-4s-1条件下高温压缩,应变速率敏感系数m=0.4,压缩变形激活能Q=92.1KJ/mol,压缩过程中合金晶粒长大但基本保持等轴,说明晶界滑移是合金在该条件下压缩的主要变形机制。合金在200℃,180MPa条件下具有较好的抗压缩蠕变性能,计算得到压缩蠕变应力指数n=4.1,蠕变激活能Q=156.7KJ/mol,结合微观组织观察表明,位错攀移是合金在该条件下压缩蠕变变形速率控制机制。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 稀土在镁合金中的应用
  • 1.2.1 稀土元素的分类
  • 1.2.2 稀土在镁合金中应用研究现状
  • 1.2.3 Mg-RE 系镁合金设计原则
  • 1.3 镁-稀土系合金的强化
  • 1.3.1 固溶强化
  • 1.3.2 析出强化
  • 1.3.2.1 析出强化机制
  • 1.3.2.2 镁-稀土系合金时效析出行为
  • 1.3.3 细晶强化
  • 1.3.4 形变强化
  • 1.3.5 弥散强化
  • 1.4 镁-稀土系合金的高温变形行为
  • 1.5 研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 合金制备与实验方法
  • 2.1 合金制备
  • 2.1.1 合金成分设计
  • 2.1.2 合金的熔炼工艺
  • 2.2 合金的热处理和挤压成形
  • 2.2.1 合金的热处理
  • 2.2.2 合金的挤压成形
  • 2.3 合金的组织观察及力学性能测试
  • 2.3.1 合金的组织观察
  • 2.3.1.1 光学显微分析
  • 2.3.1.2 X 射线相分析
  • 2.3.1.3 DTA（Differential Thermal Analysis）差热分析
  • 2.3.1.4 扫描电镜分析
  • 2.3.1.5 透射电镜分析
  • 2.3.2 合金的力学性能测试
  • 2.3.2.1 室温力学性能测试
  • 2.3.2.2 高温瞬时力学性能测试
  • 2.3.2.3 压缩蠕变性能测试
  • 参考文献
  • 第三章 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金组织性能的影响
  • 3.1 引言
  • 3.2 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金铸态组织性能的影响
  • 3.2.1 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金铸态显微组织的影响
  • 3.2.2 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金铸态相的影响
  • 3.2.3 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金铸态力学性能的影响
  • 3.3 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金固溶态组织性能的影响
  • 3.3.1 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金固溶态显微组织的影响
  • 3.3.2 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金固溶态相的影响
  • 3.3.3 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金固溶态力学性能的影响
  • 3.4 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金时效析出行为及时效态力学性能的影响
  • 3.4.1 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金时效析出行为的影响
  • 3.4.2 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金时效态力学性能的影响
  • 3.5 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金挤压态组织性能的影响
  • 3.5.1 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金挤压态显微组织的影响
  • 3.5.2 Sm 对Mg-Y-Sm-Zr 系镁合金挤压态力学性能的影响
  • 3.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的热处理
  • 4.1 引言
  • 4.2 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金固溶热处理
  • 4.3 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金时效热处理
  • 4.4 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的时效析出相
  • 4.5 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的热处理强化机制
  • 4.5.1 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金固溶强化
  • 4.5.2 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金析出强化
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的挤压成形
  • 5.1 引言
  • 5.2 挤压温度对Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金组织性能的影响
  • 5.2.1 挤压温度对Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金组织的影响
  • 5.2.2 挤压温度对Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金力学性能的影响
  • 5.3 Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金大挤压比挤压
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的高温压缩变形行为
  • 6.1 引言
  • 6.2 挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的高温压缩
  • 6.3 挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金的压缩蠕变
  • 6.4 挤压态Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 合金高温压缩变形机制
  • 6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 主要结论和创新点
  • 7.1 主要结论
  • 7.2 创新点
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表论文和申请专利

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