Mg-Y-MM-Zr合金组织及性能研究

论文摘要

稀土镁合金具有普通镁合金的固有优点,同时还具有耐蚀及耐高温的特性,因此是国内外研究的热点。稀土元素可大致分为两类：一类在镁中的固溶度较小,但形成的金属间化合物有很高的热稳定性,即Ce系稀土；另一类在镁中的固溶度很大,能在时效过程中生成沉淀析出相进而强化合金,即Y系稀土。稀土金属在功能材料上的大量应用以及政府对稀土资源控制愈加严格,纯稀土金属的价格日益上升,稀土镁合金的开发成本将大幅提高,而大量价格低廉的伴生混合稀土使用率极低,稀土资源利用极其不平衡。本论文以此为研究背景,利用OM、SEM、TEM、DSC及力学性能测试等手段,研究富铈混合稀土（Mish metal-MM）对含Y镁合金的组织及性能的影响,以期对稀土镁合金的研究及平衡利用稀土资源提供必要的理论基础和实验数据。通过热力学计算可知,稀土主元素中Y夺取O的还原能力最强,而La的能力最弱,在稀土与覆盖剂的反应中,Ce元素烧损的可能性较小,而Y和La的可能性较大；随着MM含量的增加,合金的共晶组织增多,DSC曲线的低熔点相吸热峰面积增大；在MM含量不大于3%时,Mg-MM相先行析出,形成包含Mg-MM相的富Y共晶组织,当MM含量为5%时,Mg-MM相独立分布于晶界,Mg-Y相与基体形成层状共晶。随MM含量的增加,铸造合金的断裂强度提高,延伸率下降,合金的屈强比不断上升,含3%MM的铸造合金断裂强度最高,为240MPa；合金为脆性断裂,且随着MM含量的增加脆性断裂特征越加明显,孪晶协调变形在含5%MM的合金中基本消失,裂纹沿着连续的共晶组织扩展。通过对合金组织观察及硬度测试,结合DSC曲线,制定了WE91合金的单级均匀化制度,为535℃×18h；经过均匀化后,存在着两种典型的残留相,Mg12MM相及Mg4.26Y9574相,后者具有与Mg24Y5相近的晶体结构；经过均匀化后,WE91合金的综合力学性能有所提高,断裂方式没有发生根本转变,裂纹萌生于晶内及残留的Mg-MM相中；为了防止过烧及工业化生产的需要,制定了WE91合金双级均匀化制度为480℃×6h+535℃×16h。对WE91合金的热变形行为进行了研究,结果表明试验合金属于正变形速率敏感材料,合金的本构关系可以用含Z参数的双曲正弦函数模型来表达；建立了一种可预测合金流变应力的含变形程度ε在内的五次多项式模型,在与选取的200个样品点进行比较后,拟合程度（δ）为5.62%。发现第二相诱导形核是WE91合金动态再结晶的典型形核机制,同时还有变形带形核、晶界形核及晶内形核；发现提高变形温度及变形速率可以有效的抑制析出；基于动态模型理论建立了WE91合金的热加工图,真应变为0.916的加工图存在三个峰值区,峰值效率分别为49%、44%和42%；合金的变形失效有三种：变形带处的应力集中、绝热剪切造成的混晶以及第二相与基体之间的脱开；根据热加工图确定了合金的挤压条件。挤压态WE91合金的断裂强度为315MPa,实验发现合金具有明显的时效硬化特性,峰时效制度为225℃×28h,对应断裂强度为390MPa；峰时效后在基体内析出了大量的β’相,长度在40nm左右,厚度为10nm左右,这些相互呈等角,与基体的位相关系为<001>β’‖<0001>α,{100}β’‖{1120}α。T5态WE91合金的强度随着温度的提高降低较小,超过250℃后,强度下降较大；室温下合金的断裂特征是穿晶断裂,在Mg-MM相粒子处产生裂纹,晶间无析出带促进了裂纹的萌生与扩展；随着温度的升高,穿晶的裂纹减少,而晶界开裂及第二相粒子开裂是形成裂纹成为主要方式。在高温条件下,MM的加入改变了合金的断裂方式,提高合金的稳定性。通过线性回归法求解了T5态WE91合金的蠕变激活能Q为116.2kJ/mol,应力指数n为2.58,表明合金在200℃时的蠕变机制为晶界滑移,发现在200℃时晶内析出相（β’）对位错的阻碍作用是该合金的抗蠕变机制；还发现在250℃蠕变试验后,β’相转变为β1相,对位错运动仍具有阻碍作用；T5处理及增大晶粒尺寸可以降低合金的稳态蠕变速率,提高合金的蠕变寿命挤压态WE91合金在250℃下蠕变失效表现为沿晶断裂,在300℃时晶粒沿受力方向拉长,表现出显著的韧性特征；Mg-MM相较为集中区域出现沿晶断裂较少,Mg-Y相高温下粗化是合金蠕变沿晶断裂失效的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 发展镁合金的必要性及难题
• 1.1.1 节能减排刻不容缓
• 1.1.2 限制镁合金发展的主要问题
• 1.2 镁及其合金基本特性、发展现状及应用前景
• 1.2.1 镁及其合金基本特性
• 1.2.2 镁合金的发展现状
• 1.2.3 镁合金的应用前景
• 1.3 镁合金的塑性变形
• 1.3.1 滑移
• 1.3.2 孪生
• 1.4 镁合金细化晶粒方法
• 1.4.1 物理法
• 1.4.2 化学法
• 1.5 稀土镁合金研究现状
• 1.5.1 稀土改性镁合金
• 1.5.2 纯稀土镁合金
• 1.6 镁合金的蠕变性能
• 1.6.1 金属的蠕变现象
• 1.6.2 蠕变变形机理
• 1.6.3 蠕变断裂机理
• 1.6.4 提高镁合金的抗蠕变性能措施
• 1.7 论文研究目的及内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 1.8 本章小结
• 参考文献
• 2 实验材料及实验方法
• 2.1 合金成分设计及制备
• 2.1.1 成分设计
• 2.1.2 合金熔炼
• 2.2 实验技术路线
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 合金相分解温度测定（DSC测试）
• 2.3.2 均匀化处理
• 2.3.3 合金等温热压缩
• 2.3.4 合金挤压
• 2.3.5 合金时效热处理
• 2.4 合金性能及微观组织分析
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 力学性能测试
• 2.4.3 金相组织观察
• 2.4.4 X射线物相分析
• 2.4.5 扫描电镜及能谱分析
• 2.4.6 透射电镜分析（TEM）
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3 混合稀土对铸态Mg-9Y-0.6Zr合金组织及性能影响
• 3.1 熔炼过程中的热力学计算
• 3.1.1 合金热力学计算
• 3.1.2 合金元素收得率
• 3.2 混合稀土对Mg-9Y-0.6Zr合金组织及性能影响
• 3.2.1 铸态组织分析
• 3.2.2 合金物相分析
• 3.2.3 DSC曲线分析
• 3.2.4 铸态合金力学性能分析
• 3.3 合金凝固过程分析
• 3.3.1 合金组织确定
• 3.3.2 合金凝固模型
• 3.4 小结
• 参考文献
• 4 Mg-Y-MM-Zr合金均匀化处理
• 4.1 合金均匀化动力学模型
• 4.1.1 合金元素的扩散
• 4.1.2 镁合金均匀化的特点
• 4.2 合金单级均匀化处理
• 4.2.1 合金组织演变及相分析
• 4.2.2 合金硬度变化
• 4.2.3 均匀化对合金性能的影响
• 4.3 合金双级均匀化处理
• 4.3.1 双级均匀化的目的
• 4.3.2 合金双级均匀化处理
• 4.4 小结
• 参考文献
• 5 Mg-Y-MM-Zr镁合金的塑性变形研究
• 5.1 WE91合金流变应力曲线
• 5.2 WE91合金本构模型的建立及应用
• 5.2.1 合金的本构模型建立
• 5.2.2 本构方程应用即应力预测
• 5.3 变形条件对WE91合金组织影响及动态再结晶机理
• 5.3.1 变形条件对显微组织的影响
• 5.3.2 WE91合金变形过程中的动态再结晶形核机制
• 5.4 WE91合金热加工图的建立及应用
• 5.4.1 热加工图理论
• 5.4.2 WE91合金的热加工图研究
• 5.4.3 加工图的应用
• 5.5 小结
• 参考文献
• 6 Mg-Y-MM-Zr合金的时效处理工艺及力学性能
• 6.1 挤压合金时效制度的制定
• 6.2 合金时效析出机理
• 6.3 合金的强度及断裂
• 6.3.1 MM含量对挤压态合金强度及断裂特性的影响
• 6.3.2 WE91合金裂纹的形核
• 6.4 小结
• 参考文献
• 7 Mg-Y-MM-Zr合金蠕变性能研究
• 7.1 WE91合金蠕变性能研究
• 7.1.1 WE91合金的蠕变曲线
• 7.1.2 T5态WE91合金蠕变机制研究
• 7.1.3 蠕变后的组织
• 7.2 影响WE91合金蠕变性能的因素
• 7.2.1 时效处理
• 7.2.2 晶粒尺寸
• 7.3 合金蠕变断裂
• 7.3.1 断裂形态
• 7.3.2 WE91合金蠕变断裂分析
• 7.3.3 WE91合金中MM的作用
• 7.4 小结
• 参考文献
• 结论
• 论文创新点
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 一.在学期间的科研工作
• 二.在学期间发表的论文
• 三.在学期间参与申请的专利
• 致谢