Mg-Gd-Nd-Zr系高强耐热镁合金组织与性能研究

论文摘要

镁-稀土合金是一类新型的高强耐热镁合金,在航空、航天、国防和汽车工业中具有重要应用前景。本文通过向镁中添加轻、重两种稀土元素,设计了名义成分为Mg–xGd- 2Nd-Zr（x=6,8,11wt.%）的三种镁-稀土合金（以下分别简称GN62K、GN82K、GN112K）。以此为研究对象考察了合金在经历热处理和形变热处理后组织和力学性能,重点探讨了合金组织与力学性能的关系。文中综合运用了各种材料研究方法,包括光学金相分析、扫描和透射电子显微分析、X射线衍射分析、热分析和硬度、拉伸、蠕变力学试验,系统地开展了包括合金中第二相表征、组织演变规律、合金高强度的来源、提高强度和耐热性能的工艺方法、影响力学行为（屈服、变形、断裂、高温蠕变）的组织因素等方面的研究工作,旨在为新型高强耐热镁-稀土合金的开发设计提供必要的实验依据。合金的组织分析主要针对铸造态组织、固溶态组织和时效析出组织。铸造合金中的组织由初生α-Mg固溶体、骨胳状共晶相、小方块相、Zr团簇和晶界棒状相组成,其中共晶相可视为α-Mg+β-Mg5（Gd,Nd）,共晶β相被鉴定为Mg5Gd型FCC结构,晶格常数a～2.22nm。固溶处理时,铸造组织的演变包括三个过程:共晶相溶解、方块相生长和晶粒粗化,其中,方块相具有FCC结构,晶格参数a～0.55nm,是GdH2型化合物。经适当的固溶处理,合金组织中几乎无共晶相残留同时保持合金均匀细晶结构。合金时效析出组织的分析以GN112K合金为例,时效析出过程中过饱和固溶体分解过程分为四个阶段:α-Mg过饱和固溶体→β″(D019,a～0.64nm,c～0.52nm, {2110}α惯习面薄板)→β′（CBCO,a～0.64nm,b～2.2nm,c～0.52nm,C轴长椭球）→β1（FCC,a～0.74nm,{ 0110}α惯习面板条,与Mg3Nd同构）→β（FCC,a～2.22nm, {0110}α惯习面板条,与Mg5Gd同构）,四种析出相中,β′相是主要的强化相,对合金强度贡献最为关键。时效析出过程中还伴随晶界结构的演变:β平衡相在晶界的析出和晶界两侧无析出带的形成,这对材料的力学性能十分不利。铸造合金的主要强化组织为共格析出相,通过一系列的试验确定,铸造合金的最佳热处理（固溶+时效）条件分别为: GN62K—500℃/6h+200℃/24h、GN82K—515℃/4h+225℃/12h、GN112K—525℃/4h+250℃/2h。对应的室温拉伸性能分别为:GN62K—TYS～182MPa,UTS～342MPa,E～7.9%;GN82K—TYS～200MPa,UTS～342MPa,E～5.0%;GN112K—TYS～224MPa,UTS～353MPa,E～3.7%。合金在上述热处理状态下还具有优越的高温力学性能,但在温度高于200℃时强度开始大幅下降,高于250℃下降速度进一步加剧。形变热处理可使合金获得多样的强化组织,适当的处理工艺还将进一步提高合金的力学性能。固溶态合金在时效前作室温预变形将在合金中产生大量的位错和孪晶,促进β1析出相形核,因而加速合金时效析出动力学。得益于位错亚结构和孪晶强化,预应变时效态合金的屈服强度远高于未变形时效态合金（增强超过50MPa）,并且少量的预变形不会引起延伸率的明显损伤。合金经热挤压发生再结晶,晶粒细化到10μm或以下。典型热挤压时效态合金的室温拉伸力学性能为:GN62K（350℃挤压+200℃/24h时效）—TYS～273MPa,UTS～381MPa,E～17.6%;GN82K（350℃挤压+200℃/24h时效）—TYS～304MPa,UTS～397MPa,E～10.6%;GN112K（350℃挤压+200℃/24h时效）—TYS～328MPa,UTS～422MPa,E～4.3%。退火态GN62K板材,在450℃轧制可细化组织,加工强化合金,由于轧制后合金中形成基面板织构,轧板力学性能呈现各向异性。终轧GN62K板材时效态（70%压下量+225℃/2h时效）力学性能达到:TYS=330～356MPa,UTS=385～394MPa,E=5～10%。高温蠕变行为是合金的耐热性能的重要标志,本文主要观测了合金在250～300℃温度区间和50～100MPa应力区间的蠕变行为,探讨了合金蠕变机制、动态析出、强化相和蠕变断裂问题。稳态蠕变速率的温度和应力相关性研究表明,合金蠕变表观激活能为110～280kJ/mol,合金蠕变应力指数为～4。合金的蠕变机制是位错攀移+滑移机制。高温蠕变过程中的动态析出造成包括淬火态、欠时效态、峰值时效态和部分过时效态合金蠕变曲线中出现介于初始和稳态蠕变阶段的S形蠕变阶段。稳态蠕变阶段合金中的主要强化相是β平衡相,过时效态合金得益于初始组织中均匀分布的β相板条的强化其蠕变抗力较佳。三叉晶界处楔形微裂纹的形核和长大、三叉晶界和晶界面微孔的形核和长大、晶内微裂纹的形核和长大是合金常见的蠕变断裂机制,其中晶界断裂是最主要的断裂形式。垂直外应力方向的晶界上出现的无析出带的形成促进了合金蠕变时的晶间断裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.1 镁的基本性质
• 1.1.2 镁及镁合金塑性变形特点
• 1.1.3 镁合金材料概况
• 1.2 镁合金的强化途径
• 1.2.1 固溶强化
• 1.2.2 沉淀（析出）强化
• 1.2.3 弥散强化
• 1.2.4 细晶强化
• 1.2.5 复合强化
• 1.3 镁－稀土合金的发展
• 1.3.1 稀土合金化镁的优势
• 1.3.2 镁－稀土合金研发历史和趋势
• 1.4 镁-稀土合金高温力学性能
• 1.5 本课题研究内容及其意义
• 参考文献
• 第二章 材料制备及实验方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 合金成分设计
• 2.1.2 合金熔炼与铸造
• 2.1.3 合金成分
• 2.2 热处理及形变热处理工艺
• 2.2.1 热处理
• 2.2.2 形变热处理
• 2.3 材料力学性能试验
• 2.3.1 硬度试验
• 2.3.2 拉伸试验
• 2.3.3 高温蠕变试验
• 2.4 材料显微组织观察与结构表征
• 2.4.1 光学金相分析
• 2.4.2 扫描电镜分析
• 2.4.3 透射电镜分析
• 2.4.4 能谱分析
• 2.4.5 X 射线衍射分析
• 2.5 热分析
• 参考文献
• 第三章 Mg-Gd-Nd-Zr 合金铸造与固溶态组织分析
• 3.1 铸造组织与相表征
• 3.1.1 铸造组织的一般特征
• 3.1.2 共晶相的表征
• 3.2 固溶组织
• 3.2.1 固溶处理工艺
• 3.2.2 固溶处理过程中的组织演变
• 3.2.3 方块相的表征
• 3.3 铸造和固溶态合金固－液转变特征
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Mg-11Gd-2Nd-Zr 合金时效析出组织及其与力学行为的关系
• 4.1 Mg-11Gd-2Nd-Zr 合金时效析出过程
• 4.1.1 时效硬化曲线
• 4.1.2 析出序列
• 4.1.3 晶界结构演变
• 4.2 时效对合金拉伸力学性能的影响
• 4.3 时效对合金断裂行为的影响
• 4.4 分析讨论
• 4.4.1 Mg-11Gd-2Nd-Zr 合金时效析出过程
• 4.4.2 Mg-11Gd-2Nd-Zr 合金析出相组态与强度的关系
• 4.4.3 Mg-11Gd-2Nd-Zr 合金析出组织与断裂行为关系
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Mg-Gd-Nd-Zr 合金热处理及形变热处理强化工艺的探索
• 5.1 热处理对Mg-Gd-Nd-Zr 合金力学性能的影响
• 5.1.1 固溶态合金时效硬化曲线
• 5.1.2 铸造、固溶和时效态合金拉伸力学性能
• 5.1.3 铸造态和热处理态合金拉伸断裂行为
• 5.2 室温预变形对Mg-Gd-Nd-Zr 合金组织与力学性能的影响
• 5.2.1 预变形合金中的位错与孪晶
• 5.2.2 预变形对合金时效析出行为的影响
• 5.2.3 预变形合金的拉伸力学性能
• 5.3 热挤压对Mg-Gd-Nd-Zr 合金组织与力学性能的影响
• 5.3.1 挤压合金显微组织
• 5.3.2 挤压合金时效硬化曲线
• 5.3.3 挤压合金拉伸力学性能和断裂行为
• 5.4 热轧对Mg-Gd-Nd-Zr 合金组织与力学性能的影响
• 5.4.1 热轧合金显微组织
• 5.4.2 热轧合金时效硬化曲线
• 5.4.3 热轧合金拉伸力学性能及其各向异性
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 Mg-Gd-Nd-Zr 合金高温蠕变行为
• 6.1 Mg-Gd-Nd-Zr 合金蠕变行为
• 6.1.1 GN112K 合金的蠕变行为
• 6.1.2 GN62K 合金的蠕变行为
• 6.2 Mg-Gd-Nd-Zr 合金蠕变过程中的动态析出
• 6.3 Mg-Gd-Nd-Zr 合金蠕变试样显微组织和断裂特征
• 6.3.1 金相组织
• 6.3.2 变形结构
• 6.3.3 裂纹形态
• 6.3.4 断口形貌
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 蠕变机制
• 6.4.2 动态析出及其与合金抗蠕变性能的关系
• 6.4.3 无析出带形成机制
• 6.4.4 合金蠕变断裂
• 6.4.5 合金蠕变蠕变寿命与稳态蠕变速率关系
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文