添加微量Nd的Mg-2Zn-Mn合金组织和性能研究

论文摘要

镁合金作为轻质结构材料,在汽车、通讯电子和航空航天等领域的应用正日益广泛。镁合金的密排六方结构使其塑性变形能力较差,限制了它的应用,通过合金化改性可提高变形镁合金的性能。其中,稀土作为重要的微合金化元素,对镁合金组织和性能影响显著,已成为变形镁合金研究的热点。为了提高变形镁合金的生产效率,降低其制备成本,扩大其应用,需提高镁合金热加工塑性和室温塑性,开发高塑性的稀土变形镁合金。本文通过在有良好热加工性能的ZM21合金中加入不同含量的稀土Nd元素,以期获得高塑性合金的优化成分,并研究Nd对ZM21合金组织和性能的影响规律与作用机制。通过半连续铸造获得不同Nd含量的铸锭,研究Nd含量对ZM21合金铸态组织、合金相种类及力学性能的影响和作用机理;研究了均匀化退火对合金组织和第二相的变化,以及不同Nd含量对挤压制品组织和性能的影响规律和作用机理。研究结果表明:Nd元素的添加使铸态合金晶粒平均尺寸增大,枝晶间偏析的第二相含量增多、变粗且越来越连续;随Nd的添加,合金中枝晶间偏析的化合物由ZM21合金中MgZn相转变为了大量Mg-Zn-Nd三元化合物T2相(（Mg,Zn）11.5Nd)和少量Mg12Nd相,在Nd含量增加到0.7%时,合金中三元化合物除大量的T2相外,还出现了少量的含Nd量高于T2相的T3相（（Mg,Zn）3Nd）;不同Nd含量铸态合金的抗拉强度和屈服强度值变化不大,分别在174185MPa和5458MPa之间,合金塑性随Nd含量增加而降低,在含量为0.5%Nd时,合金塑性最低,由17.3%降为13.0%;铸态合金的热压缩流变应力随Nd含量增加逐渐从51MPa提高到93MPa。铸态合金在经420℃×10h均匀化退火后,ZM21合金中的枝晶偏析已基本消除,随Nd含量增加,枝晶偏析消除程度逐渐减小;在添加0.1%、0.3%、0.5%Nd的合金中三元化合物除未完全固溶的T2相外,还出现了T3相;经400℃热挤压变形,合金晶粒尺寸随Nd含量增加不断细化,由37μm细化到21μm;挤压后合金中的相组成与均匀化退火后合金中的相组成相同;在Nd含量达到0.3%时,合金平行于挤压方向的基面织构明显弱化;相比于铸态合金,挤压态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率有较大提高,分别提高到232253MPa、141173MPa和19.1%32.2%之间;在Nd含量增加到0.3%时,挤压态合金抗拉强度和屈服强度分别由248MPa降到235MPa,和167MPa降到142MPa;挤压态合金延伸率随Nd含量增加而提高,在Nd含量为0.5%时,延伸率最大,达到32.2%,显著提高了挤压态ZM21合金的塑性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 镁合金概述
• 1.1.1 镁及镁合金特点与性质
• 1.1.2 镁合金的分类与应用
• 1.2 镁合金塑性变形
• 1.2.1 镁合金塑性变形机制
• 1.2.2 Mg-Zn 系合金塑性研究现状
• 1.3 Mg-Zn-Mn 合金的相关研究
• 1.3.1 镁合金的合金化理论
• 1.3.2 稀土元素作用
• 1.3.3 Mg-Zn 二元系合金
• 1.3.4 Mg-Nd 二元系合金
• 1.3.5 Zn-Nd 二元系合金
• 1.3.6 Mg-Mn 二元系合金
• 1.3.7 Mg-Zn-Nd 三元系合金
• 1.4 本课题研究目的与内容
• 2 实验材料制备与方法
• 2.1 实验材料制备
• 2.1.1 半连续铸造
• 2.1.2 均匀化退火实验
• 2.1.3 挤压实验
• 2.2 显微组织及成分分析
• 2.2.1 X 射线荧光光谱分析
• 2.2.2 差热分析
• 2.2.3 金相观察
• 2.2.4 X 射线衍射分析
• 2.2.5 扫描显微组织及能谱分析
• 2.2.6 透射电子显微分析
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 显微硬度测试
• 2.3.2 拉伸性能测试
• 2.3.3 热压缩性能测试
• 3 Nd 对 ZM21 合金铸态组织、相及性能影响
• 3.1 前言
• 3.2 ZM21+x% Nd 铸态合金组织研究
• 3.2.1 枝晶组织
• 3.2.2 彩色金相
• 3.3 ZM21+x% Nd 铸态合金相研究
• 3.3.1 DSC 曲线分析
• 3.3.2 BSE 扫描及EDS 分析
• 3.3.3 XRD 分析
• 3.4 ZM21+x% Nd 铸态合金力学性能研究
• 3.4.1 拉伸力学性能
• 3.4.2 热压缩性能
• 3.5 Nd 在铸态ZM21 合金中作用机理
• 3.6 本章小结
• 4 Nd 对 ZM21 合金均匀化态组织及相的影响
• 4.1 前言
• 4.2 ZM21+x% Nd 均匀化态合金组织研究
• 4.3 ZM21+x% Nd 均匀化态合金相研究
• 4.3.1 扫描及能谱分析
• 4.3.2 XRD 分析
• 4.4 本章小结
• 5 Nd 对 ZM21 合金挤压态组织、相及性能的影响
• 5.1 前言
• 5.2 ZM21+x% Nd 挤压态合金组织研究
• 5.3 ZM21+x% Nd 挤压态合金相研究
• 5.3.1 扫描及能谱分析
• 5.3.2 透射电子显微分析
• 5.3.3 XRD 物相分析
• 5.4 ZM21+x% Nd 挤压态合金织构分析
• 5.5 ZM21+x% Nd 挤压态合金力学性能研究
• 5.5.1 显微硬度分析
• 5.5.2 拉伸力学性能及断口分析
• 5.6 Nd 在ZM21 挤压态合金中作用机理
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录