论文部分内容阅读
轻质高性能镁合金是汽车、航空航天、国防军工等领域亟需的轻量化材料,对降低能耗和提高机动性具有重要意义。Mg-RE系合金是目前已经工程化应用的高强合金系列,但其时效后塑性通常较差,无法满足某些关键承力结构件的性能要求。通过向Mg-RE合金中添加适量Zn,合金中会出现LPSO结构相等,同时合金的塑性得到改善。但是目前关于Mg-RE-Zn系合金组织演变机制的研究仍然较少,合金的强韧化机制仍不明确。本论文以此为立题依据,设计了 Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr(x=0.6、1.1、1.6)合金(分别简称为0.6Zn、1.1Zn和1.6Zn合金),系统研究了合金不同状态下的组织、结构及力学性能,着重分析了合金中不同组织结构对力学性能的影响作用,并最终解释了合金的强韧化机理。铸态0.6Zn、1.1Zn和1.6Zn合金组织均由α-Mg基体、晶界相以及晶界附近的层错组成。0.6Zn合金中晶界第二相包括Mg24(Gd,Y)5和(Mg,Zn)3(Gd,Y),两相成离异分布状态,1.1Zn合金和1.6Zn合金中晶界第二相包括(Mg,Zn)3(Gd,Y)和18R-LPSO结构相,两相成共生交替分布。Mg24(Gd,Y)5为BCC结构,晶格常数为1.12nm,(Mg,Zn)3(Gd,Y)相为FCC结构,晶格常数为0.72nm,略小于Mg3Gd相。18R-LPSO结构相为单斜结构,其c轴与底面成93.5°。480℃、500℃和520℃热处理过程中,三种合金显微组织演变均包括晶界非平衡Mg-RE相减少,LPSO结构相增多以及LPSO结构相分解等过程,三种合金均匀化热处理工艺为500℃-48h。均匀化后,0.6Zn合金中LPSO结构相完全回溶,1.1Zn和1.6Zn合金中存在14H结构相。均火后降温处理合金会出现脱溶现象,析出层片状的LPSO结构相/层错,合金室温拉伸时的塑性变形机制主要为层片状结构之间的基体中的基面位错滑移,研究了均匀化Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr(x=0.6、1.1、1.6)合金的热压缩变形行为及LPSO结构相对动态再结晶的影响。合金的峰值应力与Zn含量和应变速率呈正相关,与变形温度呈负相关。随Zn含量增加,合金变形激活能降低。LPSO结构相具有抑制和促进合金发生动态再结晶的双重作用,变形程度是影响其作用的主要原因。变形程度低时,LPSO结构相通过扭折变形等方式释放应力集中,抑制再结晶,变形程度增大后,LPSO结构相阻碍位错运动,促进合金发生动态再结晶。Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr(x=0.6、1.1、1.6)合金挤压后均发生了明显的再结晶现象,随Zn含量增加,再结晶晶粒尺寸呈下降趋势。部分动态再结晶晶粒内部出现层片状的LPSO结构相/层错,动态再结晶晶界位置存在小块状的LPSO结构相,尺寸大多在1μm以内。0.6Zn合金存在明显的基面织构,1.1Zn和1.6Zn合金织构显著弱化。1.1Zn和1.6Zn合金强度明显高于0.6Zn合金,但塑性略低。分析表明高Zn合金的失效行为与块状LPSO结构相有关,裂纹在LPSO结构相上的形成是LPSO结构相与基体变形不协调和位错塞积在LPSO结构相界面处的应力集中共同作用所致。对挤压态Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr(x=0.6、1.1、1.6)合金在200℃进行时效处理,峰时效时间均在72h左右。峰时效后三合金强度普遍提高1OOMPa以上。1.6Zn合金具有综合性能最佳,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为395MPa、458MPa和10.5%,其峰时效态基体中的组织结构状态为平行于(0 0 0 1)基面的层片状LPSO结构相/层错及层片状LPSO结构相/层错之间垂直于(0 0 0 1)基面生长的柱状β’相,塑性变形过程中,晶内层片状LPSO结构相/层错有利于非基面滑移。峰时效态三种合金在200℃均具有良好的抗蠕变性能,100h内未出现加速蠕变阶段。峰时效态1.6Zn合金在200℃的蠕变机制为位错粘滞运动机制控制,蠕变激活能122.7 kJ/mol,接近纯Mg的自扩散激活能。在此基础上,继续研究了 1.6Zn合金时效过程中的组织结构和力学性能演变。发现随着时效时间增加,β’相沿<1120>方向长大并逐渐呈环状分布。长时间时效会出现层错,随着时间延长层错长大。除了传统的强度提高塑性降低的沉淀强化阶段,合金时效过程中还出现了强度和塑性同时提高的阶段,长时间时效后合金性能依然稳定,时效500h后仍然具高于450MPa的抗拉强度和8%以上的延伸率。时效108h后强度和塑性匹配优良,抗拉强度451MPa,延伸率接近15%。探讨了合金的强韧化机制,认为合金高强高塑性是晶内沉淀相β’相与层片状LPSO结构相/层错之间协同强韧化的结果:1)β’相沿<1120>方向的长大及其环状分布的明显化进一步提升了对位错滑移的阻碍作用,促进了更多新的滑移系在环状体内的开动,从而减弱了因位错在较少平面内滑移而造成的大量位错塞积,分散了应力集中,降低了裂纹形核的可能性;2)随时效时间延长,层错增多,层错促进非基面滑移,协调塑性变形能力增强。