高性能Mg-RY（富钇）-Zn合金的显微组织和力学性能

摘要

镁合金由于具有密度小，比强度和比刚度高及利于回收等优点在航空、航天和汽车工业中有着广阔的应用前景。然而，其相对较低的绝对强度和差的耐热性能限制了镁合金的发展。在纯镁中加入特定含量的稀土元素和锌元素后会形成一种新型的强化相，即长周期堆垛有序相(LPSO相)。该相能够显著地提高镁合金的绝对强度，并且使镁合金具有良好的耐热性能。
　　本文利用传统的铸造方法制备了含富钇和锌元素的LPSO结构增强的高性能镁合金。铸态 Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金是由块状的LPSO相、LPSO精细条纹、网状的Mg3Zn3Y2共晶相和少量的Mg24Y5相及含LPSO精细条纹的镁基体5相构成。其中块状的LPSO相和LPSO精细条纹均为6H’类型的长周期堆垛有序结构。随着RY元素含量的增多，铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金中块状的LPSO强化相的体积分数从10％增加到24%，而影响合金力学性能的Mg3Zn3Y2共晶相的数量逐渐减小，另外合金的枝晶壁间距从60?m减小到42?m。LPSO相可以有效地细化镁基体。块状的LPSO相和含LPSO精细条纹的镁基体在室温及250℃时都具有非常大的硬度。并且随着温度的升高，其硬度下降得十分缓慢。铸态 Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金表现出了优良的力学性能及耐热性能。并且随着RY元素含量的增多，铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金的屈服强度、抗拉强度及延伸率都有明显的提升。块状的LPSO相和LPSO精细条纹对铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金有很好的强化作用。铸态Mg-9RY-4Zn合金与铸态Mg-6RY-4Zn合金相比，块状的LPSO相体积分数增加，Mg3Zn3Y2共晶相数量减少，枝晶壁间距逐渐减小，因而其力学性能优于后者。
　　为了提高铸态 Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金的力学性能，对其进行了挤压加工。挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金是由条带状的LPSO相、动态再结晶内部的LPSO精细条纹、碎裂的Mg3Zn3Y2共晶相、少量的Mg24Y5相和含LPSO精细条纹的动态再结晶镁基体构成。其中，条带状的LPSO相和动态再结晶内部的LPSO精细条纹均是14H类型的LPSO结构。随着 RY元素含量的增多，挤压态 Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金中条带状的LPSO强化相的体积分数从10%增加到22%，而动态再结晶的晶粒尺寸从12?m减小到10?m。条带状的LPSO相有助于细小的动态再结晶的晶粒的形成。经过挤压变形，条带状的LPSO相和含LPSO精细条纹的动态再结晶的硬度都得到了明显的增加。挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金表现出了优良的拉伸性能及良好的耐热性能。并且随着RY元素含量增加，挤压态 Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金的屈服强度、抗拉强度及延伸率都得到了明显的增高。条带状的LPSO相和含LPSO精细条纹的细小的动态再结晶对合金的力学性能起到了重要的强化作用。
　　挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金都表现出明显的时效硬化特征。经过220℃长时间的时效，合金中的LPSO相的形状、尺寸、体积分数、类型等均没有发生改变，合金中的动态再结晶晶粒略有增大。研究表明：高体积分数的LPSO相有助于抑制细小的动态再结晶的晶粒的长大。经过长时间的高温时效，大量的堆垛层错从镁基体中析出。峰值时效态的Mg-9RY-4Zn合金表现出了最佳的综合力学性能。除了时效过程中保持稳定的条带状的LPSO相和相对稳定的细小的动态再结晶对合金起到了强化作用外，大量析出的堆垛层错也是提高合金力学性能的主要因素。
　　挤压态Mg-9RY-4Zn合金中，平行于挤压方向上和垂直于挤压方向上的显微组织存在明显的不同。压缩性能测试表明挤压态Mg-9RY-4Zn合金存在明显的各向异性。在平行于挤压方向压缩时，条带状的LPSO相会通过自身的弯折强化基体，并且主裂纹要通过或绕过部分条带状的LPSO相，条带状的LPSO相起到了重要的强化作用。在垂直于挤压方向压缩时，主裂纹与条带状的LPSO相平行，在压缩测试过程中条带状的LPSO相对材料力学性能的挺高贡献较小。
　　挤压态 Mg-(6,9)RY-4Zn合金做缺口拉伸时的抗拉强度始终大于光滑试样的抗拉强度，即缺口敏感度(NSR)始终大于1。与光滑试样相比，LPSO相在缺口拉伸过程中，发生了非常严重的塑性变形甚至碎裂，消耗了更高的能量。含高体积分数的挤压态Mg-9RY-4Zn合金的NSR值始终大于挤压态Mg-6RY-4Zn合金的NSR值。LPSO相在温度升高时的对合金的强化效果更佳明显，这使得在挤压态Mg-(6,9)RY-4Zn合金中，NSR值随着温度的升高而增加。
　　挤压态Mg-9RY-4Zn合金的超塑性研究表明当拉伸温度为380℃、420℃及450℃，初始应变速率为1.7×10-4s-1、1×10-3s-1及1×10-2s-1时，挤压态Mg-9RY-4Zn合金都表现出良好的超塑性变形行为。并且在初始应变速率为1×10-2s-1拉伸时，挤压态Mg-9RY-4Zn合金的延伸率都大于200%，这表明挤压态 Mg-9RY-4Zn合金明具有高应变速率超塑性的特征。挤压态Mg-9RY-4Zn合金在420℃，初始应变速率为1×10-3S-1时具有最佳的超塑性成形行为，其延伸率高达720%。计算表明：挤压态 Mg-9RY-4Zn合金超塑性变形的机制为晶格扩散控制的晶界滑移。挤压态Mg-9RY-4Zn合金在420℃，初始应变速率为1×10?3s?1超塑性变形时的断裂是由空洞的横向连接引起的。在合金做高温长时间的超塑性变形时，LPSO相能够有效地抑制合金晶粒的长大。另外，条带状的LPSO相可以有效地阻碍空洞的横向连接，有助于防止材料的过早断裂。

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第1章 绪论

1.1 稀土镁合金概述

1.2含长周期堆垛有序(LPSO)结构增强的镁-稀土合金

1.3 选题依据和本论文研究的主要内容

第2章 合金制备与实验方法

2.1实验原材料及选材依据

2.2实验设备

2.3 材料及试样制备

2.4 合金微观组织观察

2.5 力学性能测试

2.6本章小结

第3章 铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织与力学性能

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织

3.4 铸态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金力学性能

3.5本章小结

第4章挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织与力学性能

4.1引言

4.2实验过程

4.3 挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织

4.4 挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金力学性能

4.5 挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金强化机理

4.6 本章小结

第5章时效对挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织与力学性能的影响

5.1引言

5.2实验过程

5.3时效对挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金显微组织影响

5.4 时效对挤压态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金力学性能影响

5.5 峰值时效态Mg-XRY(X=6,9)-4Zn合金强化机理

5.6 本章小结

第6章 挤压态Mg-RY-Zn合金各向压缩性能及缺口拉伸行为研究

6.1 引言

6.2实验过程

6.3挤压态Mg-9RY-4Zn合金各方向上压缩性能

6.4 挤压态Mg-(6,9)RY-4Zn合金缺口拉伸行为

6.5本章小结

第7章 挤压态Mg-9RY-4Zn合金超塑性性能研究

7.1引言

7.2实验过程

7.3挤压态Mg-9RY-4Zn合金超塑性行为

7.4 超塑性拉伸的应力-应变曲线

7.5 应变速率敏感系数及变形激活能计算

7.6挤压态Mg-9RY-4Zn合金超塑性变形断裂方式

7.7挤压态Mg-9RY-4Zn合金超塑性变形过程中显微组织变化

7.8本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢