挤压态Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr镁合金高温力学性能及蠕变性能研究

摘要

现阶段对耐热镁合金的研究中，向传统镁合金中添加稀土元素使其获得较高的强韧性及耐热性成为一个主要方向。本文研究对象为挤压态Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr合金，目前对于富稀土镁合金的研究大部分都是关注于某个合金的组织与性能的定性探讨，而缺少对于合金微观组织演变与其强化机制之间联系的深入探究。此外，对于本文所研究的富稀土镁合金在高温条件下抗蠕变性能的研究还比较有限，仍需要进行系统地研究，为Mg-RE合金的开发与应用提供更加详尽的理论基础。
　　本文以挤压态Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr合金（简称GWN641K）为研究对象，首先对该合金的挤压态微观组织形貌进行了观测与表征，并对其进行150℃-250℃高温瞬时力学性能以及合金在不同温度与应力状态下的蠕变性能进行了测试分析，以研究其耐热性能。同时对挤压态合金进行了时效处理，以研究时效态的微观组织演变规律，并获得最佳时效处理参数。随后，对时效态合金进行了高温力学性能测试，并从其微观组织演变层面对合金的高温强化机制进行分析与讨论，为该合金耐热机理的研究提供了更多的理论依据，并为该系合金在高温服役环境下的发展与应用提供了更多的理论基础。
　　研究结果表明：挤压态GWN641K合金微观组织主要由沿挤压方向拉长的未发生动态再结晶的变形晶粒和大量细小、尺寸大小不一的等轴晶粒以及晶界上尺寸为1um左右的第二相组成，平均晶粒尺寸约为5.2um。合金在室温下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为260.31MPa，318.70MPa和6.30％，该合金在挤压状态下，在150℃-200℃的温度区间内可以基本保持稳定服役，并保证强度在279MPa以上。试验获得最佳时效处理参数为225℃-72h，此时效状态下的GWN641K合金获得最高硬度值128.4HV，其室温屈服强度、抗位强度和延伸率分别为336.28MPa、371.77MPa和1.44%，屈服强度较挤压态提高了29%，抗拉强度提高了17%，但延伸率有所下降。时效后合金在温度为200℃及以下可以短时稳定服役，强度保持在361.94MPa以上，耐热性能较挤压态有很大的提高。
　　时效态GWN641K合金在高温拉伸变形中，当拉伸温度为200℃时，纤维织构强度较高，合金基体位错含量较高，位错缠结与塞积较严重，由于晶粒内部弥散大量析出相，位错绕过时会残留环绕析出相的位错环，析出强化效果明显。当拉伸温度为250℃时，织构强度降低，同时组织中析出相或发生回溶，数量明显减少，析出强化作用减弱，同时开始发生位错攀移，释放应力集中，使合金软化，从而导致强度下降。
　　挤压态GWN641K合金随着蠕变温度或是蠕变应力的增加，晶粒尺寸逐渐增加，挤压态晶界残留的第二相逐渐粗化，合金组织中逐渐析出条状β′相，该相有三种变体，在晶粒中平行分布或成60°夹角分布。而在晶界上会产生沿晶界生长的板条状β相，其与晶界粗大第二相随着变形量的增加，易成为加速蠕变阶段的裂纹源。合金在蠕变参数为250℃/60MPa-120MPa区间内，应力指数 n=3.27，蠕变的变形机制以位错滑移机制为主，同时有晶界滑移机制共同参与作用；当合金在60MPa（200℃-300℃）区间内变形时，在250℃前后蠕变激活能发生较突变。蠕变温度低于250℃时，蠕变激活能QA=86.5kJ/mol，此时合金以晶界滑移机制为主。当蠕变温度高于250℃时，QA=395.4kJ/mol，此时蠕变激活能较大，其蠕变机制主要为交滑移机制。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 稀土镁合金研究现状

1.3 稀土镁合金强化途径

1.4 稀土镁合金塑性变形行为

1.5 稀土镁合金蠕变行为研究

1.6 本课题主要研究内容

第2章 实验材料与试验方案

2.1 试验材料

2.2 合金的热处理方案

2.3 材料性能测试方法

2.4 材料组织分析方法

第3章 挤压态Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr合金组织及高温力学性能

3.1引言

3.2挤压态GWN641K镁合金微观组织

3.3挤压态GWN641K镁合金室温力学性能

3.4挤压态GWN641K合金高温力学性能与断口分析

3.5本章小结

第4章 Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr高温性能及强化机理研究

4.1 引言

4.2挤压态GWN641K镁合金T5处理

4.3 T5处理后GWN641K合金高温力学性能与断口分析

4.4 本章小结

第5章 Mg-6Gd-4Y-Nd-0.7Zr蠕变性能研究

5.1引言

5.2挤压态GWN641K合金高温蠕变变形行为研究

5.3挤压态GWN641K合金高温蠕变微观组织规律研究

5.4蠕变本构方程的建立

5.5本章小结

结论

参考文献

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致谢