热挤压镁锌钇锡和铸态镁锌镝镍合金中长周期结构相的电子显微学研究

摘要

在轻质变形合金中，含长周期结构相的镁稀土系合金以其较高的强度和较好的塑性引起了广泛关注，目前的研究主要是对其机械性能的改良和微观结构的表征。镁稀土系合金优良的机械性能主要来源于其中所含的长周期结构相。长周期结构相是镁稀土系合金中一种重要的析出相，具有细化晶粒、为宏观变形提供额外的滑移系、阻碍位错运动、储氢等多种性质。 本论文基于晶体学理论，对四种较长周期的密堆长周期结构相的堆垛序列和对应的空间群进行了完备的推导。采用球差校正透射电子显微镜(TEM)研究了时效处理铸态Mg-1.0at.％Zn-2.5at.％Gd合金和原始铸态Mg-1.6at.％Zn-0.5at.％Dy-2.3at.％Ni合金中长周期结构相的堆垛序列。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了锡元素的含量对热挤压Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-x at.％Sn(x=0，0.5，1.0，2.0)合金中的相结构和1的影响。 基于晶体学理论，对13H、14H、39R和42R型长周期结构的堆垛序列和对应的空间群进行了完备的推导，13H型的长周期结构有63种堆垛序列，14H型的长周期结构有126种堆垛序列，39R型的长周期结构有120种堆垛序列，42R型的长周期结构有223种堆垛序列。 在透射电子显微镜中研究了时效处理铸态Mg-1.0at.％Zn-2.5at.％Gd合金和原始铸态Mg-1.6at.％Zn-0.5at.％Dy-2.3at.％Ni合金中长周期结构相的堆垛序列。拍摄了原子级别分辨率的高角环形暗场像的图片，通过分析发现原始铸态Mg-1.6at.％Zn-0.5at.％Dy-2.3at.％Ni合金中出现了14H型的长周期结构相，并且在其中观察到了层错，这种层错由两个错排原子层组成，而在Mg-1.0at.％Zn-2.5at.％Gd合金中观察到的层错均由一个错排原子层组成。 在铸态Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y合金的基础上分别掺入0.5、1.0、2.0at.％的锡元素，然后对铸态Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-x at.％Sn(x=0，0.5，1.0，2.0)一共四种合金在723K下进行热挤压处理，以减少合金中的铸造缺陷，并细化晶粒。然后对这四种合金进行拉伸测试和硬度测试，发现在热挤压处理的Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y合金中添加入0.5at.％的Sn后，其极限抗拉强度由343MPa增长至379MPa，屈服强度由199MPa增长至230MPa，伸长率由15.9％降低至11.3％;继续添加Sn至1.0at.％后，其极限抗拉强度降低至340MPa，屈服强度降低至203MPa，伸长率增长至17.6％;当添加Sn的含量至2.0at.％时，其极限抗拉强度显著降低至239MPa，屈服强度降低至147MPa，伸长率降低至3.43％。在热挤压处理的Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y合金中添加入0.5at.％的Sn后，其显微硬度由82.9HV增长至89.1HV;继续添加Sn至1.0at.％后，其显微硬度降低至81.0HV;当添加的Sn的含量至2.0at.％时，其显微硬度显著降低至51.0HV。 通过XRD、SEM和TEM分析发现，随着锡元素含量的提高，Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-x at.％Sn(x=0，0.5，1.0，2.0)合金中有一个持续变化的相转变过程。当加入0.5at.％Sn时，发现合金中长周期结构相中析出了MgZnY三元相颗粒，初生的MgZnY三元相颗粒具有纳米级别的尺寸，随机的分布在长周期结构相片层中。当Sn含量提高到1.0at.％时，MgZnY三元相颗粒的数量和尺寸有了明显的增大，而长周期结构相的数量和尺寸明显减小。随着Sn含量的继续提高，MgZnY三元相颗粒中的Zn元素持续地溶解于α-Mg基体中，MgZnY三元相颗粒的数量逐步地减少，MgSnY三元相颗粒的数量逐步地增加。当Sn含量提高到2.0at.％时，α-Mg基体中的Zn元素以MgZn二元相颗粒的形态析出，MgZnY三元相颗粒全部转变为MgSnY三元相颗粒，对其中随机405个析出相颗粒进行了尺寸的统计分析，发现其中有169个MgSnY三元相颗粒和236个MgZn二元相颗粒，MgSnY三元相颗粒的平均粒径为1.214μm，MgZn二元相颗粒的平均粒径为1.007μm，同时还观察到了Sn3Y5颗粒的析出。熟挤压Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-x at.％Sn（x=0，0.5，1.0，2.0）合金中析出相随锡元素含量提高的演化过程可用以下关系式来表述: a)MgZnY(LPSO)+Sn→MgZnY(particle)+Sn3Y5; b)MgZnY(particle)+Sn→(MgZnY)Sn(particle); c)(MgZnY)Sn(particle)+Sn→(MgSnY)Zn(particle)+MgZn(particle); d)(MgSnY)Zn(particle)+Sn→MgSnY(particle)+MgZn(particle). 通过对有峰值屈服强度和硬度的Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-0.5at.％Sn合金中析出相的分析，发现MgZnY三元相颗粒的弥散分布阻碍了长周期结构相中位错的运动，进而提高了合金的屈服强度和硬度。通过对有峰值伸长率的Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-1.0at.％Sn合金中析出相的分析，发现长周期结构相数量和尺寸的减少，减小了对位错运动的阻碍，提高了位错运动速度，减小了应力集中，从而提高了伸长率。而Mg-1.5at.％Zn-2.0at.％Y-2.0at.％Sn合金中机械性能的显著下降主要是由于长周期结构相的消失，当失去了长周期结构相的强化作用后，合金的强度和塑性都显著下降。

目录

声明

摘要

引言

1．1金属镁简介

1．2脱溶沉淀简介

1．2．1脱溶沉淀的热力学理论

1．2．2脱溶沉淀对合金性能的影响

1．3塑性变形简介

1．3．1单晶中的塑性变形

1．3．2多晶体中的塑性变形

1．3．3合金的强化

1．4热挤压工艺简介

1．5表征材料机械性能的指标

1．5．1屈服强度

1．5．2极限抗拉强度

1．5．3塑性

1．5．4维氏硬度

1．6长周期结构基础理论

1．6．1长周期结构简介

1．6．2密堆长周期结构的晶体学理论

1．6．3密堆长周期结构的电子衍射图

1．6．4镁锌稀土系合金中的长周期结构相的研究现状

1．7本文的研究目标、研究内容和研究方法

2．1合金的成分

2．1．1镁锌钆和镁锌镝镍合金的成分

2．1．2镁钆锌合金的成分

2．2合金样品的制备

2．2．1铸态样品的制备

2．2．2热挤压样品的制备

2．3热处理条件

2．4样品制备过程和分析方法

2．4．1样品拉伸性能的测量

2．4．3 X射线衍射(XRD)样品制备及分析

2．4．4扫描电子显徽镜(SEM)样品制备及分析

2．4．5透射电子显微镜(TEM)样品制备及分析

2．5实验中涉及的电子显微学理论及方法

2．5．1扫描电镜(SEM)中的背散射电子(BSE)像

2．5．2扫描透射电子显微术(STEM)及高角环形暗场(HAADF)像成像原理

第三章13H、14H、39R和42R型长周期结构堆垛序列和空间群的推导

3．1晶体学理论推导简介

3．2长周期结构的推导

3．3堆垛序列的对称性分析

3．4本章小结

第四章Mg-Zn-Gd合金和Mg-Zn-Dy-Ni合金中长周期结构堆垛序列的电子显微学研究

4．1．2透射电子显微镜(TEM)分析

4．2铸态Mg-1．6 at．％Zn-0．5 at．％Dy-2．3 at．％Ni合金长周期结构相的晶体学研究

4．2．1扫描电子显微镜(SEM)分析

4．2．2透射电子显微镜(TEM)分析

4．3分析与讨论

4．4本章小结

第五章Sn含量的变化对热挤压Mg-Zn-Y-Sn合金机械性能和微观结构的影响

5．1 Mg-Zn-Y-Sn合金的机械性能分析

5．2 Mg-Zn-Y-Sn合金的X射线衍射(XRD)分析

5．3 Mg-Zn-Y-Sn合金的扫描电子显微镜(SEM)分析

5．4 Mg-Zn-Y-Sn合金的透射电子显微镜(TEM)分析

5．5对实验结果的讨论与分析

5．5．1相转变过程

5．5．2机械性能的变化

5．6本章小结

6．1主要研究成果

6．2存在的问题及展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢