含稀土镁合金细晶化、塑性变形再结晶、时效脱溶及焊接性研究

摘要

含稀土元素的镁合金具有铸造性能佳，塑性变形潜力大，比强度高，力学性能优良等诸多优点。作者以Mg-Al-Zn(AZ31、AZ61、AZ91)、ZK60、Mg-0.5％Zn-0.5％Zr 系列为基础合金，进行稀土合金化研究，用 X 射线衍射和扫描电子显微分析方法对含稀土元素的合金进行了物相鉴定，用稀土元素和锆对试验合金铸锭进行细晶化处理，在热/力模拟试验的基础上，对含稀土元素的镁合金进行了轧制、挤压塑性变形，对变形后的合金进行了时效强化研究以及电弧焊焊接性试验。利用光学显微镜、扫描电子显微镜以及透射电子显微镜对试验合金在铸态、塑性变形过程状态以及热处理前后的微观组织进行了观察和分析。 1、添加稀土元素的镁及镁合金除了基体相α(Mg)和Mg-Al-Zn合金中的Mg<,17>Al<,12>相、Mg-Zn-Zr 中的MgZn等相外，还有稀土元素与镁、锌生成的稀土化合物，这些中间相在铸态时主要分布在晶界，挤压变形后沿着挤压方向分布；加入稀土Ce可以明显细化AZ31合金铸态晶粒，加入 Nd、Y 分别细化了Mg-0.5％Zn-0.5％Zr合金和ZK60合金铸态晶粒。作者认为镁合金凝固过程中，受凝固时扩散动力学条件限制，稀土元素在固/液界面前沿富集，增大了合金的成分过冷，使树枝晶的生长更发达，二次枝晶增多，枝晶间距减小，晶粒细化。凝固过程中溶质再分配造成固/液界面前沿成分过冷度增大是稀土元素细化镁合金的主要机理。 2、轧制变形使含稀土的Mg-Al-Zn-Ce 合金产生了明显的加工硬化，提高了合金强度，轧制变形时被破碎的β相和Al<,4>Ce稀土相是强化合金的主要原因；Mg-Al-Zn-Ce 合金在热塑性变形时有多种变形机制共同作用，大尺寸晶粒产生位错滑移和晶体孪生，小尺寸晶粒产生晶界滑动协调大尺寸晶粒的变形，适量Ce的加入有助于在热轧变形过程中产生大量的动态再结晶小尺寸晶粒，更有效地提高了含稀土镁合金的塑性变形能力。 3、含1.0％Ce的AZ31、AZ61、AZ91合金在673K温度下的变形激活能均比不含Ce的AZ31、AZ61、AZ91合金低，使得合金在673K温度下的塑性变形能力增加，因而有利于合金的塑性变形；在Mg-0.5％Zn-0.5％Zr合金中添加稀土元素Nd和Y、在ZK60合金中添加稀土元素Y后，形成的含稀土化合物在镁合金基体中弥散分布，阻碍合金塑性变形过程中的位错滑移，使位错发生交滑移和攀移所需能量提高，从而提高了合金发生动态再结晶的温度。 4、Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-2.2％Nd-4.0％Y 合金有良好的挤压变形能力和热处理强化能力，挤压后T5处理态的室温力学性能为：σ<,b>=293.5MPa，σ<,0.2>=281.2MPa，δ=11％；高温瞬时拉伸力学性能250℃为σ<,b>=228.78MPa，δ=14.8％；330℃为σ<,b>=211.2MPa，δ=16.4％。作者的研究工作表明，Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-2.2％Nd-4.0％Y 合金具有良好的室温和高温综合力学性能。 5、含稀土的镁合金淬火获得镁基过饱和固溶体，在时效脱溶时，Mg-Al-Zn 系合金直接析出Mg<,17>Al<,12>平衡相，Mg<,17>Al<,12>相脱溶以两种方式进行，即晶内连续脱溶和晶界不连续脱溶。含稀土的ZK60合金脱溶过程存在预脱溶阶段，在150℃时效时，先析出 MgZn′(β′)过渡亚稳相，ZK60 合金的时效强化主要来源于过渡相β′对位错运动的阻碍作用，稀土元素Nd、Y对ZK60合金晶粒的细化有利于提高合金中β′相的析出密度，使合金的强化值增大。ZK60-RE 合金在150℃时效时的脱溶过程为：SSSS →β′→β(平衡相)，Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-2.2％Nd-4.0％Y合金在200℃时效时的脱溶过程为：SSSS→β″→β′→β(平衡相)。 6、GTAW 焊接试验表明，AZ31、AZ61Ce合金焊缝金属熔池边缘区域依托母材未熔晶粒形核、长大，即联生生长；稀土Ce能改善AZ31、AZ61 合金焊接接头强度及提高焊接接头有效系数，Ce改善Mg-Al-Zn合金焊接性的原因是由于Ce与Al形成了高熔点的Al<,4>Ce相，减少了粗大的Mg<,17>Al<,12>相的数量和细化了焊缝区的晶粒。ZK60-2.0％Nd-1.0％Y合金焊接接头有效系数比ZK60合金提高明显，原因是稀土元素Nd、Y与镁、锌形成了热稳定性高的第二相稀土化合物，减少了分布在晶界上的粗大MgZn数量。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1镁资源及镁生产概述

1.2镁及镁合金性能

1.2.1物理性能

1.2.2力学性能

1.2.3耐腐蚀性能

1.2.4镁的晶体学表征

1.2.5镁合金的塑性

1.3镁合金的焊接方法及特点

1.4镁合金中的合金元素及作用

1.4.1镁合金中主合金元素

1.4.2镁合金中的稀土元素及其作用

1.5镁合金的研究现状及发展趋势

1.6镁合金的应用现状及前景展望

1.6.1镁合金的应用优势

1.6.2镁合金在汽车工业中的应用

1.6.3镁合金在航空航天领域中的应用

1.6.4镁合金在家用电器及消耗类电子产品中的应用

1.6.5镁合金在军事工业上的应用

1.7本论文研究目的及主要研究内容

第二章镁的合金化及含稀土镁合金的合金相

2.1合金元素Al、Zn、Zr与镁形成的二元、三元合金相

2.2稀土元素Ce、Nd、Y在镁中的合金化

2.3含稀土镁合金的合金相

2.3.1实验过程

2.3.2 AZ31-Ce合金的相组成及相分布

2.3.3 ZK60-RE系合金的相组成及相分布

2.3.4含Nd及Nd和Y的Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金的合金相

2.4实验用稀土镁合金成分

2.4.1 Mg-Al-Zn-Ce合金系

2.4.2 Mg-Zn-Zr-RE合金系

2.4.3 Mg-RE合金系

2.5本章小结

第三章含稀土镁合金铸态组织细晶化研究

3.1实验过程

3.1.1含稀土镁合金铸锭

3.1.2镁合金铸锭的均匀化处理

3.1.3合金铸态组织观察和性能测试

3.2 Mg-Al-Zn-Ce系合金铸态晶粒的细化

3.2.1 Mg-Ce合金中Ce元素的分布

3.2.2 AZ31及AZ31Ce合金铸态晶粒的细化

3.3 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金铸态晶粒的细化

3.3.1稀土元素Nd、Y在镁中的分布

3.3.2稀土元素对Mg-0.5％Zn-0.5％Zr合金晶粒细化的作用

3.3.3稀土元素对镁及镁合金晶粒细化的机理分析

3.3.4 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金铸态力学性能及断口分析

3.4 Zr及稀土元素对ZK60合金铸态晶粒的细化

3.5含稀土镁合金铸锭的均匀化热处理

3.5.1铸锭均匀化过程中的扩散动力学模型

3.5.2含稀土镁合金的均匀化热处理制度

3.5.3含稀土镁合金均匀化退火后的组织特点

3.6本章小结

第四章含稀土镁合金轧制变形及退火再结晶行为研究

4.1.实验过程

4.2 Mg-Al-Zn(Ce)合金轧制变形组织和力学性能

4.2.1 Mg-Al-Zn(Ce)合金轧制变形过程的组织演化

4.2.2 Mg-Al-Zn(Ce)合金轧制态力学性能及拉伸断口分析

4.3轧制变形的Mg-Al-Zn(Ce)合金强化机制分析

4.3.1细晶强化机制

4.3.2形变强化机制

4.3.3第二相强化机制

4.4 Mg-Al-Zn(Ce)合金轧制退火态组织和力学性能

4.4.1 Mg-Al-Zn(Ce)合金退火过程中显微组织变化

4.4.2 Mg-Al-Zn(Ce)合金退火态力学性能

4.5 Mg-Al-Zn(Ce)合金塑性变形机制

4.5.1塑性变形过程中的滑移变形机制

4.5.2镁合金中的孪生变形

4.5.3晶界滑动变形机制

4.6本章小结

第五章含稀土镁合金挤压变形及动态再结晶行为研究

5.1实验过程

5.1.1实验合金的制备

5.1.2热/力压缩模拟试验

5.1.3镁合金的挤压工艺及参数确定

5.2 Mg-Al-Zn(Ce)系合金高温塑性变形行为的热/力模拟研究

5.2.1 AZ31合金的真应力—真应变曲线

5.2.2 AZ31合金的高温塑性变形的Zener-Hollomon本构关系

5.2.3 Mg-Al-Zn-Ce合金的高温塑性变形行为

5.3 Mg-Al-Zn-Ce系合金的动态再结晶行为

5.4 ZK60-0.9％Y合金高温塑性变形行为的热/力模拟研究

5.4.1 ZK60-0.9％Y合金的真应力—真应变曲线及分析

5.4.2 ZK60-0.9Y合金高温塑性变形参数的拟合

5.5 ZK60-RE系合金动态再结晶行为研究

5.6 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金高温塑性变形行为的热/力模拟研究

5.6.1 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金真应力—真应变曲线及分析

5.6.2 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金高温塑性变形激活能

5.7 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE系合金动态再结晶行为研究

5.7.1变形温度对动态再结晶的影响

5.7.2变形程度对动态再结晶的影响

5.7.3 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE系合金挤压变形力学性能

5.8本章小结

第六章含稀土镁合金的时效强化及组织性能分析

6.1实验过程

6.1.1实验合金热处理

6.1.2合金热处理前后的性能测试及组织观察

6.2 Mg-Al-Zn系合金的时效与Mg 17Al12相的脱溶

6.2.1显微组织变化

6.2.2 Mg-Al-Zn系合金中Mg17Al12相脱溶产生的时效硬化效应

6.3.ZK60-RE合金的时效硬化与脱溶过程

6.3.1 ZK60-RE合金的时效硬化效应

6.3.2 ZK60-RE合金的脱溶过程

6.4 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE系合金的时效强化

6.4.1合金热处理前后的力学性能

6.4.2合金热处理前后的显微组织

6.4.3 Mg-0.5％Zn-0.5％Zr-RE合金高温拉伸力学行为

6.4.4 Mg-0.5Zn-0.5Zr-RE合金的脱溶过程

6.5本章小结

第七章含稀土镁合金电弧焊焊接性初步研究

7.1实验过程

7.1.1镁合金填充焊丝的制备

7.1.2试板焊接

7.1.3焊接接头抗拉强度试验及接头微观组织分析

7.2含稀土镁合金GTAW/TIG焊接试验结果与分析

7.2.1焊丝的制备

7.2.2焊接接头抗拉强度

7.2.3焊接接头硬度

7.2.4焊接接头显微组织及其特点

7.2.5镁合金焊接熔池的特征

7.2.6含稀土镁合金焊缝金属的结晶过程

7.3本章小结

第八章结论

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢