稀土镁合金变形加工与显微组织、织构演变

摘要

近年来，工业的快速发展对地球造成的破坏让人们对环境问题愈加重视，人们迫切希望能够找到成本低、性能良好的“绿色材料”作为建设未来的基石。随着镁合金的开发使用，其质轻、储量丰富等特点可以进一步达到节能减排、环保的目的，因而越来越受到各个行业的关注。其中，变形镁合金是目前工业界使用量很大的一类镁合金。但是镁合金仍然存在变形困难、织构复杂等缺陷，限制其进一步的广泛应用。 本文研究了稀土元素（RE）的种类、含量及复合加入方式等对镁合金变形能力、微观结构、力学性能等方面的影响。选用常见的稀土 Nd、Gd、Y，作为轻、中、重稀土元素的代表，进行合金化实验以熔炼一系列Mg-RE合金。熔炼之后采用半连续铸造法，并对其进行了 380℃、450℃热挤压加工，并进一步对挤压合金进行了 400℃的热轧制加工。使用金相显微镜和扫描电镜（SEM）观察了Mg-RE合金的显微组织；利用X射线衍射仪（XRD）对合金的相组成以及宏观织构进行了分析；利用能谱（EDS）研究了合金的微观成分；利用电子背散射衍射（EBSD）并结合极图与反极图对挤压和轧制合金的显微织构进行了分析。此外，测定了变形Mg-RE合金沿不同加工方向上的拉伸力学性能。在上述基础上，讨论了RE元素对变形镁合金显微组织、织构演变和力学性能的影响。主要结论如下： （1）铸态Mg-RE合金的显微组织：铸态组织呈现枝晶组织，且富含RE的第二相化合物呈半连续网状分布在枝晶边界处。XRD数据表明，这些Mg-RE化合物主要包括：Mg5Gd、Mg24Y5和 Mg41Nd5相。经过固溶热处理之后，大块的Mg-RE 第二相基本上都固溶进入镁基体中，只留下一些较小颗粒。在随后的变形加工过程中，基体和第二相粒子的错配使得第二相粒子周围的位错密度升高，这有益于再结晶晶粒的形核，也就是颗粒诱发形核机制，同时极大弱化了Mg-RE合金的织构。 （2）Mg-RE变形合金再结晶组织及织构：Mg-RE合金在经过热挤压和热轧制之后，均呈现出完全再结晶组织，说明合金在热加工过程中发生了动态再结晶， 且显示出不同于传统 Mg-Al 系合金的弱化的非基面织构。这种织构非常有利于提高合金的成型加工性能。通过分析稀土类型及含量对变形合金织构的影响，发现轻稀土元素对变形镁合金的织构弱化作用要强于同等含量的重稀土元素，而且RE元素复合添加时对织构的弱化效果要强于单一 RE元素的添加。变形加工样品的晶面极图分析显示，由于RE的存在，Mg-RE合金晶面发生一定的偏转，织构也与纯镁的织构不同，（0002）晶面的取向以板材垂直方向为轴，向挤压或轧制方向发生小角度偏转，并形成了两个较高强度的峰值组元，(101_0)晶面则主要分布在板材垂直方向。 （3）变形加工样品的取向分布函数（ODF）：挤压合金中，二元合金与三元合金挤压样品的主要织构组分基本一致，主织构为{011_3}<02_23>，次织构{1_21_5}<12_13>，但三元合金挤压样品的织构密度要明显弱于二元合金挤压样品。尤其是次织构{1_21_5}<12_13>；三元合金的总体织构密度低于二元合金，很大一部分程度上是由于其较低的次织构密度值。轧制合金与挤压合金相比，织构密度有所增强，但同样含有两种最主要的稀土织构类型，主织构为{011__3}<02 23>，次织构{01__1 4}<01 12>。稀土元素对轧制合金织构的作用规律与挤压合金一致。可见 RE 多元复合加入具有抑制织构密度的效果。 综上所述，本文的研究工作可以为利用RE来提高变形镁合金的变形能力、抑制其织构的形成具有一定的指导意义。

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摘 要

目 录

3.1 实验结果与分析 23

5.2 小结 50

第一章 绪论

1.1 镁及镁合金的简介

1.1.1 纯镁的性质

1.1.2 镁合金简介

1.1.3 镁合金的分类

1.2 变形镁合金

1.2.1 变形镁合金的定义与发展历史

1.2.2 变形镁合金的分类

1.2.3 变形镁合金的性能

1.2.4 变形镁合金的应用

1.3 镁合金塑性变形理论与加工技术研究

1.3.1 变形镁合金的塑性变形理论

1.3.2 镁合金的塑性加工技术

1.4 变形镁合金织构

1.4.1 织构形成机理及主要影响因素

1.4.2 织构分类

1.4.3 织构对变形镁合金力学性能的影响

1.4.4 影响镁合金织构的主要因素

1.5 选题依据及研究内容

第二章 实验材料、研究方法及样品表征手段

2.1 实验材料

2.2 合金制备

2.3 挤压工艺

2.4 轧制工艺

2.5 微观组织观察与分析

2.6 拉伸性能测试

第三章 变形加工工艺对Mg-RE合金的显微组织及力学性能的影响

3.1 实验结果与分析

3.1.1 铸态合金显微组织

3.1.2 变形合金显微组织

3.1.3 合金力学性能

3.2 小结

第四章 变形Mg-RE合金织构的电子背散射衍射(EBSD)研究

4.1 实验结果与分析

4.1.1 稀土元素类型对450 ℃挤压Mg-RE合金显微组织和织构的影响

4.1.2 450 ℃挤压合金稀土织构的反极图分析

4.1.3 稀土织构的形成机理探讨

4.2 小结

第五章 Mg-RE合金矩形挤压件中合金化方式对稀土织构的影响

5.1 实验结果与分析

5.1.1 合金的实际成分组成

5.1.2 微观组织

5.1.3 RE成分对Mg-RE合金织构的影响

5.1.4 变形加工工艺对织构的影响

5.2 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文