固溶处理对AZ31-xGd合金显微组织和力学性能的影响

摘要

镁合金因密度小，比强度高，切削加工性能好而且易于回收再利用，在当今资源和能源紧缺的环境下备受汽车行业、航空航天业的关注。AZ31镁合金作为变形镁合金的代表，成为镁合金研究者的重点研究对象。然而，由于AZ31镁合金的绝对强度小，大大限制了其工业化应用范围。目前，可以有效提高AZ31变形镁合金强度的方法主要有两种，其一为合金化，其二为形变热处理。
　　本研究在Ar气的保护下于井式电阻炉中熔炼制备出含不同Gd质量分数的AZ31镁合金。利用OM，SEM，EDS以及XRD等检测仪器对
　　AZ31-xGd(x=4.83,4.15,3.52,3.25)合金中的相成分，显微形貌进行了表征。本文首先研究了添加质量分数为4.83％的Gd元素对AZ31镁合金显微组织的影响；然后对AZ31-4.83Gd（AZG315）合金在540℃进行不同时间的固溶处理，研究固溶处理过程中AZG315合金第二相形貌演变规律，由此提出“扩散长大”模型，并计算得540℃时Gd原子在固相之间的扩散系数，最终确定AZ31-xGd合金的固溶处理时间；其次，本文还探究了相同固溶处理工艺下，AZ31-xGd合金显微组织和力学性能变化的规律。
　　本研究得出了以下结论：
　　1.向AZ31镁合金中添加质量分数为4.83%的稀土Gd元素可以有效抑制基体中沿晶界分布的Mg17Al12共晶相形成。
　　2.在精炼过程中Gd元素和Al元素首先固溶至基体中。当基体晶粒以树枝状生长时，由于固液界面前沿导致溶质原子的偏聚使得Al2Gd相形核并长大。
　　3.铸态AZG315合金中第二相Al2Gd呈针状片层分布在晶间，这主要是因为Al原子和Gd原子的定向扩散所导致的。
　　4.通过室温锻造结果证明：AZG315镁合金中第二相Al2Gd形貌的变化必须在温度的激励下进行。540℃固溶处理时Gd原子的扩散系数为105.06nm2/s，进行6h固溶处理后，晶间Al2Gd相的厚度将保持不变。
　　5.AZG315镁合金在540℃进行固溶处理时，其内Al2Gd相形貌的演变符合 Ostwald Ripening Theory。
　　6.室温下固溶处理后AZG315镁合金的屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为：135MPa、244.29Mpa、10.93%比相同状态下AZ31变形镁合金对应力学指标同比提高123.95%、59.89%、2.34%。
　　7.当Gd元素的添加量小于4.83mass%时，Al2Gd相的形成和形貌不仅受到稀土添加量影响而且与合金中Al/Gd原子比的大小有关。
　　8.AZ31-3.25Gd合金中所形成的Al2Gd针状相更加细小，固溶处理后所形成的小颗粒状Al2Gd相分布更加均匀，对于提高合金的力学性能具有明显作用。
　　本研究通过对合金成分的设定，热处理工艺的制定，提出了“扩散长大”的动力学模型并计算出了540℃时Gd原子在α-Mg基体中的扩散系数，为提高AZ31变形镁合金力学性能及其稀土元素的应用范围提供了基础实验数据。