准晶中间合金及稀土元素Nd、Yb对ZK60合金组织与性能的影响

摘要

准晶是一种不同于晶体和非晶体的长程固态有序相，其主要特点是非晶体学旋转对称以及长程准周期性。由于准晶硬而脆的特性而不能作为结构材料使用，但由于其独特的准周期结构使它具有高硬度、低界面能、低摩擦系数、耐热、耐蚀等特点，从而使它特别适合作为韧性基体材料中的增强相。采用镁基准晶作为镁合金的增强相，能在很大程度上提高合金的室温和高温力学性能，具有极高的研究价值和广阔的应用前景。
　　 ZK60镁合金的强度较高，但由于该合金凝固区间大、共晶温度偏低导致其铸造性能差、热裂倾向严重、缩松、缩孔明显等诸多缺陷，严重阻碍了它的发展和应用。本文正是基于准晶颗粒增强镁基复合材料的思想，利用本实验自制的含球形准晶相的Mg-Zn-Nd中间合金，采用外加法的方式将Mg-Zn-Nd准晶中间合金加入到ZK60镁合金熔体中制备出所需要的合金，然后借助OM、XRD、SEM、EDS等测试手段研究了Mg-Zn-Nd准晶中间合金对ZK60镁合金显微组织与力学性能的影响，其研究结果如下：
　　 (1)ZK60镁合金中加入Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金之后，合金凝固后的铸态组织除了基体a-Mg、MgZn相、MgZn2相外还出现了新相I相(Mg40Zn55Nd5)。球形准晶中间合金的加入不仅使基体组织细化，而且使MgZn相由半连续网状分布变为断续状分布。
　　 (2)由于Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的加入，合金的室温力学性能得到了明显的提高。当Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的加入量为4.0％时，合金的拉伸强度、屈服强度达到了峰值，分别为256.7MPa和178.5MPa，较基体ZK60合金分别提高了17.8％和24.1％。当Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的加入量为1.0％时，合金的伸长率达到了最大值17.8％，较基体合金提高了42.4％，继续增加准晶加入量时，伸长率呈下降的趋势，当加入量为5.0％时达到最低值13.6％，但仍比基体合金提高了8.8％。
　　 (3)在冲击韧性方面，随着Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的加入，合金的冲击韧性变化呈现先增加后降低的趋势。当Mg-zn-Nd球形准晶中间合金的加入量为4.0％时，冲击韧性达到最大值41.1J／em2，较基体合金提高了19.1％。合金的宏观硬度随准晶中间合金加入量的增加而提高，最大值达到了66.2HB，较基体合金提高了13.4％。
　　 由于稀土元素具有对合金熔体净化、改善合金组织、改良铸造性能、提高合金性能等作用，并且对ZK60镁合金的组织和析出相均产生重要的影响，更重要的是为了对比Mg-Zn-Nd准晶中间合金与单质纯Nd元素对ZK60镁合金的强化效果，所以选择了稀土元素Nd、Yb。研究了单独添加和复合添加对ZK60镁合金显微组织与力学性能的影响，其研究结果如下：
　　 (1)单独添加稀土元素Nd、Yb至ZK60合金后，在晶界处分别形成了Mg-Zn-Nd和Mg-Zn-Yb三元稀土相，其组织得到了显著细化。而复合添加Nd、Yb后的合金组织中形成了呈网状分布的Mg-Zn-Nd-Yb四元稀土相，并且晶界变厚。
　　 (2)经T4固溶处理后，ZK60合金的共晶组织完全溶入基体，晶界消失，而添加稀土元素Nd、Yb后台金的晶界处仍有未溶的化合物存在，并且固溶处理对ZK60-0.2Nd和ZK60-0.2Nd-1.5Yb合金的第二相形态和分布影响不大，而ZK60-1.5Yb合金例外。由于Mg58.32Zn32.24Yb9.44球状颗粒相的析出，ZK60-1.5Yb合金的力学性能得到了较大提高，另外也说明了这种合金适合固溶处理。
　　 (3)室温下，ZK60-0.2Nd和ZK60-1.5Yb合金的性能都优于ZK60合金，而ZK60-0.2Nd-1.5Yb合金表现不如ZK60合金。高温条件下，铸态ZK60合金的抗拉强度明显下降，而其他合金的高温力学性能都优于ZK60合金，但ZK60-0.2Nd-1.5Yb台金的高温塑性明显降低。
　　 (4)对比Mg-Zn-Nd准晶中间合金与单质纯Nd元素对ZK60镁合金的强化效果发现，Mg-Zn-Nd准晶中间合金对ZK60镁合金拉伸强度和伸长率的提高幅度较加纯Nd元素的ZK60镁合金大。

目录

第一章 绪论

第二章 合金制备及实验方法

第三章 Mg-Zn-Nd准晶中间合金在ZK60合金中的应用

第四章 稀土元素Nd、Yb对ZK60合金组织与性能的影响

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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