细晶Mg-Zn-Y合金的制备、组织、性能及强化机理

摘要

镁合金具有良好的生物兼容性、最高的比强度和比刚度、优异的工艺性能、较好的耐腐蚀性能、良好的导热、减振及电磁屏蔽性以及原材料丰富、切削加工简单和回收容易等优点。镁合金被认为是制备电器产品壳体、运输工具和航天飞行器零部件最具前途的结构材料。然而，镁合金的强度、塑性和韧性有待进一步提高。快速凝固(RS)技术可有效地细化合金晶粒、减少偏析，从而有望大幅度提高镁合金的力学性能。往复挤压(RE)是一种等体积大塑性变形技术，可以在不改变原始形状下，制备细晶材料。 本文以Mg-Zn-Y合金为研究对象，采用普通凝固(CT)、单辊RS和RE工艺，对比研究了该合金的组织与性能。研究了RE制备超细组织、高强高韧镁合金的强化机理及快速凝固薄带的焊合机制。研究包括的主要内容和获得的主要结论有： 基于RS原理完善了KND-Ⅱ型单辊快速凝固中试系统，在冷却速度介于1.14×106 K·s<'-1>～4.12×10<'7>K·s<'-1>条件下，制备的RS-Mg-Zn-Y合金薄带组织由过饱和α-Mg固溶体和少量在α-Mg晶粒间分布的Z相及其它金属间化合物构成，薄带组织存在微弱的微观偏析。薄带晶粒尺寸小于5um。 研制了可在普通立式压力机上实现多道次RE装置，并采用该装置对CT及RS状态下的Mg-Zn-Y合金进行了RE。RE可促使RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y合金基体通过破碎和反复动态再结晶细化；晶界网状化合物通过破碎细化，并随材料的流动而发生位置迁移，最终均匀分布在基体上。提高RE道次，组织变得更均匀。RE是一种提高RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y镁合金强度和塑性的有效方法。 RE过程中，每一道次的名义应变速率是0.1503s<'-1>。温度介于300℃～350℃范围RE可以使材料内积累较高的真应变，有利于获得大的Zener-Hollomon参数Z*值，促进原子扩散及析出相形核和长大：在获得高致密、高机械性能的同时，有利于RS薄带的焊合。 RE后，RE-n-EX-RS-Mg-zn-Y合金强化相颗粒由三部分组成：第一类是原薄带晶粒内部凝固时的强化相，为～100nm。RE使第一类强化相在组织中分布更均匀，但大小基本不变；第二类是原薄带晶粒界面上的网状化合物经RE破碎形成的不规则颗粒，尺寸为～0.5um；第三类为RE过程脱溶形成的沉淀相，尺寸一般为70nm左右，弥散分布于α-Mg基体中。RE后RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y合金获得了较高的拉伸强度(RE-n-EX-RS-B1和RE-n-EX-RS-B2合金的拉伸强度大于400MPa)、屈强比(大于0.8，其中RE-n-EX-RS66合金接近1)和伸长率(RE-n-EX-RS66合金的伸长率大于20％)。往复挤压获得高强韧快速凝固Mg-Zn-Y合金的强化机制包括细晶强化、固溶强化、位错强化、沉淀析出和弥散分布强化以及位错间的摩擦阻力强化机制。其中，细晶强化和Orowan强化机制是主要的强化机制。在100～150℃温度范围，Mg-Zn-Y合金热(线)膨胀系数与制备工艺有关，材料的膨胀系数由大到小顺序为：αCT-Mg-zn-Y>α<,T>RE-n-EX-CT-Mg-zn-Y>α<,t>RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y。RE结合RS可以获得低膨胀系数的Mg-Zn-Y合金。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1镁及镁合金

1.2Mg-Zn-Y(-Zr)合金

1.3Mg-Zn-Y合金的准晶相及对性能的影响

1.4快速凝固技术在镁合金中的应用

1.5单辊快速凝固技术

1.6快速凝固材料的固结

1.7大塑性变形(SPD)

1.7.1镁合金的等径转角挤压

1.7.2镁合金的往复挤压

1.8本文研究的主要内容

2实验设备与实验方法

2.1实验设备

2.1.1KND-Ⅱ型单辊快速凝固设备

2.1.2正挤压

2.1.3往复挤压

2.2实验用合金的熔配

2.2.1CT合金

2.2.2制备RS

2.3制备EX-CT、EX-RS和RE-n-EX材料

2.3.1EX-CT和EX-RS

2.3.2RE-n-EX合金的制备

2.4合金试样的热处理

2.5分析测试方法

2.5.1显微组织

2.5.2DTA及DSC分析

2.5.3力学性能分析

2.5.4TMA分析

2.6技术路线及实验方案

3CT-Mg-Zn-Y的组织与性能

3.1CT-Mg-Zn-Y合金的组织

3.1.1合金的组织

3.1.2热处理对铸态组织的影响

3.2CT-Mg-Zn-Y合金的性能

3.3小结

4RS-Mg-Zn-Y合金薄带的组织与性能

4.1RS-Mg-Zn-Y合金的组织

4.2RS对组织的影响

4.2.1RS薄带中的偏析

4.2.2RS薄带中的准晶相

4.3RS-Mg-Zn-Y合金薄带的性能

4.4小结

5RE-CT-Mg-Zn-Y合金的组织与性能

5.1RE-CT-Mg-Zn-Y合金的组织

5.1.1RE-CT-Mg-Zn-Y合金的组织特点

5.1.2RE-CT-Mg-Zn-Y合金晶粒细化

5.2RE-CT-Mg-Zn-Y合金的性能

5.3热处理对RE-CT-Mg-Zn-Y合金组织及力学性能的影响

5.3.1热处理对RE-CT-Mg-Zn-Y合金组织的影响

5.3.2热处理对RE-CT-Mg-Zn-Y合金力学性能的影响

5.4小结

6RE-RS-Mg-Zn-Y合金的组织与性能

6.1RE-RS-Mg-Zn-Y合金的组织

6.1.1RE-RS-Mg-Zn-Y合金的组织特点

6.1.2RE-RS-Mg-Zn-Y合金薄带焊合

6.2RE-RS-Mg-Zn-Y合金的性能

6.3小结

7往复挤压快速凝固镁合金的强化机制

7.1RE过程中应变与应变速率

7.2RE对析出相的影响

7.3RE过程中的DRX

7.4RE-RS-Mg-Zn-Y合金的强化机制

7.5RE对材料塑性的影响

7.6小结

8Mg-Zn-Y合金热膨胀特性

8.1CT-Mg-Zn-Y合金热膨胀

8.1.1 CT-Mg-Zn-Y合金热膨胀系数

8.1.2热处理对CT-Mg-Zn-Y合金热膨胀系数的影响

8.2 RE-CT-Mg-Zn-Y合金热膨胀

8.3 RE-RS-Mg-Zn-Y合金的热膨胀

8.4 Mg-Zn-Y合金热膨胀与温度的关系

8.5小结

9结论

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文（仅写出与本文相关的论文）

在校学习期间所申请的专利（仅写出与本文相关的专利）

在校学习期间所获得的奖励