AZ系镁合金压入蠕变行为的研究

摘要

镁合金的高温性能尤其是抗蠕变性能较差，制约了其在工业上广泛应用。提高镁合金的高温性能一直是镁合金研究的热点。本文选用工业上较为常用的AZ81合金为基础，添加富铈稀土得到AZ81+0.5％RE合金，AZ81+1.5％RE合金和AZ81+2.5％RE合金。采用自制的试验装置对其进行压入蠕变试验，通过建立稳态压入蠕变本构方程分析合金蠕变时的行为特点，利用X射线衍射和扫描电子显微镜等设备观察蠕变前后组织和成分的变化，探讨合金在试验条件下的蠕变机制。结果表明：
　　 (1)在温度为120～180℃，应力为125～175MPa的试验条件下，AZ81合金、AZ81+0.5％RE合金，AZ81+1.5％RE合金和AZ81+2.5％RE合金在稳态压入蠕变时应力指数n的平均值分别为2.33、2.20、1.98和1.62，蠕变激活能Qc的平均值分别为49.0kJ/mol、52.9kJ/mol、56.0kJ/mol和59.6kJ/mol，材料结构常数A分别为2360、2080、471和130。
　　 (2)AZ81合金的铸态组织为α-Mg和β-Mg17Al12，蠕变后没有新相生成，但是蠕变过程中在晶界处有大量的、粗大的Mg17Al12相非连续析出，导致合金的抗蠕变性能急剧下降。
　　 (3)向AZ81合金中添加富铈稀土后，在凝固时会在晶界析出针状或点状的Al4Ce相，Al4Ce相能阻碍晶粒的生长，起到细化晶粒的作用。AZ81+0.5％RE合金，AZ81+1.5％RE合金和AZ81+2.5％RE合金的铸态组织都是α-Mg、β-Mg17Al12和Al4Ce相。在AZ81+2.5％RE合金中Al4Ce相的形貌比较粗大。
　　 (4)含稀土的AZ81合金进行蠕变试验后没有新相生成。添加稀土的含量越高，AZ81E合金的抗蠕变性能越好。由于Ce元素和Al元素的结合能力较强，在蠕变过程中会生成熔点较高的Al4Ce相，抑制了Mg17Al12相的非连续析出。此外Al4Ce相针扎晶界的能力较强，进一步提高合金的抗蠕变性能。
　　 (5)在本试验设定的温度和应力条件下，AZ81合金和AZ81+0.5％RE合金蠕变时占主导的是晶界滑移机制，此外还存在位错滑移机制但对蠕变的影响作用较小。AZ81+1.5％RE合金和AZ81+2.5％RE合金蠕变时占主导的是晶界滑移机制，此外有扩散蠕变机制伴随晶界滑移出现，但是对蠕变的影响不大。
　　 (6)尽管稀土添加量越高，AZ81合金的抗蠕变性能越好，但是结合合金在常温时的综合力学性能，以及高温时的抗拉强度、屈服强度和韧性，还有经济因素综合考虑，富铈稀土在AZ81合金中的最佳添加量为1.5％。