SiC、Si对Mg-Gd系合金组织与力学性能的影响

摘要

镁合金是工程应用中最轻的结构材料，具有高的比强度和比模量，在航空航天、汽车工业、武器装备等领域具有广阔的应用前景。随着工业技术的发展，对构件性能提出了更高的需求，其中镁合金低的弹性模量严重阻碍了其进一步的发展和应用。本文通过向Mg-Gd系合金中添加高模量的SiCp增强体制备了Mg-Gd-Y-Nd-SiCp复合材料，添加高模量合金化元素Si制备了Mg-Gd-Si-Zn合金，两种材料的弹性模量均有明显提高。本文运用金相显微分析、扫描电镜分析、X射线衍射分析、室温拉伸和第一性原理计算等方法，对材料的组织及性能进行了研究，得出了如下结果:
　　(1)分别采用半固态搅拌铸造法与真空重熔法制备了Mg-5Gd-1Y-1Nd-1.5SiC复合材料并研究了两种制备方法对材料组织与性能的影响。研究发现SiC颗粒会与基体材料中的Gd和Y元素发生反应生成REmSin化合物，虽然REmSin第二相具有一定的强化效果，但反应降低了基体中稀土含量，减弱了稀土的析出强化效果，进而降低材料强度;同时反应还降低了SiC颗粒含量，减弱了SiC增强体对弹性模量的增强效果。搅拌铸造法制备的复合材料由于搅拌过程吸入了大量的气体杂质，降低了材料的力学性能，其挤压-T5态的抗拉强度为249MPa，延伸率为5.3％，弹性模量为51.9GPa;真空重熔法制备的复合材料将搅拌铸造过程中吸附的气体杂质部分排除，其挤压-T5态的抗拉强度为271MPa，延伸率为4.2％，弹性模量为50.2GPa。
　　(2)研究了Si元素对Mg-Gd系合金组织与性能的影响。研究发现Si元素可与Gd元素反应生成Gd5Si3和GdSi2化合物。稀土元素的减少以及Si元素强烈的空位结合能力严重减弱了Mg-Gd-Si-Zn合金的时效强化效果。其中挤压态Mg-10Gd-3Si-1Zn合金抗拉强度为265.7MPa，延伸率为8.6％，弹性模量为50.3GPa; Mg-15Gd-3Si-1Zn合金抗拉强度为297.6MPa，延伸率为5.7％，弹性模量为52.6GPa。与相应的挤压-T5态Mg-xGd合金相比强度相差不大，说明失去析出强化效果的Mg-Gd-Si-Zn合金存在其它的强化机制。
　　(3)运用第一性原理计算了Gd5Si3和GdSi2化合物的热力学与力学性质，证明了Gd5Si3和GdSi2的稳定性。GdSi2第二相粒子的弹性模量E为149.26GPa，Gd5Si3第二相粒子的弹性模量E为121.80GPa，两种粒子均为硬脆相，有利于材料的强度和弹性模量的提高。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 稀土镁合金的研究现状

1．1．1 Mg-Gd系合金

1．1．2 Mg-Y系合金

1．1．3 稀土镁合金的应用

1．2 稀土镁合金的强化机制

1．2．1 固溶强化

1．2．2 析出强化

1．2．3 弥散强化

1．2．4 细晶强化

1．3 弹性模量的影响因素

1．3．1 复合材料增强体

1．3．2 复合材料界面

1．3．2 合金化元素

1．4 弹性模量的测量方法

1．4．1 超声波法

1．4．2 弯曲共振法

1．4．3 拉伸法

1．5 第一性原理概述

1．5．1 三大近似

1．5．2 密度泛函理论

1．5．3 交换-关联泛函

1．5．4 第一性原理计算流程

1．6 本文研究背景及内容

2 实验材料及方法

2．1 实验路线

2．2 材料制备

2．2．1 复合材料的制备

2．2．2 合金材料的制备

2．3 材料热挤压

2．4 材料热处理

2．5 材料组织及性能分析

2．5．1 金相组织观察

2．5．2 扫描电镜观察

2．5．3 X射线衍射分析

2．5．4 硬度测试

2．5．5 力学性能测试

3 Mg-Gd-Y-Nd-SiC复合材料组织及性能研究

3．1 复合材料的制备工艺

3．1．1 搅拌铸造法制备复合材料

3．1．2 真空重熔法制备复合材料

3．2 复合材料的显微组织分析

3．2．1 变形前的显微组织分析

3．2．2 变形后的显微组织分析

3．3 复合材料力学性能测试

3．3．1 峰值时效制度的确定

3．3．2 拉伸力学性能测试

3．3．3 弯曲共振法测弹性模量

3．4 本章小结

4 Mg-Gd-Si-Zn合金的组织及性能研究

4．1 合金材料的制备

4．2 Mg-xGd合金

4．2．1 Mg-xGd合金的显微组织分析

4．2．2 Mg-xGd合金的力学性能测试

4．3 Mg-xGd-3Si-1Zn合金

4．3．1 Mg-xGd-3Si-1Zn合金的显微组织

4．3．2 Mg-xGd-3Si-1Zn合金的力学性能

4．4 Mg-xGd-3Si-2Zn合金

4．4．1 Mg-xGd-3Si-2Zn合金的显微组织

4．4．2 Mg-xGd-3Si-2Zn合金的力学性能

4．5 Gd-Si第二相的第一性原理计算

4．5．1 几何优化

4．5．2 形成热与结合能计算

4．5．3 弹性常数计算

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢