Mg--Sm系合金塑性加工过程微观组织与织构演变规律及其对力学性能的影响

摘要

镁合金是最轻的金属结构材料，在汽车、轨道交通、军工等领域具有广泛的应用潜力，但是镁合金低温塑性较差、绝对强度低，这大大限制了其作为结构件的使用。镁-稀土合金具有优良的综合力学性能，是近十年的研究热点之一。稀土元素Sm相对价格便宜，在镁中的固溶度大，有望成为一种重要的合金化元素。但目前尚缺少对变形Mg-Sm系合金的微观组织、织构及力学性能的系统研究报道。为此，论文以Mg-4Sm（wt%，E4）和Mg-4Sm-0.5Mn（wt%，EM40）合金为研究对象，综合利用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等微观分析技术，系统研究了两种合金在固溶、挤压和轧制变形，以及时效和退火过程中微观组织和织构演变规律及其对力学性能的影响。主要研究结果如下：　　①E4和EM40合金的铸态组织主要由α-Mg基体和共晶相Mg41Sm5组成，Mn元素固溶在EM40合金基体中。Mn元素的添加使固溶时效态EM40合金在整个时效阶段的硬度值都高于对应的E4合金。　　②挤压态E4合金包含两种主要的织构组分ED挤压织构和稀土织构。由于Mn元素的添加，挤压态EM40合金的挤压织构被弱化，主要为ED稀土织构，同时合金晶粒更加细小。挤压态E4和EM40合金在200℃时效12h达到峰时效，其时效析出相都为柱面析出相β′，尺寸都在几十纳米左右。　　③E4和EM40合金的时效强化效果明显。时效态E4合金的拉伸屈服强度（TYS）和抗拉强度（UTS）相比挤压态的分别增长了约100MPa，时效态EM40合金的TYS和UTS相比挤压态的分别增长了约43MPa和69MPa。由于Mn元素的添加导致了挤压织构减弱，使得挤压态和时效态EM40合金的强度都低于对应的E4合金，但是EM40合金的各向异性较小，拉伸塑性优于E4合金2~3%。　　④晶体塑性模拟表明，E4合金的柱面析出相对柱面滑移的硬化效果最好，其次是锥面滑移和基面滑移，而对拉伸孪生几乎没有强化效果，这是挤压态E4合金在时效后拉压不对称性增大的主要原因。　　⑤轧制态E4和EM40合金的组织呈现密集的剪切带，且都产生了Mg41Sm5析出相。两种轧制态合金都呈现由基面织构向RD偏移的双峰织构。300℃退火态EM40合金比对应的E4合金再结晶程度低，Mn元素对退火再结晶过程有延缓作用，350℃退火时两种合金都基本完全再结晶。两种合金在300～450℃退火时，晶粒尺寸范围在3~10μm，Mn元素对退火态EM40合金晶粒有细化作用。　　⑥因为Mn元素的添加，所以轧制态或退火态EM40合金的强度都比对应的E4合金提高了约20MPa，轧制态EM40合金的TYS、UTS和延伸率分别为283MPa、311MPa和4%。随着退火温度的增加，两种合金的强度都逐渐下降，塑性增加。350℃和400℃退火态的E4和EM40合金出现了拉伸屈服平台现象。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 镁-稀土合金概况

1.2.1 镁-稀土合金的研究现状

1.2.2 Mg-Sm系合金的研究现状

1.3.1 细晶强化

1.3.2 固溶强化

1.3.3 第二相强化

1.4.1 镁合金中的滑移与孪生

1.4.2 滑移主导变形的应变硬化行为

1.4.3 拉伸孪生主导变形的应变硬化行为

1.5 镁合金再结晶机制

1.6 挤压与轧制工艺

①挤压工艺

②轧制工艺

1.7 论文研究目的、意义与主要内容

2 实验材料及研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验研究方案

2.3 试样制备

①固溶态样品制备

②挤压态及时效态样品制备

③轧制态及退火态样品制备

2.4 显微组织检测方法

①金相实验

②扫描电子显微镜实验

③透射电镜实验

④ X射线衍射仪（XRD）实验

2.5 力学性能测试方法

②拉伸性能测试

②压缩性能测试

2.6 本章小结

3 铸态及固溶态Mg-Sm系合金的显微组织与力学性能

3.1 铸态Mg-Sm系合金的显微组织

3.2 固溶态Mg-Sm系合金的显微组织

3.3 固溶态Mg-Sm系合金的时效硬度

3.4 本章小结

4 挤压态及时效态Mg-Sm系合金的显微组织与力学性能

4.1 挤压态合金的显微组织

4.2 挤压态合金的析出相

4.3 挤压态合金的力学性能分析

4.4 时效态合金的显微组织与析出相

4.5.1 时效态合金的力学性能

4.5.2 孪晶协调变形分析

4.6 Mg-Sm合金塑性行为模拟及分析

4.6.1 粘塑性自洽模型介绍

4.6.2 Mg-Sm合金塑性行为模拟

4.7 本章小结

5 轧制态Mg-Sm系合金的显微组织与力学性能

5.1 轧制态合金的显微组织

5.2.1 退火组织演变

5.2.2 再结晶温度

5.2.3 退火织构演变

5.2.4 退火温度对析出相的影响

5.3.1 轧制态及退火态合金性能分析

5.3.2 拉伸屈服分析

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

附录

A. 学术论文数据集

致谢