【摘要】：鎂合金由于具有較高的比強度、比剛度以及良好的綜合性能,作為輕量化的結(jié)構(gòu)材料正成為汽車、航空、軍工等領(lǐng)域的焦點。但塑性和室溫強度欠佳,極大地阻礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用。稀土元素合金化是鎂合金改性最常用的方法之一。本課題基于ZK60鎂合金,通過添加微量重稀土元素Yb進行合金改性,力爭獲得綜合力學(xué)性能和可成形性能的全面提升。針對Yb和Zr元素偏析嚴重,合金性能波動的難題,系統(tǒng)研究了均勻化熱處理工藝參數(shù)對試驗合金微觀組織和力學(xué)性能的影響,探索得到了具有較高工藝穩(wěn)定性的熱處理方案。隨后基于高質(zhì)量均勻化錠坯開展熱模擬實驗,構(gòu)建試驗合金高溫本構(gòu)模型和熱加工圖,首次發(fā)現(xiàn)“低溫高應(yīng)變速率”這一 ZK系鎂合金獨特的安全可加工參數(shù)區(qū)域。進一步解析合金高溫熱變形特征,分析動態(tài)再結(jié)晶行為并建立試驗合金再結(jié)晶模型,獲得了動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變和峰值應(yīng)力等特征參量。最后,依據(jù)熱加工圖和高溫變形特征設(shè)計等溫擠壓試驗,驗證材料的最佳熱加工區(qū)域,并對比分析最優(yōu)熱變形條件下擠壓態(tài)合金的綜合力學(xué)性能。本文的研究內(nèi)容如下:對Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb鑄態(tài)合金進行均勻化處理,解析均勻化過程微觀組織演變特征,獲得較優(yōu)的均勻化熱處理制度。研究發(fā)現(xiàn),鑄態(tài)合金組織中呈現(xiàn)出典型的枝晶偏析,未溶解的Zr單質(zhì)聚集在晶粒內(nèi)部,新生成的MgxZn5Yb三元金屬間化合物主要分布在晶界處。經(jīng)過380℃C×12h的均勻化處理后,殘留相面積百分數(shù)從5.54%下降到0.59%,達到最大顯微硬度67.81 HV,枝晶偏析消失,連續(xù)的網(wǎng)狀殘留相基本回溶于基體中,含Yb的三元相以完整的小顆粒形態(tài)保留在組織結(jié)構(gòu)中,此時內(nèi)部組織為均勻的等軸晶粒,平均晶粒尺寸為31.46μm。結(jié)合微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的綜合對比,確定該合金的最佳均勻化熱處理參數(shù)為退火時間380 ℃和保溫時間12 h。對均勻化處理后的Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb合金進行等溫熱壓縮實驗。實驗變形溫度為250-400℃,應(yīng)變速率為0.001-1 s-1。通過繪制真應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn),峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨熱加工溫度的減小或應(yīng)變速率的增大而增加,說明低溫或高應(yīng)變速率都不利于動態(tài)再結(jié)晶的產(chǎn)生。依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合得到合金高溫本構(gòu)方程為:(?)= 3.328 × 1011[sinh(0.018σ)]3.670exp(-158495/RT)基于動態(tài)材料理論繪制熱加工圖發(fā)現(xiàn),Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb合金的失穩(wěn)區(qū)域主要發(fā)生在應(yīng)變速率0.01-1 s-1溫度300 ℃以下的低溫區(qū)域和應(yīng)變速率0.1-1 s-1溫度380 ℃以上的高溫區(qū)域。結(jié)合熱加工圖和微觀組織狀態(tài)確定熱加工較優(yōu)的參數(shù)范圍為:(1)T=290-340℃,ε=0.1-1s-1;(2)T=330-400℃,ε=0.001-0.1s-1�；跓崮M實驗變形特征的分析發(fā)現(xiàn),變形溫度相對應(yīng)變速率對動態(tài)再結(jié)晶的影響更為顯著。在熱加工過程中,再結(jié)晶的平均尺寸隨溫度的升高或應(yīng)變速率的降低呈增大的趨勢。對合金動態(tài)再結(jié)晶形成機制的解析發(fā)現(xiàn),在290-340 ℃℃,0.1-1s-1的可加工范圍內(nèi),合金以孿生誘發(fā)的動態(tài)再結(jié)晶為主,而在330-400℃℃,0.001-0.1 s-1的可加工范圍內(nèi),連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶機制占主導(dǎo)。最后確定了不同變形條件下合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件。依據(jù)熱加工圖的理論預(yù)測,進一步開展等溫熱擠壓試驗對最佳熱加工參數(shù)區(qū)域進行驗證。試驗發(fā)現(xiàn),擠壓后大量MgxZn5Yb三元相彌散分布于晶界處,該高溫穩(wěn)定相在熱擠壓過程中可有效抑制再結(jié)晶晶粒長大,促使晶粒細化。擠壓態(tài)合金晶粒均勻細小,330 ℃和380℃擠壓態(tài)試樣的平均晶粒尺寸分別為7.34 μm和13.82μm。對比試樣鑄態(tài)、均勻態(tài)和兩個擠壓態(tài)的室溫拉伸性能發(fā)現(xiàn),抗拉強度分別為184、246、301和303 MPa,延伸率分別為6.4、10.3、20.2和19.6%。試驗合金在獲得了較優(yōu)熱加工性能的同時綜合力學(xué)性能有效提升。試驗結(jié)果與熱加工圖的預(yù)測一致。
【圖文】：

圖 1-1 ZK60-RE 的熱變形可加工區(qū)域圖Figure 1-1 The hot workability region of ZK60-RE種重稀土元素，共晶溫度為 773 K，在鎂中的最大溶合金中有效固溶強化的元素之一[57]。近年來，由于 的機械性能，因此 Yb 被認為是最有希望用于合金[58-60]提出稀土 Yb 可以有效細化鎂合金組織，且合明顯的提高，并提出在凝固過程中的晶界處存在一元相在擠壓的過程中被破壞成具有高密度和均勻性著擠壓方向呈現(xiàn)在基體中，這是導(dǎo)致拉伸和屈服強ov 等人[61]研究了 Mg-3.3Yb 合金在 150-225°C 時效效后機械性能與微觀組織演變之間的關(guān)系。Xu 等元素對 Mg-5.5Zn-0.6Zr 合金顯微組織和拉伸性能的加劑可以明顯改善樹枝狀結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)性能。然網(wǎng)狀形態(tài)的共晶相，，Nd 和 Yb 的組合添加對晶粒Zhang 等人[63]提出 ZK10 合金中加入微量 Yb 可以

圖 2-2 箱式電阻爐Figure 2-2 Box-type resistance furnace熱處理實驗是采用實驗室型號為 SR×2-12-12 的箱溫度誤差為 2 oC，如圖 2-2 所示。對 Mg-5.8Zn-析(DSC)，得到殘留相的共晶溫度，詳見圖 3-3(b含有 Yb 的沉淀化合物，揭示新的 Mg-Zn-Yb 三元，均勻化退火溫度應(yīng)高于 Mg-Zn 二元相的共晶溫析相的影響，依據(jù)此確定均勻化處理可行的溫度區(qū)進行機加工，車除外皮，切割為 Φ12 mm×10 mm設(shè)置均勻化退火溫度為 340、360、380、400、420量值；在選定最佳退火溫度之后，設(shè)置保溫時間分，每隔 4 h 取一個變量值，確定最佳保溫時間；試樣，以保留高溫微觀組織。通過不同均勻化參數(shù)下合粒尺寸、殘余共晶相的形貌和分布狀態(tài)、殘余共晶氏硬度等指標，綜合評價均勻化效果來確定最佳退
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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本文編號：2669316