【摘要】：鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一,以比強度高、比剛度高等優(yōu)點在汽車制造和航空航天等領(lǐng)域具有重要的應用價值和巨大的應用潛力。鎂合金被譽為“21世紀綠色工程材料”,鎂合金應用于輕量化與節(jié)能減排等領(lǐng)域,具有極大的社會價值和經(jīng)濟效益。然而,鎂合金較低的絕對強度極大地限制了其廣泛應用。因此,開發(fā)高強度鎂合金對于推廣鎂合金及其產(chǎn)品的應用具有重大理論指導價值和工程意義。Mg-Gd系鎂合金是最具有潛力的高強度鎂合金開發(fā)體系之一。學者們針對高強度Mg-Gd系鎂合金開發(fā)進行了大量的工作,研究內(nèi)容涉及時效行為、再結(jié)晶組織等多個方面,但所做工作缺乏系統(tǒng)性,且工藝和強度仍無法同時滿足工業(yè)化需求。本論文同樣選擇Mg-Gd系合金作為研究對象,力圖在前人工作的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)性地從合金元素、擠壓工藝、熱處理工藝綜合調(diào)控Mg-Gd系合金組織和性能。本論文共七章,第一章講述鎂合金的部分性能及研究現(xiàn)狀,第二章為本論文工作的實驗設(shè)計與方法。第三到第六章為本論文主要研究內(nèi)容,其中第三章研究微合金化元素Zn、Zr、Mn對鑄造Mg-Gd(-Zn)合金組織和性能的影響;第四章研究Zr和Mn對變形Mg-Gd-Zn合金組織和性能的影響,兩章共同以確定高強度鎂合金成分組成。第五章研究擠壓溫度對合金組織和性能的影響,以確定最合適的高強度合金組織;第六章展示擠壓后熱處理(即應變時效)影響。結(jié)合成分、擠壓工藝和應變時效,綜合開發(fā)出超高強度鎂合金。第七章為主要結(jié)論和創(chuàng)新點本論文從成分、工藝和組織三個方面著手,研究了鎂合金中復合析出相、微合金化調(diào)控再結(jié)晶行為、復合晶粒組織、新型應變時效方式的強化效果與機理。在此基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮細晶強化、織構(gòu)強化、LPSO結(jié)構(gòu)強化、析出強化和加工硬化作用,開發(fā)出了超高強度(拉伸屈服強度500 MPa,抗拉強度550 MPa)變形鎂合金。并對復合析出強化、雙峰組織強化和應變時效強化等強化機理進行了深入研究,為開發(fā)高強度鎂合金開提供了理論和實驗指導。本論文主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1.系統(tǒng)研究了添加Zn元素對鑄造Mg-15Gd-0.4Zr(wt.%)合金的晶粒尺寸、析出相種類、時效行為和力學性能的影響。研究結(jié)果表明,Mg-Gd-Zr合金中添加Zn會降低Gd在Mg中的共晶溫度與平衡固溶度,造成共晶相難以溶解,殘余共晶相會抑制固溶過程中晶粒長大。更重要的是,Mg-Gd-Zr合金中添加Zn會引入基面γ′相。位相關(guān)系互相垂直的基面γ′相和棱柱面β′相比單獨的β′相能產(chǎn)生更顯著的析出強化效果,可以有效強化晶體內(nèi)部。復合析出強化效應使鑄造Mg-Gd-Zn-Zr合金表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學性能:抗拉強度為403 MPa,拉伸屈服強度為288 MPa,延伸率為2.9%。2.系統(tǒng)研究了Zr和Mn元素對鑄造Mg-15Gd-1Zn(wt.%)合金中相組成的影響。研究結(jié)果表明:Zr會通過形成Zn-Zr相消耗了部分Zn原子,從而抑制了晶界上具有LPSO結(jié)構(gòu)的X相與晶內(nèi)LPSO結(jié)構(gòu)的形成;相反地,添加Mn會促進晶界上X相與晶內(nèi)LPSO結(jié)構(gòu)的形成,同時,將硬脆的(Mg,Zn)3Gd相轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性的X相可以提高合金的延伸率與抗拉強度。3.系統(tǒng)研究了Zr、Y和Mn元素對變形Mg-Gd-Zn系合金再結(jié)晶行為的影響。研究結(jié)果表明:在Mg-Gd-Zn系合金中添加Zr可以通過引入Zn-Zr顆粒與Mg(Zn,Zr)顆粒釘扎晶界從而抑制熱擠壓中的再結(jié)晶晶粒的長大。在Mg-Gd-Zn系合金中分別添加Y和Mn可以通過促進晶內(nèi)LPSO結(jié)構(gòu)的形成來抑制合金再結(jié)晶,并促進不完全再結(jié)晶的雙峰組織的形成。4.系統(tǒng)研究了差溫擠壓相較于等溫擠壓對Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr(wt.%)合金顯微組織和室溫力學性能的影響。研究結(jié)果表明:變形后,差溫擠壓比等溫擠壓可提供更快的冷卻速度,從而形成較細小的再結(jié)晶晶粒。差溫擠壓前更高的預熱溫度減少了合金在預熱過程的析出,這為擠壓后時效提供了更強的析出強化效果。兩者的綜合效果使差溫擠壓合金具有比等溫擠壓合金更高的強度和塑性。5.系統(tǒng)研究了雙峰組織和等軸晶組織對合金強度和屈服不對稱性等力學性能的影響。研究結(jié)果表明:雙峰組織可以顯著提升合金的拉伸強度,強化原因在于未再結(jié)晶晶粒的織構(gòu)強化與再結(jié)晶晶粒的細晶強化作用。同時,當應變量較小時,雙峰組織中細小再結(jié)晶晶粒抑制孿生,從而降低合金的屈服不對稱性。雙峰組織樣品表現(xiàn)出很高的拉伸屈服強度(465 MPa),抗拉強度(524 MPa)和極低的屈服不對稱性(0.99)。相反,等軸晶組織不利于拉伸性能的提升和屈服不對稱性的降低,但卻能顯著提升抗壓強度,其原因是其織構(gòu)類型利于拉伸中拉伸孿晶形成而不利于壓縮時拉伸孿晶的形成。時效后,等軸晶組織的樣品表現(xiàn)出較高的壓縮屈服強度(500 MPa)、抗壓強度(520 MPa)和較高的屈服不對稱性(1.39)。6.系統(tǒng)研究了應變時效對Mg-13Gd-1Y-1Zn-0.4Zr/Mn(wt.%)合金析出行為以及力學性能的影響。研究結(jié)果表明:相對常規(guī)時效而言,應變時效可使樣品獲得更強的時效強化效果。此外,應變時效方式對析出強化能力也有顯著影響。相較僅冷軋制的應變時效,采用冷軋制復合預拉伸的應變時效產(chǎn)生了更強的加工硬化效果,顯著增加合金的屈服強度。最終,開發(fā)出了具有超高室溫拉伸屈服強度(543MPa)和抗拉強度(564 MPa)的變形Mg-13Gd-1Y-1Zn-0.4Mn(wt.%)合金。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22
【圖文】：

圖 1-1 汽車上鎂合金部件ure 1-1 Some automotive components made of Mg 域，鎂合金應用在飛機、飛船和衛(wèi)星等重器的機動性能。同時，良好的減震能力使導率使在太空環(huán)境中應用的電子設(shè)備能避

制備薄壁件和形狀復雜的零件，對 3C 產(chǎn)品向著高度集成化、輕薄化和微型向發(fā)展十分有利。Microsoft 公司最新發(fā)布的 Surface Pro 4 平板電腦使用了一體化機殼[25]。著名相機制造商 Nikon 和 Cannon 使用了鎂合金制造高端機身，例如 Nikon 最新的高端機型 Nikon D5[26]（圖 1-2）。

本文編號：2715285