攪拌摩擦加工鎂稀土合金的顯微組織及力學(xué)行為研究

發(fā)布時間：2020-06-23 13:52

【摘要】：鎂稀土合金在保留常規(guī)鎂合金高比強度等優(yōu)勢的同時,又具備了可觀的耐高溫、耐腐蝕等性能,正受到研究者及工業(yè)界日益增加的關(guān)注。作為一種新近發(fā)展起來的大塑性變形工藝,攪拌摩擦加工技術(shù)(Friction Stir Processing,FSP)在不改變材料外形尺寸的情況下,利用高的應(yīng)變及應(yīng)變速率以實現(xiàn)材料的晶粒細(xì)化、顆粒破碎及彌散分布,以及組織的均勻化等過程。盡管已有學(xué)者將FSP技術(shù)應(yīng)用于鎂稀土合金并實現(xiàn)了組織的優(yōu)化及力學(xué)性能的改善,但是FSP中材料的顯微組織及織構(gòu)演化規(guī)律,以及加工過程中稀土元素種類與含量所起的作用尚不明確。因此,探明攪拌摩擦加工過程中鎂合金組織及織構(gòu)演變規(guī)律以及影響因素對于加工工藝選擇、鎂合金組織調(diào)控以及服役壽命延長具有重要意義。本文選擇了輕稀土Mg-Nd-Zn-Zr合金、不同Gd含量重稀土Mg-Gd-Zr合金和Mg-Gd-Zn-Zr合金等共計六種成分的合金作為母材進行攪拌摩擦加工,系統(tǒng)表征了材料加工前后的晶粒結(jié)構(gòu)、相組成與分布以及織構(gòu)特征,并測試了攪拌區(qū)組織的力學(xué)性能。隨后,結(jié)合攪拌區(qū)溫度場討論了工藝參數(shù)、合金成分及相組成對攪拌區(qū)顯微組織演化、織構(gòu)轉(zhuǎn)變及力學(xué)性能的影響。此外,通過攪拌摩擦加工及后續(xù)熱處理的方式對鎂稀土合金組織進行調(diào)控,獲得了具有不同相組成的典型組織。論文具體的研究工作及主要結(jié)論如下:本文首先采用不同工藝參數(shù)加工輕稀土Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr(wt.%)合金(NZ30),測溫結(jié)果顯示,熱輸入的提升擴大了攪拌區(qū)的范圍。各參數(shù)條件下攪拌區(qū)頂層峰值溫度均接近600℃,攪拌區(qū)中心溫度均為520℃。攪拌區(qū)晶界Mg_(12)Nd相溶解,中心組織主要為單相α。攪拌區(qū)橫截面豎直方向織構(gòu)分布隨深度增加由頂層0001_(Mg)||ND方向轉(zhuǎn)向0001_(Mg)||PD方向,材料基面傾向于與攪拌頭外表面平行。FSP后材料的強度和塑性得到顯著提升,過度提升熱輸入量會帶來攪拌區(qū)頂層延伸率的下降。為了進一步研究稀土元素含量的影響,本文隨后選取了重稀土Mg-6 wt.%Gd(G6),Mg-10 wt.%Gd(G10)及Mg-14 wt.%Gd(G14)合金進行攪拌摩擦加工,鑄態(tài)及固溶態(tài)合金母材均獲得了無缺陷的組織。隨著母材Gd含量的上升,攪拌區(qū)組織平均織構(gòu)強度顯著下降。在低Gd含量合金中,隨著熱輸入量的增加,材料織構(gòu)由S型軟織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镻型硬織構(gòu)。相同熱輸入下不同熱處理狀態(tài)材料攪拌區(qū)中間層及底層溫度分布相近,頂層差異較明顯。相對于固溶態(tài)母材,鑄態(tài)合金經(jīng)FSP之后組織晶粒尺寸較小,HAB比例較高,平均織構(gòu)較弱,晶界殘留β相可能是造成這種差異的主要原因。Gd含量影響合金在FSP過程中的再結(jié)晶方式,再結(jié)晶形成的初生晶組織在隨后的遷移過程中發(fā)生晶粒的長大及重定向。局部區(qū)域Gd元素在晶界處較弱的偏聚程度的固溶態(tài)G14攪拌區(qū)異常強織構(gòu)的形成。最后,本文對不同熱處理狀態(tài)的Mg-14Gd-2.5Zn-0.3Z4(wt.%)合金(GZ142)進行FSP以討論第二相的影響。母材經(jīng)FSP之后,晶粒得到細(xì)化,第二相顆粒破碎并彌散分布。母材中的β相枝晶經(jīng)低熱輸入FSP之后變?yōu)榧?xì)小的β-(Mg,Zn)_3Gd相,X相破碎為晶界細(xì)小X相,晶內(nèi)14H-LPSO結(jié)構(gòu)在細(xì)小晶粒內(nèi)得以保留,第二相的種類沒有發(fā)生改變。高熱輸入FSP可以使母材中的X相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪�。在FSP過程中,材料在攪拌頭到達之前即發(fā)生晶粒細(xì)化及第二相破碎,變形組織隨后經(jīng)過“運輸區(qū)”進一步攪拌變形之后沉積在最終位置。不同狀態(tài)GZ142合金經(jīng)攪拌摩擦加工均獲得弱織構(gòu),在Gd含量相對較低的GZ102.5合金中織構(gòu)強度也較弱。大量第二相的存在改變了合金動態(tài)再結(jié)晶的方式,促進了合金在變形過程中的織構(gòu)弱化。TMAZ區(qū)組織觀察表明,鑄態(tài)及LT4態(tài)GZ142合金主要通過CDRX細(xì)化晶粒,HT4態(tài)合金則包括CDRX及GDRX。經(jīng)過攪拌摩擦加工之后,三種狀態(tài)GZ142合金的YS及UTS均得到大幅提升。材料的強化效果主要由晶粒細(xì)化及破碎的第二相提供。細(xì)小的晶界長周期與基體邊界失去了共格關(guān)系,變形協(xié)調(diào)能力減弱。底層試樣在拉伸過程中出現(xiàn)屈服點現(xiàn)象,研究表明該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于晶粒尺寸減小而導(dǎo)致的形變硬化能力的降低。另外,孿晶在細(xì)晶Mg-Gd-Zn合金拉伸變形前期貢獻較少。本文制備了晶內(nèi)層片化細(xì)小單相GZ142合金并表征了其晶粒結(jié)構(gòu)、織構(gòu)分布及力學(xué)性能。結(jié)果表明,攪拌摩擦加工鑄態(tài)GZ142合金攪拌區(qū)在較寬溫度范圍內(nèi)短期退火處理即可僅在晶內(nèi)形成層片狀LPSO結(jié)構(gòu)。長周期類型主要表現(xiàn)為14H-LPSO,組織織構(gòu)較弱。該結(jié)構(gòu)展示出極為優(yōu)秀的室溫塑性,斷裂方式主要以沿晶斷裂為主。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22
【圖文】：

減重率,部件,鎂合金,合金

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文.2 鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用鎂合金誕生至今已有 200 年的歷史，但是其工業(yè)應(yīng)用直到 20 世紀(jì) 80 年開始蓬勃發(fā)展。Mg-Al-Zn 合金是最早被大量使用的鎂合金[31]，隨后為了金的腐蝕性能，Mn 被添加到鎂合金中，Mg-1.5 wt. %Mn 合金也是最早合金[32]。Zr 在 20 世紀(jì) 30 年代被發(fā)現(xiàn)可顯著細(xì)化鎂的晶粒尺寸。隨后，強度含 Zr 鑄造和變形鎂合金得到開發(fā)[31]。出于航空工業(yè)領(lǐng)域?qū)δ透邷剌p需求[33]，Mg-RE 合金被開發(fā)出來，由于 RE 元素的加入，鎂合金的耐高到顯著提高。其中，WE43（Mg-4wt.%Y-3wt.%Nd）和 QE22（Mg-2wt.%t. %Ag）是典型的商用耐熱高強度鎂稀土合金。如前文所述，鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的鑄造性能和、高的比熱容、高的比阻尼容量和優(yōu)良的電磁蔽屏性等優(yōu)點[26, 34]，鎂合被應(yīng)用于汽車、航空航天和 3C 領(lǐng)域。圖 1-2 至圖 1-4 分別給出了近年來在這三個領(lǐng)域的一些應(yīng)用實例。

鎂合金,飛機