【摘要】：輕質(zhì)高強(qiáng)韌鎂合金是航空航天、國防軍工及現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中緊迫的輕量化材料需求之一,對緩解我國資源短缺、能源危機(jī)和環(huán)境污染的意義重大。含長周期堆垛有序相(LPSO相)和沉淀硬化相的Mg-RE-TM是目前性能最好的高強(qiáng)鎂合金體系,其強(qiáng)度在500MPa以上,已基本達(dá)到商用高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度,但延伸率卻普遍偏低(通常在5%以下),無法滿足作為關(guān)鍵承力構(gòu)件的工程應(yīng)用。如何利用有效的強(qiáng)韌化途徑,解決高強(qiáng)鎂合金強(qiáng)度塑性不可兼得的矛盾,已成為一個(gè)亟待解決的科學(xué)難題。如要設(shè)計(jì)出高強(qiáng)高韌Mg-RE-TM鎂合金,則必須澄清該合金的強(qiáng)韌化機(jī)制,掌握強(qiáng)度塑性的變化規(guī)律,為最終的合金設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。針對這一現(xiàn)狀,作者將合金中的起主要強(qiáng)化作用的第二相(LPSO相和沉淀硬化相)完全獨(dú)立出來,設(shè)計(jì)出只含LPSO相和只含沉淀硬化相的合金,然后綜合考慮這兩種相的影響,設(shè)計(jì)出含LPSO相和沉淀相的多相復(fù)合合金,最終揭示合金的強(qiáng)韌化機(jī)制。本文首先研究了Mg-RE單一沉淀硬化相鎂合金的強(qiáng)韌化規(guī)律。結(jié)果表明,在可形成沉淀硬化相的不同RE元素里,Gd和Y元素的時(shí)效效果較好,Y含量在RE總量2.0at.%以上才有時(shí)效效果,而Gd含量在1.6at.%以上則有時(shí)效效果。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的Mg-1.2at.%Gd-1.0at.%Y,抗拉強(qiáng)度400MPa,延伸率超過9%,綜合力學(xué)性能優(yōu)異。然后,研究了Mg-RE-TM單一LPSO相鎂合金的強(qiáng)韌化規(guī)律。通過Zn/Y比設(shè)計(jì)得出該值3/4時(shí)合金力學(xué)性能最為優(yōu)異。在保證Zn/RE不變的基礎(chǔ)上,從鑄態(tài)下形成LPSO相和通過熱處理才能形成LPSO相的兩類合金進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Mg-Ni-Y鎂合金具有最高的抗拉強(qiáng)度,Mg-Zn-Y合金塑性較為優(yōu)異且綜合性能較好。而鑄態(tài)下無LPSO相的Mg-Gd-Zn合金,經(jīng)固溶退火工藝處理后,可以在合金中析出大量的層狀結(jié)構(gòu)14H型LPSO相,其強(qiáng)度較低,塑性較好。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的Mg-Gd-Y-Zn合金力學(xué)性能優(yōu)異,抗拉強(qiáng)度達(dá)到370MPa,延伸率7%。在綜合LPSO相和沉淀相強(qiáng)化效果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出了Mg-Gd-Y-Zn合金,并進(jìn)行Mn微合金化及控制Zn含量,采用固溶退火、擠壓和時(shí)效工藝后合金強(qiáng)度達(dá)到493MPa,延伸率5.5%,綜合性能優(yōu)異。隨后,研究了在LPSO相和沉淀相強(qiáng)化復(fù)合的合金中,改變LPSO相的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分布對合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。采用Ni替換,RE元素調(diào)控,熱處理調(diào)控,微合金化手段調(diào)控LPSO相種類、含量、形態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)LPSO相呈層狀形貌時(shí)可顯著提高合金的強(qiáng)度,而LPSO相呈塊狀形貌則對提升合金的塑性有幫助,且層狀LPSO相越致密越細(xì)小,合金的強(qiáng)度提升越明顯。在此基礎(chǔ)上采用感應(yīng)制得的GWZM3合金經(jīng)540℃×4h爐冷退火后的擠壓態(tài)合金,其抗拉強(qiáng)度400MPa,延伸率12.6%,綜合性能優(yōu)異。再次,研究了在LPSO相和沉淀相強(qiáng)化復(fù)合的合金中,沉淀析出行為對合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,Mg-RE-TM合金時(shí)效后,整體強(qiáng)度均有大幅提升,但塑性下降較為明顯。然而,無論LPSO相的形態(tài)結(jié)構(gòu)怎樣變化,合金的抗拉強(qiáng)度提升情況大致相同,但塑性變化情況則差異明顯。且部分合金在時(shí)效時(shí)出現(xiàn)了時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象,該現(xiàn)象使得合金在峰時(shí)效下塑性下降程度減小,即在一定程度上提高了合金的塑性。最后,基于上述研究,結(jié)合時(shí)效過程中的時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)有時(shí)效平臺(tái)現(xiàn)象的GWZM3合金,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,合金的強(qiáng)度塑性同時(shí)提高的現(xiàn)象,并獲得抗拉強(qiáng)度538MPa,延伸率10%的性能。在此基礎(chǔ)上,從LPSO相與沉淀相的復(fù)合強(qiáng)韌化出發(fā),探討了高強(qiáng)Mg-RE-TM合金的強(qiáng)韌化機(jī)制,認(rèn)為該高強(qiáng)高韌Mg-RE-TM系鎂合金的強(qiáng)韌化機(jī)制,為LPSO相、沉淀相和層錯(cuò)三種結(jié)構(gòu)的疊加,并針對Mg-Gd-Y-Zn系合金總結(jié)出了設(shè)計(jì)高強(qiáng)高韌鎂合金的基本方法,并提出了自己的見解。
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【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2473388