【摘要】：作為一種新型輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料,在倡導節(jié)能減排的時代大背景下,鎂合金被越來越多的應用在汽車、航空航天、電子科技等領(lǐng)域。鎂合金耐熱性能差是限制鎂合金應用的一個重大難題。在鎂合金中添加稀土元素能有效提高鎂合金的耐熱性能。釤(Sm)是一種價格相對低廉的稀土元素,在Mg中的最大溶解度為5.8wt.%,Mg-Sm系合金是稀土鎂合金中研究較少的一個體系。因此本文以Mg-Sm系為前提,設(shè)計并研究了幾種多元Mg-Sm系合金,希望能夠獲取低成本、中高耐熱性能的稀土鎂合金。本文內(nèi)容可以劃分為三個部分:(I)美國研發(fā)的耐熱鎂合金體系中,EZ33(Mg-3.5wt.%RE-3.0wt.%Zn-1wt.%Zr)合金是一種應用成熟的合金。然而該合金中的RE元素是以Nd為主的混合稀土,價格昂貴,在一定程度上限制了該系合金的應用。此外,Zr元素是Mg-RE合金中常用的晶粒細化劑,由于價格昂貴,且利用率低,是限制稀土鎂合金應用的另一個因素。研究表明Al加入Mg-RE合金后能形成Al2RE相,這種相和Mg基體具有較好的共格關(guān)系,并且原子間距錯配度和晶面間距錯配度較低,是合金凝固過程中有效的異質(zhì)形核核心,具有細化晶粒的作用。因此本文用Sm替代EZ33合金中的Nd元素,并用1wt.%Al和0.3wt.%Mn替代原合金體系中的Zr元素,設(shè)計了Mg-4Sm-Al-0.3Mn-x Zn(x=0,1,2,3,4wt.%)合金,并研究了其微觀組織和力學性能。其中鑄態(tài)Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金的力學性能最佳,室溫下拉伸屈服強度為106MPa,只略低于T5態(tài)的EZ33合金(110MPa);擠壓態(tài)合金中,Mg-4Sm-Al-0.3Mn-2Zn合金具有最佳的力學性能,其屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為269MPa,298MPa和16.7%。在本文所研究的Mg-4Sm-Al合金系中發(fā)現(xiàn)了一種奇異的、從未被報道過的Mg-Sm-Al三元相。這種相在鑄態(tài)組織中出現(xiàn),固溶后不但沒有回溶,反而大量析出。這是一種基面析出相,呈長條形,長1~10μm,寬20~50nm。研究結(jié)果表明:(1)這種相含有Mg、Sm、Al三種元素,形成條件是:鎂為主要元素,Al和Sm兩種元素的原子比為1.4~1.9,實際的范圍會略大于這個范圍,但是不會超過0.93~2.8;(2)這種相晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu),其中a=0.556nm,與鎂基體的位向關(guān)系為[01-10]Mg-Sm-Al||[-2110]Mg,(0001)Mg-Sm-Al||(0001)Mg。Mg-Sm-Al三元相在經(jīng)過510°C/8h固溶處理,和200°C/64h時效處理后晶體結(jié)構(gòu)保持不變。在鎂合金中同時添加輕重稀土元素,會對鎂合金產(chǎn)生明顯的強化作用,但是重稀土元素資源儲量低,且價格高,因此本文在Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金中添加1wt.%Gd元素,探討少量重稀土元素添加對合金組織性能的影響,結(jié)果表明1wt.%Gd元素的添加能顯著提高合金的時效硬化效果,并能提高鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金的力學性能。(II)本課題組曾研究了Mg-4Sm-0.5Zr-x Zn(x=0,1,2,3,4)合金,來替代價格昂貴的EZ33合金,研究表明擠壓態(tài)Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金具有最佳的力學性能。本文在此基礎(chǔ)上,在Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金中添加少量的Gd元素(0.5wt.%Gd、1.0 wt.%Gd和1.5wt.%Gd),來探討少量重稀土元素添加對鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金微觀組織和力學性能的影響。實驗結(jié)果表明:(1)Gd的添加可以起到一定的細化晶粒的作用,隨著Gd含量的增加,合金的晶粒尺寸依次為39μm、33μm、29μm;(2)鑄態(tài)Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金力學性能最佳,室溫下屈服強度為176MPa,明顯超過了EZ33合金(110MPa)。(3)擠壓態(tài)Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金具有最佳的室溫力學性能,室溫下屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為255MPa、334MPa、23.2%。選取力學性能最佳的Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金進行熱等溫壓縮實驗,獲取合金的熱變形流變應力應變曲線,并進行本構(gòu)方程計算。求得合金熱變形的本構(gòu)方程為:(?)其中,(?)。(III)本課題組之前設(shè)計研究了稀土總含量接近的兩種合金Mg-4.3Sm-3.6Nd-Zr和Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr。后者在經(jīng)過T6處理(525o C/8h+200o C/16h)后具有良好的耐熱性能,該合金在300o C拉伸時,抗拉強度達到了213MPa,延伸率為8.6%。與同稀土含量的Mg-4.3Sm-3.6Nd-Zr的合金相比,其耐熱性能顯著提高。前期工作中,對于該合金的耐熱機理并未深入研究,因此本文對該合金的耐熱機理進行了系統(tǒng)研究和討論,并對峰值時效態(tài)的Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金的蠕變性能進行了測試和分析。以此耐熱機理為基礎(chǔ),本文設(shè)計了等稀土含量的Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr合金,并對該合金的微觀組織和力學性能進行了研究,以此來驗證這種耐熱機制的普遍適用性。研究表明T6態(tài)Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金中包含三種類型的“析出相”:(i)沿基面析出的γ相(FCC,a=0.72nm);(ii)沿柱面析出的β′相(體心正交結(jié)構(gòu),a=0.642 nm,b=3.334 nm,c=0.521 nm);(iii)沿“錐面”分布的Zn Zr相,Zn Zr相在固溶處理時大量形成,其中一部分不沿鎂基體基面分布,也不沿柱面分布,可以看做是沿鎂基體“錐面”分布的相。這種合金的耐熱機制可以歸納為:不同類型的“析出相”在高溫下能同時抑制合金的基面滑移、柱面滑移和錐面滑移。對T6態(tài)Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金高溫拉伸蠕變行為研究表明溫度和應力都是影響合金蠕變行為的重要因素。在200o C/60MPa條件下,穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1.134E-10s-1,低于T6態(tài)的WE43合金,說明該合金的耐蠕變性能與商用WE43合金相當。在175o C/60-100MPa條件下蠕變時,應力指數(shù)n=2.7,認為該條件下合金的蠕變機制以晶界滑移為主;合金在200-225oC/60-100MPa條件下蠕變時,應力指數(shù)處于3-7之間,該條件下合金的蠕變機制以位錯滑移為主。T6態(tài)Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr合金呈現(xiàn)出良好的高溫力學性能,300o C時,屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為158MPa、191MPa、7.1%,其屈服強度要高于T6態(tài)Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金。微觀組織分析證明T6態(tài)Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr也包含三種位于鎂基體基面、柱面和“錐面”上的“析出相”。說明本文所提出的鎂合金耐熱機制具有一定的適用性,值得進一步研究和推廣。
【圖文】：

圖 1.1 鎂晶胞中的主要晶面和晶向[22]g.1.1 Main crystal surface and crystal orientation in magnesium crystal cell在實際晶體中，，原子并非總是按照理想方式來排列，有時候會出現(xiàn)錯排，在某個位層錯。層錯的形成會導致系統(tǒng)能量增加，單位面積層錯所增加的能量成為層錯能。層不同時相應的層錯能也會存在差異[23]。當溫度低于 498K 時，鎂的主要滑移

圖 1.2 元素周期表中各元素的電負性值[27]Fig.1.2 Electronegativity of each element in the periodic table[27]表 1.3 合金元素對鎂合金的影響Table 1.3 Influence of alloying elements on magnesium alloys
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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本文編號：2694044