發(fā)布時(shí)間：2018-07-16 23:25

【摘要】：鎂稀土合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能和生物相容性優(yōu)良,引起國內(nèi)外越來越多的重視,但現(xiàn)有的高強(qiáng)鎂稀土合金大都采用價(jià)格昂貴的重稀土元素作為主要強(qiáng)化元素,大大提高了這類合金的成本。為拓展鎂稀土合金應(yīng)用領(lǐng)域,急需開發(fā)一種低成本高性能的鎂稀土合金。本文提出采用價(jià)格較低的輕稀土元素Nd和Sm聯(lián)合強(qiáng)化鎂合金的新思路,同時(shí)配合少量的Zn和Zr元素進(jìn)一步改善組織。目前,基于混合輕稀土的鎂合金研究尚處于起步階段,Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的微觀組織及力學(xué)性能尚不清楚。因此,本文系統(tǒng)開展了Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金成分優(yōu)化,深入研究了合金在固溶和時(shí)效過程組織演變,考察了正向擠壓聯(lián)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓及其隨后時(shí)效處理對合金組織和力學(xué)性能影響。為優(yōu)化Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金成分,依據(jù)本課題組前期大量的相關(guān)研究工作,在已確定的Sm、Zn、Zr元素的最佳含量的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了稀土元素Nd對Mg-x Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr(0≤x≤2.5)合金鑄態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的組織和性能的影響,揭示了合金的斷裂機(jī)制。結(jié)果表明:鑄態(tài)合金主要由α-Mg晶粒和共晶β相組成,β相主要呈網(wǎng)狀分布在晶界附近。鑄態(tài)合金經(jīng)固溶處理后,β相溶解于α-Mg基體中,形成過飽和固溶體,經(jīng)隨后的時(shí)效處理,在α-Mg的基體中形成大量的GP區(qū)、β′相和β1相,片狀β′相和β1相的慣析面主要為棱柱面。Nd元素可顯著增強(qiáng)析出強(qiáng)化效果,Nd元素含量為2.0 wt.%時(shí),時(shí)效態(tài)合金可獲得較高的強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為154 MPa和261 MPa,延伸率為5.8%。鑄態(tài)合金經(jīng)固溶處理和時(shí)效處理后的拉伸斷裂行為由沿晶斷裂向穿晶斷裂轉(zhuǎn)變。在合金成分優(yōu)化的基礎(chǔ)上,通過調(diào)控固溶溫度和時(shí)間,考察了固溶溫度和時(shí)間對Mg-2.0Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr合金組織和性能的影響。結(jié)果表明:隨著固溶溫度的增加和固溶時(shí)間的延長,合金的晶粒尺寸逐漸增大,β相逐漸減少,強(qiáng)度先升高后降低,當(dāng)固溶溫度高于515℃且固溶時(shí)間超過8 h,β相基本分解。確定了合金的最佳固溶處理工藝為515℃×8 h�；趦�(yōu)化的固溶處理工藝,進(jìn)一步研究了時(shí)效溫度和時(shí)間對Mg-2.0Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr合金組織和性能的影響。結(jié)果表明:隨著時(shí)效溫度的逐漸增加,β′相和β1相的尺寸逐漸增大,當(dāng)時(shí)效溫度過高,析出物的密度明顯降低。合金的強(qiáng)度隨時(shí)效溫度的升高,先升高后降低,延伸率與強(qiáng)度的變化相反。隨著時(shí)效時(shí)間的延長,合金依次經(jīng)歷初始欠時(shí)效、半峰時(shí)效、峰時(shí)效和過時(shí)效階段。欠時(shí)效階段隨時(shí)效時(shí)間的延長β′相和β1相的尺寸和密度逐漸增大,峰時(shí)效階段β′相和β1相的密度最高,過時(shí)效階段β1相顯著粗化且密度降低。首次發(fā)現(xiàn)時(shí)效態(tài)合金中存在基于納米粒子和粗大片狀β1相的棋盤形雙相共構(gòu)析出物。合金經(jīng)190℃×18 h時(shí)效處理后可獲得較高的強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為152 MPa和266 MPa,延伸率為6.1%。為縮短Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的時(shí)效處理時(shí)間,在時(shí)效前對固溶態(tài)合金進(jìn)行冷壓縮預(yù)變形處理。結(jié)果表明:合金的硬度達(dá)到峰值所需時(shí)效時(shí)間僅為10 h,時(shí)效時(shí)間縮短近一半,且硬度峰值更高。發(fā)現(xiàn)預(yù)變形合金存在新型基面析出物βB′相,基于基面析出的βB′相及棱柱面析出的β′相所共同形成的封閉結(jié)構(gòu),可顯著增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)。利用HAADF-STEM等分析測試技術(shù),確定Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的時(shí)效序列為:SSSS→GP區(qū)→β′相→β1相→β相,析出物主要以與基體結(jié)構(gòu)相似度逐步降低的順序析出,析出物與基體的共格關(guān)系和位向關(guān)系隨析出物的轉(zhuǎn)變逐漸減弱。采用正向擠壓聯(lián)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)制備了高性能Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金。結(jié)果表明:隨著Nd元素含量的增加,擠壓態(tài)合金的晶粒尺寸逐漸減小,強(qiáng)度逐漸提高,延伸率逐漸降低。擠壓態(tài)合金經(jīng)190℃×18 h時(shí)效處理后,析出了大量的析出物,且隨著Nd元素含量的增加,析出物數(shù)量逐漸增加,強(qiáng)度逐漸升高,塑性逐漸降低。Nd元素含量達(dá)到2.0 wt.%時(shí)強(qiáng)度較高,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為187 MPa和315 MPa,延伸率為8.5%。綜上,本文設(shè)計(jì)并制備了低成本高性能Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金,系統(tǒng)研究了合金的組織演變和力學(xué)性能。開發(fā)的鑄態(tài)和固溶態(tài)合金具有中等強(qiáng)度和塑性,可廣泛應(yīng)用于汽車、3C等領(lǐng)域;經(jīng)時(shí)效處理的合金具有較高的強(qiáng)度,在航空等輕量化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景;采用正向擠壓聯(lián)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)制備的高強(qiáng)度、高塑性的合金,在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。因此,該研究為擴(kuò)大鎂稀土合金的應(yīng)用,提供學(xué)術(shù)理論依據(jù),具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:The microstructure and mechanical properties of Mg - Nd - Sm - Zn - Zr alloy have been studied in this paper . The properties of 尾 phase and 尾 1 phase of Mg - Nd - Sm - Zn - Zr alloy have been increased gradually with the increase of the content of Nd : Therefore , the research provides academic theoretical basis for expanding the application of magnesium rare earth alloy , and has important application value .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2128024