Mg-Sm-GD-Zn-Zr系鎂合金的組織與性能研究.pdf

1、鎂合金中添加稀土元素是最有效的強(qiáng)化元素，開展Mg-RE合金的開發(fā)，提高合金的室溫和高溫力學(xué)性能，有利于鎂合金得到廣泛的應(yīng)用。WE系稀土耐熱鎂合金(Mg-Y-Nd-Zr)由于其優(yōu)良的室溫高溫力學(xué)性能、高溫抗蠕變性能和耐腐蝕性能在航空航天和汽車工業(yè)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。Sm和Gd在鎂中的最大固溶度和析出強(qiáng)化效果分別比同組的Nd和Y大，用Sm和Gd分別替換WE系鎂合金中的Nd和Y元素可能有更優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。本文研究同時(shí)添加元素Sm、Gd

2、和Zn到鎂基體中，開發(fā)出一種新型耐熱鎂合金，研究了熱處理工藝對(duì)新開發(fā)設(shè)計(jì)的Mg-Sm系耐熱鎂合金組織和性能的影響。
　　采用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和電子背散射衍射等分析手段，以及硬度測(cè)試和拉伸試驗(yàn)，研究了不同Zn和Gd含量對(duì)鑄造Mg-3 Sm-xGd(x=0.5，1.5)-yZn(y=0，0.3，0.6)-0.5Zr合金組織與力學(xué)性能的影響，得到優(yōu)化的合金化學(xué)成分:Mg-3 Sm-1.5Gd-0.

3、3Zn-0.5Zr合金。合金鑄態(tài)組織由鎂基體和晶界處共晶相(Mg，Zn)3(Sm，Gd)1組成，(Mg，Zn)3(Sm，Gd)1相為FCC結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為a=0.727nm。合金經(jīng)T6處理后，屈服強(qiáng)度達(dá)到185MPa，抗拉強(qiáng)度為282MPa，延伸率為6.1％。合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能是由于合金中的析出相產(chǎn)生的析出強(qiáng)化效應(yīng)，合金時(shí)效后為在棱柱面析出了片狀的強(qiáng)化相，相的長(zhǎng)軸垂直于基面，能形成對(duì)位錯(cuò)基面滑移的阻礙，依靠析出相與基體的共格強(qiáng)化和

4、Orowan機(jī)制的聯(lián)合作用使合金的強(qiáng)度提高。
　　Mg-3 Sm-1.5Gd-0.3 Zn-0.5Zr合金在200℃的析出序列可描述為:Mgssss→β"(D019)→β'(bct)→β11(fcc)→β(fcc)。
　　β"相（D019超點(diǎn)陣六方結(jié)構(gòu)），晶格常數(shù)a=2aMg=0.64nm，c=cMg=0.52nm，其慣習(xí)面為{1010}，與基體的取向關(guān)系:[(2)110]β"http://[(2)110]α，(01(1)0)β"http://

5、(01(1)0)α;β'相具有底心正交結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=0.64nm，b=2.2nm，c=0.52nm。β'相與基體的取向關(guān)系為:[001]β'‖[0001]α，(020)β'‖(10(1)0)α;β1相為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=0.74nm，它與基體的取向關(guān)系為:(220)β1//(000(2))α((1)(1)1)β1//((2)110)α。平衡相β也是面心立方結(jié)構(gòu)，只是晶格常數(shù)不同，a=2.23nm;在時(shí)效過程中有一種基面沉

6、淀相析出，作者定義為γ相，通過晶體結(jié)構(gòu)分析，γ相為密排六方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.55nm，c=0.52nm，與基體的取向關(guān)系為(1(1)00)γ//(11(2)0)α，[0001]γ//[0001]α。
　　在時(shí)效初期，β"相最先析出，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，β"相減少，β'開始形核并長(zhǎng)大引起合金的硬度值增大并達(dá)到峰值。在過時(shí)效階段，基體中析出平衡相β。
　　Mg-3Sm-1.5Gd-0.3Zn-0.5Zr合金通過熱模擬變形研究，

7、合金在高溫等溫壓縮過程的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型，當(dāng)變形溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的加快，合金的峰值流變應(yīng)力和它對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值均提高;當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，變形溫度的升高能降低峰值流變應(yīng)力。Mg-3Sm-1.5Gd-0.3Zn-0.5Zr合金的材料常數(shù)結(jié)果為:變形激活能Q=246.2987KJ/mol，應(yīng)力指數(shù)n=6.189，應(yīng)力水平參數(shù)為α=0.01309MPa-1，結(jié)構(gòu)因子A=4.486×1016 s-1。 Mg-3Sm-1.5G

8、d-0.3Zn-0.5Zr合金在熱變形條件下流變應(yīng)力σ、應(yīng)變速率（ε）、變形溫度T與參數(shù)Z滿足下面的關(guān)系式:（ε）=4.486×1016[sinh(0.01309σ)]6.189 exp(-246.2987×103/RT)σ=76.4 ln{（Z/4.486×1016）1/6.189+[(Z/4.486×1016)2/6.189+1]1/2}Z=（ε）exp(246.2987×103/RT)
　　Mg-3Sm-1.5Gd-0.3Z

9、n-0.5Zr合金擠壓變形后的組織為完全再結(jié)晶組織，形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸細(xì)小。合金的強(qiáng)度和塑性得到明顯的提高，室溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為225MPa、302MPa和30.8％。擠壓態(tài)合金直接在200℃時(shí)效有較強(qiáng)的時(shí)效硬化現(xiàn)象，峰時(shí)效時(shí)合金中析出了強(qiáng)化相β'，合金的力學(xué)性能有所提高，屈服強(qiáng)度達(dá)到267MPa，比擠壓態(tài)合金提高了18.7％。
　　Mg-3 Sm-1.5Gd-0.3 Zn-0.5Zr合金具有優(yōu)良的耐蝕性能和