Mg-Zn-Mn系變形鎂合金強化機理研究.pdf

1、本文研究了Zn、Mn含量對Mg-Zn-Mn系變形鎂合金室溫力學(xué)性能和顯微組織的影響、單級和雙級時效過程中時效析出相的演變和α-Mn析出相的晶體學(xué)特征;采用原位電阻法和硬度法研究了Mg-6wt.％Zn.1Wt.％Mn(ZM61)合金在不同溫度進行單、雙級時效時的相變動力學(xué),得到了Johnson-Mehl-Avrami(JMA)動力學(xué)方程和“溫度-時間-轉(zhuǎn)變量”(TTT)圖;還構(gòu)建了析出強化模型并對ZM61合金單級時效早期的力學(xué)性能演變進行

2、了模擬。
　　 研究Zn含量的影響時發(fā)現(xiàn):①擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能對Zn含量的變化不敏感,隨Zn含量的增加,屈服強度σ0.2和抗拉強度σb的變動幅度均不大,延伸率δ保持在13％左右。T6(單級和雙級)處理后,Zn含量從4％增到6％時,σ0.2和σb均大幅增加且δ沒有顯著降低,當Zn含量從6％增到9％時,σ0.2和σb的增幅不大但δ會顯著降低。雙級時效的強化效果優(yōu)于單級時效但δ更低。擠壓態(tài)ZM61經(jīng)過“固溶+雙級時效”(420℃/2

3、h+90℃/24h+180℃/16h)處理后具有最佳的綜合力學(xué)性能,即:σ0.2=340MPa,σb=366MPa,δ=5％。②Mg-Zn-Mn合金在時效過程中析出兩種類型的析出相:一種是沿基體[001]Mg方向的桿狀相β1',一種是平躺在基體(001)Mg晶面上的盤狀相β2'。ZM61在180℃進行單級時效時,硬度在3.5h接近峰值,峰時效之前主要發(fā)生桿狀相數(shù)量密度的增加和桿的伸長,峰時效時桿狀相的數(shù)量密度達到最大值,過時效階段主要發(fā)

4、生桿狀相的粗化和盤狀相的增多,嚴重粗化的桿狀相常以α-Mn顆粒為異質(zhì)核心。③ZM61在180℃進行雙級時效時,硬度在1h(86HV)就接近峰值,預(yù)時效(90℃/24h)態(tài)組織中彌散分布著直徑約5nm的Guinier-Preston(G.P.)區(qū),前20min的組織中只能觀察到桿狀相而看不到盤狀相,說明G.P.區(qū)只作為桿狀相的異質(zhì)形核核心,過時效階段盤狀相才逐漸增多。④ZM61在230℃進行單、雙級時效時,達到峰時效的時間明顯縮短(單級:

5、2h,雙級:0.5h)。雙級時效7h時,合金雖已發(fā)生過時效,但組織中絕大部分的析出相仍為短桿狀,盤狀相的數(shù)量極少,說明高溫時效和G.P.區(qū)形核的共同作用抑制了盤狀相的析出。⑤單、雙級時效態(tài)組織中,位錯形核導(dǎo)致大量的析出相沿位錯線整齊排列。
　　 研究Mn含量的影響時發(fā)現(xiàn):①均勻化、擠壓和固溶處理時會析出α-Mn相,α-Mn相的截面形狀包括:球狀、平行多邊形和棒狀。②對一個正六邊形α-Mn析出相的晶體學(xué)特征進行研究后發(fā)現(xiàn):六邊形相

6、的六個刻面均屬于{110}α-Mn晶面族。當所有界面均為{110}α-Mn時,α-Mn相的立體形貌為二十面體;α-Mn相與基體之間存在如下位向關(guān)系:(100)Mg～//(-321)Mn;[041]Mg//[111]Mn。③對一個棒狀α-Mn析出相的晶體學(xué)特征進行分析后發(fā)現(xiàn):棒狀相躺在基面上,其長軸沿著基體晶格的最密排方向＜100＞α-Mg。④時效態(tài)組織中,α-Mn相會作為β1'相的異質(zhì)形核核心,對異質(zhì)形核的晶體學(xué)特征進行研究后發(fā)現(xiàn):β1

7、'相與α-Mn相之間存在能夠共格匹配的低指數(shù)晶面,β1'相在α-Mn相上異質(zhì)形核可以形成共格界面,取代之前α-Mn相與基體之間的非共格界面,從而大幅降低體系的界面能。
　　 對ZM61單、雙級時效的等溫相變動力學(xué)進行研究后發(fā)現(xiàn):①原位電阻法表明:對于單級時效,長大階段的n約為1,粗化階段的n約為0.5,說明長大階段的相變機理為β1'桿狀相的伸長,而粗化階段的相變機理為β2'盤狀相的粗化。單級時效的TTT圖表明:在90～250℃范

8、圍內(nèi)沒有出現(xiàn)“鼻子”,說明250℃以下的相變動力學(xué)由Zn在Mg中的擴散速度決定。雙級時效的相變機制與單級時效一致,雙級時效的TTT圖表明:在130～250℃范圍內(nèi)也沒有出現(xiàn)“鼻子”,相變動力學(xué)仍由Zn原子在Mg中的擴散速度控制。②硬度法的研究表明:不同溫度下,單級和雙級時效的n大部分都接近1,說明峰時效之前的相變機制為β1'桿狀相的伸長。單級和雙級時效早期的相變激活能都接近80KJ/mol。TTT圖表明:“鼻子”仍未出現(xiàn),雙級時效大幅度

9、地加快了相變速率。
　　 采用模型法研究ZM61合金單級時效早期的力學(xué)性能演變時發(fā)現(xiàn):①“強化公式2”(假設(shè)析出相在滑移面上隨機分布時推導(dǎo)出的Orowan強化公式)的預(yù)測結(jié)果表明:用JMA方程表達fv時,屈服強度曲線上存在極大值,用均勻形核理論表達fv時,屈服強度在時效早期緩慢增加,接近峰時效時增速加快,不存在極大值點。對屈服強度出現(xiàn)極大值的分析表明:屈服強度由桿狀相的體積分數(shù)和直徑共同決定,體積分數(shù)增加不一定帶來屈服強度的提升

10、,因為桿狀相直徑的增加會迅速地降低屈服強度。②對比“強化公式1”(假設(shè)析出相在滑移面上呈正三角形陣列規(guī)則排列時推導(dǎo)出的Orowan強化公式)和“強化公式2”的預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn):“強化公式1”和“強化公式2”所得出的曲線形態(tài)是一致的,但“強化公式1”對屈服強度的預(yù)測值整體上遠遠大于“強化公式2”的預(yù)測值,這說明:兩種強化公式反映相同的屈服強度演變特征,但桿狀相以三角形陣列規(guī)則排列時帶來的強化效果顯著地優(yōu)于隨機排列的桿狀相帶來的強化效果。然而,