Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金微觀組織演變及力學(xué)性能研究.pdf

1、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

2、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-xNd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr（0≤x≤2.5）合金鑄態(tài)、固溶態(tài)

3、和時效態(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2.0wt.％時，時效態(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154MPa和2

4、61MPa，延伸率為5.8％。鑄態(tài)合金經(jīng)固溶處理和時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)控固溶溫度和時間，考察了固溶溫度和時間對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℃且固溶時間超過8h，β相基本分解。確定了合金的最佳固溶處理工

5、藝為515℃×8h。
　　基于優(yōu)化的固溶處理工藝，進(jìn)一步研究了時效溫度和時間對Mg-2.0Nd-2.0Sm-0.4Zn-0.4Zr合金組織和性能的影響。結(jié)果表明:隨著時效溫度的逐漸增加，β'相和β1相的尺寸逐漸增大，當(dāng)時效溫度過高，析出物的密度明顯降低。合金的強(qiáng)度隨時效溫度的升高，先升高后降低，延伸率與強(qiáng)度的變化相反。隨著時效時間的延長，合金依次經(jīng)歷初始欠時效、半峰時效、峰時效和過時效階段。欠時效階段隨時效時間的延長β'相和β1相

6、的尺寸和密度逐漸增大，峰時效階段β'相和β1相的密度最高，過時效階段β1相顯著粗化且密度降低。首次發(fā)現(xiàn)時效態(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℃×18h時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266MPa，延伸率為6.1％。
　　為縮短Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金的時效處理時間，在時效前對固溶態(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)到峰值所需時效時間

7、僅為10h，時效時間縮短近一半，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

8、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℃×18h時效處理后，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2.0wt.％時強(qiáng)度較高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為187MPa和315MPa，延伸率為8.5％。
　　綜上，本文設(shè)計并制備了低