Mg-Zn-Gd合金中的納米準晶形成及其改善鎂合金變形能力的作用機制.pdf

1、鎂合金作為一種輕量化材料是目前實際應用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，由于鎂儲量豐富且利于回收，在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)以及國防軍事等領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景。準晶是1984年Shechtman等首先在快速凝固的鋁錳合金里發(fā)現(xiàn)的一種新的第二相物質(zhì)，具有旋轉(zhuǎn)對稱性但不具有平移周期性的新結(jié)構(gòu)，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)而具有許多晶體材料所不具備的優(yōu)異性能。本研究中通過添加不同含量的Zn和Gd合金元素制備出了具有不同準晶含量的Mg-Zn-Gd基原位自生準晶增強鎂

2、合金，對準晶增強鎂合金的組織與性能、納米準晶的形成機制及其強韌化與織構(gòu)隨機化的作用機理等方面進行了系統(tǒng)的研究。
　　為了制備出具有不同準晶含量 Mg-Zn-Gd合金，根據(jù)準晶相近似成分Mg30Zn60Gd10（at.％，Zn/Gd=6），在保證 Zn/Gd原子比不變的情況下設計了三種不同合金成分含量的試驗研究合金，成分分別為：Mg-1.5Zn-0.25Gd，Mg-2.4Zn-0.4Gd以及 Mg-3.6Zn-0.6Gd（at.%）

3、。首先，對三種試驗合金鑄態(tài)試樣及經(jīng)400℃×8小時處理后的試樣（T4態(tài)）進行組織和力學性能表征，研究了準晶相含量對鑄態(tài)及 T4態(tài)合金的組織和力學性能的影響規(guī)律；其次研究了鑄態(tài)合金熱壓縮變形行為并建立了Mg-Zn-Gd準晶增強鎂合金的本構(gòu)方程，并研究了變形過程中的納米準晶相的析出行為及變形過程中的織構(gòu)演變，探討了納米準晶相的形成機制以及納米準晶相的析出與織構(gòu)隨機化之間的關(guān)系，分析了納米準晶織構(gòu)隨機化機理；在此研究基礎之上，再對試驗合金進行

4、了不同工藝下的熱擠壓加工，研究了擠壓工藝對組織和性能以及織構(gòu)的影響，特別是擠壓工藝對擠壓態(tài)合金中納米準晶析出相含量的影響，建立了成分-工藝-納米準晶含量之間的定性關(guān)系，并對納米準晶析出相與鎂基體之間的位向關(guān)系及界面原子匹配進行了精細研究，揭示了納米準晶的強韌化機制；進一步對擠壓態(tài)合金高溫拉伸過程中的組織演變進行系統(tǒng)的透射電鏡觀察與研究，揭示了擠壓態(tài)合金在200℃高溫拉伸過程中具有優(yōu)異塑性的根本原因以及變形過程中準晶相的開裂和與位錯的交互

5、作用情況；最后提出了低溫二次連續(xù)擠壓新工藝，采用該工藝試制了高性能的鎂合金擠壓材料。主要的研究結(jié)論如下：
　　對三種試驗合金的鑄態(tài)及 T4態(tài)組織及性能的研究。證實了鑄態(tài)合金中的第二相主要是準晶相，此外，合金中還含有少量的W相及Mg-Zn相等晶體相，并且隨著合金成分含量的增加合金中的準晶第二相含量逐漸增加，試樣的硬度、強度也逐漸增加但是延伸率逐漸下降。晶界處分布的樹枝狀大尺寸準晶相與基體之間局部存在[1120]Mg∥[2-fold]

6、I-phase，(0001)Mg∥(5-fold)I-phase的位向關(guān)系且界面原子匹配良好。鑄態(tài)試樣經(jīng)過400℃×8小時T4處理后，樹枝狀大尺寸準晶相的形態(tài)基本不變，證明了準晶相具有高的熱穩(wěn)定性，但是均勻化處理后基體內(nèi)析出了一定量的Mg-Zn-Gd晶體第二相。由于樹枝狀準晶相的尺寸較大，在受力變形的過程中容易引起應力集中造成材料過早失效，并沿著準晶相與基體的界面開裂。
　　建立了合金熱壓縮變形本構(gòu)方程，并研究了變形過程中納米準晶

7、相的析出機制及其對變形后織構(gòu)的影響。鑄態(tài)的Mg-1.5Zn-0.25Gd合金試樣在200℃-350℃的溫度范圍內(nèi)以及應變速率在0.001s-1-1s-1范圍內(nèi)變形的條件下的變形本構(gòu)方程為：ε=1.96×109 exp（0.1410053255σ）exp（-22576.189229/T）。鑄態(tài)試樣中存在平行于基面生長的Mg4Zn7相，熱壓縮變形的過程中納米準晶相通過形核與長大的方式析出，可以是在固溶體中均勻形核也可以依附 Mg4Zn7相薄

8、片異質(zhì)形核并長大。Mg4Zn7相與鎂基體及納米準晶相之間的位向關(guān)系如下：[1120]Mg∥[107]Mg4Zn7∥[2-fold]I-phase。隨著擠壓溫度的升高或者應變量的增加都有利于本試驗合金的織構(gòu)弱化。納米準晶相在再結(jié)晶之前就可以在試樣中形核并長大析出，并對隨后的塑性變形過程中再結(jié)晶形核存在影響，從而實現(xiàn)變形織構(gòu)的弱化。
　　獲得了納米準晶相析出工藝調(diào)控手段。（1）采用高合金成分含量的試樣進行較大的應變量的變形。對400℃

9、×8小時T4處理后的試驗合金試樣在250℃進行了擠壓比為6:1和擠壓比25:1的擠壓加工，對擠壓后的組織、性能及織構(gòu)進行了表征。試驗結(jié)果表明合金成分含量和擠壓比的增加都能使得擠壓后的試樣中具有更多的納米準晶析出相，因而能夠得到更優(yōu)異的力學性能和更隨機化的織構(gòu)。當擠壓比為6:1時，由于織構(gòu)隨機化效果不夠明顯，使得織構(gòu)對合金的力學性能影響較大，隨著合金成分含量的增加材料的屈服強度逐漸下降；當擠壓比為25:1時，織構(gòu)得到了弱化，細晶強化和準晶

10、第二相強化占主導地位，所以隨著合金成分含量的增加材料的屈服強度及拉伸—壓縮屈服對稱性均逐漸提高。（2）采用較低的溫度直接對鑄態(tài)試樣進行熱—塑性變形加工。對比分析了擠壓前是否經(jīng)過 T4處理以及擠壓溫度對擠壓后組織和性能的影響關(guān)系。試驗結(jié)果表明：擠壓前不進行T4處理時合金擠壓后形成多形態(tài)組織（multimode microstructure），合金中析出大量的橢球形納米準晶相，合金的強度和塑性均相對于T4處理后的合金來說具有大幅度的提高，而

11、升高擠壓溫度至400℃時擠壓后的合金試樣由于形成的再結(jié)晶等軸晶粒尺寸較為粗大，相對于250℃擠壓后的試樣來說強度下降，延伸率略有上升，織構(gòu)略有下降。通過對擠壓態(tài)試樣進行宏觀織構(gòu)和微觀織構(gòu)分析證實再結(jié)晶可以弱化合金的織構(gòu)，主要是通過ED//[1120]織構(gòu)組份轉(zhuǎn)變?yōu)镋D//[1010]織構(gòu)組分來實現(xiàn)，同時當形成多形態(tài)組織結(jié)構(gòu)的時候，變形晶粒區(qū)由于未發(fā)生再結(jié)晶而存在很強的基面織構(gòu)，再結(jié)晶等軸晶粒區(qū)域具有弱的織構(gòu)并存在細晶強韌化的效果及第二相

12、強化效果，使得合金具有良好的性能。分析了擠壓后試樣在200℃和350℃兩種不同退火溫度下退火處理后的組織、硬度及拉伸性能，結(jié)果顯示擠壓后退火處理過程中可能由于第二相析出較少而時效硬化效果不明顯，但退火會對合金的延伸率的提高具有一定的貢獻，同時鑄態(tài)直接擠壓后的試樣由于組織穩(wěn)定性最差而最容易產(chǎn)生退火時再結(jié)晶晶粒長大，400℃高溫下擠壓后的試樣退火時組織穩(wěn)定性最好。
　　對擠壓后試樣高溫拉伸過程中的組織演變、納米準晶相與基體之間的位相關(guān)

13、系及其與位錯之間的交互作用、納米準晶相中的缺陷產(chǎn)生與擴展行為進行了研究。納米準晶相與基體之間存在特定位向關(guān)系([1120]Mg∥[2-fold]I-phase，(2-fold) I-phase
　　∥(0001)Mg，(5-fold) I-phase∥(0111)Mg)，且納米準晶相和基體之間的界面原子間存在共格關(guān)系。鑄態(tài)試樣中的粗大的準晶相在擠壓過程中會破碎成微米尺度的顆粒相分布于合金基體內(nèi)且準晶相表現(xiàn)為脆性開裂；粗大的準晶相在

14、破碎的過程中主要是沿著2-fold面開裂，但為了協(xié)調(diào)變形也會出現(xiàn)準晶相部分區(qū)域的開裂沿著3-fold和5-fold面；變形過程中位錯可能主要是以攀移的方式繞過微米尺度的準晶體第二相顆粒。在200℃高溫拉伸變形的過程中，隨著應變量的增加，會在合金基體內(nèi)析出5-20nm尺度范圍內(nèi)的彌散分布的納米顆粒相，從能譜成分分析的結(jié)果來看，這些大量析出的納米顆粒第二相為Mg-Zn相。變形的過程中，當應變量比較大時，試樣中的納米準晶相顆粒內(nèi)部也會由于應力

15、的作用產(chǎn)生缺陷，裂紋的擴展沿著二十面體的棱邊進行。試樣中的準晶相在變形應變量很大的時候還可能會轉(zhuǎn)變?yōu)镸gZn3Gd或W和W’等晶體相，形成的W和W’晶體相與基體之間存在如下位向關(guān)系：[001]W’∥[001]W∥[7253]Mg。在200℃高溫拉伸斷裂時試樣中出現(xiàn)了大量非基面滑移位錯，這些非基面滑移的開動使得合金表現(xiàn)出良好的塑性，并且在拉伸至斷裂的試樣中存在由位錯塞積形成的小角度晶界——亞晶界，這些小角度的晶界的形成可能是斷裂的先兆。<