Mg-Gd(-Y-Zn)-Zr系合金的蠕變性能與微觀組織研究.pdf

1、鎂合金以其低密度、比強度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，而日益成為生活應(yīng)用和研究重點，如取代交通工具中的部分鋼結(jié)構(gòu)部件，達到減輕自重，從而減少能耗的目的。商業(yè)用鎂合金目前的應(yīng)用主要包括電子產(chǎn)品外殼、汽車儀表盤、座椅支架、方向盤等非承力室溫部件，下一步人們預(yù)期將鎂合金應(yīng)用于汽車的發(fā)動部件及動力傳動系統(tǒng)，如變速箱、發(fā)動機缸體、活塞等高溫部件。這些應(yīng)用要求合金具有優(yōu)良的耐高溫性能，而鎂合金的高溫性能不佳一直是制約著鎂合金應(yīng)用的因素，所以凸顯出開發(fā)

2、耐高溫鎂合金的重要性和急迫性。現(xiàn)在商業(yè)中應(yīng)用的高溫鎂合金主要是WE系列鎂合金（Mg-Y-RE），通過添加稀土元素，增加合金的沉淀強化效果，提高合金室溫及高溫強度。但是WE系列鎂合金維持強度的溫度不超過200°C，而汽車中的發(fā)動機部件往往要求材料的工作溫度要達到300°C甚至以上，因此急需研發(fā)新的耐高溫鎂合金。
　　近年來，以Mg-Gd系為基礎(chǔ)鎂稀土合金成為開發(fā)新型耐高溫鎂合金的關(guān)注熱點，文獻中報道Mg-Gd系合金具有比WE系列更加

3、優(yōu)良的高溫性能（拉伸和抗蠕變性能），而在此基礎(chǔ)上，添加Y元素或/和Zn元素，形成Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Zn、Mg-Gd-Y-Zn等合金，這些合金都較Mg-Gd二元合金有更好的抗蠕變性能。但是，至今為止，關(guān)于Gd、Y、Zn等元素關(guān)于Mg-Gd(-Y-Zn)-Zr系合金的高溫蠕變性能（尤其是250-300°C區(qū)間）的影響規(guī)律與作用機制，以及蠕變過程中的微觀組織演化及其對合金高溫蠕變行為的影響，還沒有系統(tǒng)地研究和報道過。因此，本課題按照

4、稀土元素摩爾濃度固定的原則，設(shè)計了四種合金成分：Mg-2.5Gd-0.1Zr、Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr、Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr和 Mg-2.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr(at.％)，通過高溫拉伸蠕變試驗、背散射電子掃描顯微鏡(BSE)、電子背散射衍射(EBSD)、透射電鏡(TEM)、高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)及相場模擬等技術(shù)手段，系統(tǒng)地研究這些合金的蠕變

5、性能以及表征這些合金蠕變前后的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而揭示Zn、Y、Gd元素對Mg-Gd合金高溫蠕變行為的影響機制，以及合金微觀組織（析出相及晶界無析出帶）在蠕變過程中的演化規(guī)律，以期為今后耐高溫鎂合金的設(shè)計與開發(fā)提供一定的理論指導(dǎo)。
　　在第三章中，通過測試以上四個合金在250°C和300°C下的不同應(yīng)力狀態(tài)的蠕變曲線，以及對比分析了蠕變前后的微觀組織結(jié)構(gòu)變化，系統(tǒng)研究了蠕變性能隨著合金成分的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn) Mg-2.5Gd-1.0Y

6、-1.0Zn-0.1Zr合金始終表現(xiàn)出最好的抗蠕變性能，如250°C/80 MPa條件下所測得的最小蠕變速率為1.7×10-9 s-1，100 MPa條件下的最小蠕變速率為4.5×10-9 s-1，120 MPa條件下的最小蠕變速率為1.3×10-8 s-1，而對比之下，Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr合金的抗蠕變性能最差，即最小蠕變速率值最高。通過比較Mg-2.5Gd-0.1Zr和Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr合金的

7、蠕變性能和組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)添加1.0 at.%的Zn元素會降低合金的抗蠕變性能，可歸因于晶內(nèi)的強化析出相β′相的減少；通過比較Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr和Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr合金，發(fā)現(xiàn)用1.0 at.%的Y元素取代Gd元素可以提高合金的抗蠕變性能，這是因為Y元素的擴散速率比 Gd元素低；通過比較 Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr和Mg-2.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Z

8、r合金，發(fā)現(xiàn)提高Gd元素的含量可以提高合金的抗蠕變性能，因為增大了β′相的密度。
　　在第四章中，以Mg-2.5Gd-0.1Zr合金為代表，重點分析了蠕變過程中晶內(nèi)析出相的晶體結(jié)構(gòu)、形貌以及變體取向的演變規(guī)律，通過對比不同蠕變時間、不同蠕變應(yīng)力、不同蠕變溫度對析出相演變的影響，探討析出相變體在蠕變過程中形成與外加應(yīng)力方向相關(guān)的擇優(yōu)方向生長的物理本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)β′相由蠕變前的三種變體，在蠕變過程中，兩種變體逐漸消失，只剩下一種變體并

9、不斷形核長大，排列成串，這些析出相串大致與外力方向垂直。蠕變時間越長，蠕變應(yīng)力越大，這個現(xiàn)象就越明顯。成串的析出相中交錯排列著β′相和βF′相，而βF′相從未在 Mg-Gd中被報道過，在這章的最后討論了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。
　　在第五章中，系統(tǒng)研究了Mg-2.5Gd-0.1Zr合金蠕變過程中產(chǎn)生的晶界無析出帶現(xiàn)象，并在實驗表征與理論分析基礎(chǔ)提出了鎂合金高溫蠕變晶界無析出帶的位錯流動模型。研究表明，這些無析出帶都分布在與外力方向垂直