Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金微觀組織演變及力學性能研究.pdf

1、鎂稀土合金因其比強度高、耐腐蝕性能和生物相容性優(yōu)良，引起國內外越來越多的重視，但現(xiàn)有的高強鎂稀土合金大都采用價格昂貴的重稀土元素作為主要強化元素，大大提高了這類合金的成本。為拓展鎂稀土合金應用領域，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)合強化鎂合金的新思路，同時配合少量的Zn和Zr元素進一步改善組織。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)合等通道轉角擠壓及其隨后時效處理對合金組織和力學性能影響。
　　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研究工作，在已確定的Sm、Zn、Zr元素的最佳含量的基礎上，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制。結果表明: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)合金經固溶處理后，β相溶解于α-Mg基體中，形成過飽和固溶體，經隨后的時效處理，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元素可顯著增強析出強化效果，Nd元素含量為2.0wt.％時，時效態(tài)合金可獲得較高的強度，屈服強度和抗拉強度分別為154MPa和2

4、61MPa，延伸率為5.8％。鑄態(tài)合金經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變。
　　在合金成分優(yōu)化的基礎上，通過調控固溶溫度和時間，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，強度先升高后降低，當固溶溫度高于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，當時效溫度過高，析出物的密度明顯降低。合金的強度隨時效溫度的升高，先升高后降低，延伸率與強度的變化相反。隨著時效時間的延長，合金依次經歷初始欠時效、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析出物。合金經190℃×18h時效處理后可獲得較高的強度，屈服強度和抗拉強度分別為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)合金進行冷壓縮預變形處理。結果表明:合金的硬度達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構，可顯著增強時效強化效應。利用HAADF-STEM等分析測試技術，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構相似度逐步降低的順序析出，析出物與基體的共格關系和位向關系隨析出物的轉變逐漸減弱。
　　采用正向擠壓聯(lián)合

8、等通道轉角擠壓技術制備了高性能Mg-Nd-Sm-Zn-Zr合金。結果表明: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，強度逐漸提高，延伸率逐漸降低。擠壓態(tài)合金經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，強度逐漸升高，塑性逐漸降低。Nd元素含量達到2.0wt.％時強度較高，屈服強度和抗拉強度分別為187MPa和315MPa，延伸率為8.5％。
　　綜上，本文設計并制備了低