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Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理工艺研究

作 者: 张家振
导 师: 李德富
学 校: 北京有色金属研究总院
专 业: 材料加工工程
关键词: Mg-Gd-Y-Zr合金 预变形 时效 力学性能 孪晶 位错
分类号: TG166.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
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内容摘要


镁合金是目前最轻的常规金属结构材料,且具有高的阻尼系数和良好的电磁屏蔽性能,在汽车、电子通讯、航空领域中具有巨大的应用潜力。但由于强度较低,镁合金的应用还不广泛。Mg-Gd-Y-Zr合金是近年来研制的一种新型镁合金,具有显著的时效硬化特征。本试验拟通过形变热处理手段来进一步提高合金的力学性能。本文以Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金为研究对象,采用光学显微镜(OM)、带能谱(EDAX)扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段,通过室温预拉伸和时效试验,研究了经形变热处理后Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织、沉淀相形态和晶体学特征,以及形变热处理工艺参数对合金力学性能的影响。论文对试验合金铸态显微组织及其均匀化工艺进行了研究,铸态合金由α-Mg固溶体和分布在晶界富稀土离异共晶相组成,经过510℃/8h均匀化处理后,晶间的偏析相基本溶解,晶粒尺寸较铸态有所增加;合金在400℃挤压,发生完全再结晶,晶粒得到明显细化,尺寸为20gm左右;经测试,挤压态合金力学性能比铸造状态得到显著提高,抗拉强度比铸态提高了30%、断后延伸率由铸态时的3%提高到26%。将挤压态试验合金在190℃、220℃、250℃温度下时效,时效硬化曲线显示:合金在220℃时效,其硬化效果最佳,经18h时效,其硬度值达到105HV。经测试,合金抗拉强度和屈服强度分别达到335MPa和225MPa,较挤压态合金分别提高了14%和21%,但塑性有所下降,65降低至16%。为了确定试验合金的形变热处理工艺参数,本试验先对挤压态试验合金在拉伸试验机上分别施以4%、8%、12%不同预变形量,接着在220℃不同时长下进行人工时效,最后测试其峰时效状态的力学性能,确定最佳预变形量、时效温度和时间。挤压态试验合金经预变形后,合金屈服强度得到显著提高,当合金预变形量为12%时,其屈服强度的达到305MPa,最大增幅达119MPa,较挤压态合金增长64%;延伸率随着变形量增加呈下降趋势,由挤压态合金的26%降低为12.7%。此外,时效前的预变形加速了试验合金220℃时效析出过程,合金达到时效峰值时间提前2~3h。预变形8%的合金经220℃保温18h进入峰值时效阶段,合金的抗拉强度和屈服强度达到410MPa和365MPa,较常规峰时效合金分别提高20%和60%,延伸率仅下降了3.2%;当预变形量超过8%后,合金下降的趋势尤为明显。经透射电子显微镜(TEM)分析发现:预变形引入大量位错,为后续时效过程中沉淀相的析出提供了扩散通道,在时效的初始阶段沉淀相沿位错线优先析出,并且,随着预变形量的增加,合金在后续时效过程中,析出的沉淀相也更加细小弥散,增强了合金强化效果。合金峰时效阶段的沉淀相是亚稳态的β’(Mg5X,X:Gd+Y),属底心正方结构(bco),它具有凸镜状,分布于镁合金的棱面上,可以有效的防止基面滑移,在合金中起主要的强化作用。β’与基体的位相关系为[001]β//[0001]α,(020)β’//(1010)α,且d(020)β=4d(1010)α’与基体呈1/4共格匹配关系。但是,随着变形量的增大,合金内部位错密度进一步增加,出现位错在品界处塞积,及大量交叉孪晶,合金的延伸率下降,容易造成某些部位应力集中,在拉伸过程中形成裂纹源。TEM研究还发现:预变形使合金内部出现了大量的基面滑移,随着变形量的增大,合金中出现了少量的非基面滑移;预变形还使合金中出现了{1012}型孪晶,滑移和孪生交互作用,从而获得较大的变形;但过大的变形量,会使合金中出现了交叉孪晶,而孪晶交叉处、孪晶与晶界结合处往往是裂纹的发源地。综合考虑强度和塑性的要求,8%预变形和220℃保温18h的形变热处理工艺可以使Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金达到最佳力学性能。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-12
1 绪论  12-29
  1.1 引言  12-13
  1.2 镁及镁合金的特点  13-14
    1.2.1 金属镁的一般特性  13
    1.2.2 镁合金的特点  13-14
  1.3 镁合金的应用  14-16
  1.4 镁合金的晶体结构与变形特点  16-19
    1.4.1 镁的晶体结构  16-17
    1.4.2 镁合金中的滑移  17-19
  1.5 稀土镁合金及其分类  19-24
    1.5.1 稀土镁合金成分设计的理论依据  19-20
    1.5.2 稀土镁合金分类  20-24
  1.6 镁合金的强化机制  24-25
  1.7 形变热处理强化  25-28
  1.8 本论文研究的意义和主要内容  28-29
2 合金制备与试验方法  29-33
  2.1 合金制备  29
  2.2 合金的热处理  29-31
    2.2.1 合金的均匀化  29
    2.2.2 合金的热挤压  29-30
    2.2.3 合金的热处理工艺  30-31
  2.3 合金的组织观察与力学性能测试  31-33
    2.3.1 光学显微分析  31
    2.3.2 微硬度测试  31
    2.3.3 力学性能测试  31
    2.3.4 扫描电镜分析  31-32
    2.3.5 透射电镜分析  32-33
3 Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理工艺研究  33-46
  3.1 Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织研究  33-35
    3.1.1 Mg-Gd-Y-Zr合金铸态组织  33-34
    3.1.2 Mg-Gd-Y-Zr合金均匀化处理、挤压态显微组织  34-35
  3.2 Mg-Gd-Y-Zr合金常规时效热处理  35-39
    3.2.1 Mg-Gd-Y-Zr合金时效温度的确定  35-36
    3.2.2 Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能测试  36
    3.2.3 Mg-Gd-Y-Zr合金峰时效阶段的沉淀相  36-39
  3.3 预变形对Mg-Gd-Y-Zr合金组织与性能的影响  39-41
    3.3.1 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织  39-40
    3.3.2 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能  40-41
  3.4 形变热处理后对Mg-Gd-Y-Zr合金组织与性能的影响  41-45
    3.4.1 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金时效强化  41-42
    3.4.2 形变热处理后Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能  42-43
    3.4.3 合金经形变热处理后拉伸断口形貌分析  43-45
  3.5 本章小结  45-46
4 Mg-Gd-Y-Zr合金形变热处理析出行为及强化机制  46-63
  4.1 引言  46-47
  4.2 预变形后挤压态合金组织特点  47-52
  4.3 预变形后Mg-Gd-Y-Zr合金沉淀相析出行为  52-57
  4.4 分析与讨论  57-62
  4.5 本章小节  62-63
结论  63-64
参考文献  64-69
在学研究成果  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 热处理 > 有色金属及其合金的热处理 > 镁及其合金的热处理
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