mgndznzr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究

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1、上海交通大学博士论文Mg-Nd-Zn-Zr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究摘要镁稀土合金因其优良的力学性能，特别是高温性z日1匕P．引-起国内外越来越多的重视。以Mg—Gd系合金为代表的镁重稀土合金因其具有出众的时效硬化特性和优良的耐热．性能成为研究热门合金；这类合金的室温和高温力学性能虽然良好，但高的稀土含量(>8wt．％)大大的提高了合金的成本，成本的提高势必阻碍合金的应用。稀土元素Nd在镁中的最大固溶度为3．6wt．％，而且在200℃时的固溶度几乎为零(0．08wt．％)，Mg．Nd两元合金即具有明显的时效强化效果，因此以Mg—Nd系合金为基础有望开发出高强度低成

2、本镁稀土合金，我国ZM6和前苏联MLIO合金即是通过在镁中添加富Nd混合稀土和少量zn元素形成的商业镁合金。少量zn元素加入Mg—Nd合金中可以提高合金时效时的峰值硬度和蠕变强度，进一步添加zn元素反而会降低合金的峰值硬度，Zn元素在Mg—Nd合金中的作用机制尚不清楚，因此有必要对Mg．Nd．Zn系合金进行系统深入的研究，以达到优化合金力学性能、揭示合金强化机制的目的。本文主要以Mg—Nd—Zn—Zr铸造合金(zr元素作为晶粒细化剂)为基础，采用电感耦合等离予直读光谱仪OcP)、光学显微镜(oM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分

3、析手段，通过硬度、室温高温拉伸、室温压缩和冲击、蠕变试验，分别研究了不同zn含量和不同Nd含量对铸造Mg-2．75Nd-xZn．Zr(x=O，0．2，0．5，1．0，2．0)和Mg—yNd-0．2Zn-Zr(y=1．25，1．75，2．25，2．75，3．0，3．2S)(wt．％)合金组织与力学性能的影响，得到优化的合金化学成分配比；重点研究了合金中微量zn元素对合金塑性变形机制的影响，优化后铸造合金典型时效态下的析出相、力学行为和强化机制，以及热挤压工艺对合金显微组织和室温力学行为的影响。研究结果表明：当x=O．2，y=3．0wt．％时，铸造Mg—yNd-xZn．Zr合金在

4、铸态、固溶处理态和200℃峰值时效态下具有最佳的室温强度和延伸率配比，为优化的合金成分。该成分铸造和挤压合金最佳的室温屈服强度、抗拉强度与延伸率组合分别为：140MPa．300MPa．11％和314MPa．325MPa．19．3％。微量zn元素(0．2wt．％)可以明显改善Mg．Nd．Zn．Zr合金在铸态、固溶处理态和200℃峰值时效态下合金的塑性并提高合金的抗拉强度。通过对比研究固溶处理态Mg．2．75Nd．Zr(NK．T4)和Mg．2．75Nd．0．2Zn．Zr(NZK．T4)合金室温原位拉伸(加一situtensiletest)过程中试样表面形貌的变化，发现与NK-T4

5、合金相比，NZK．T4合金塑性的提高上海交通大学博士论文很可能是波浪形滑移条纹所对应的塑性变形机制的大量开动引起的。对两种合金5％室温拉伸变形后的显微组织观察表明，除基面滑移外，非基面<口>位错在NK．T4和NZK—T4两种合金中都可以观察到，但NZK—T4合金中非基面位错的密度更大，特别是在晶界附近；此外，在NZK．T4合金中，<口+c>或者位错也可以在某些品粒内大量观察到。所以原位拉伸观察到的大量波浪形滑移条纹很可能是由非基面滑移产生的。Nd元素以溶质原子的形式存在于合金中会促进非基面滑移系(主要为非基面位错)的开动，微量zn元素的加入会进一步促进非基面

6、滑移(包括非基面位错、<口+c>或者位错)的开动，从而明显改善合金的室温塑性，提高合金的抗拉强度。铸造Mg-3．0Nd一0．2Zn—Zr(NZ30K)(wt．％)合金250℃下时效0．5～500h，析出相均为13’亚稳相，随着时效时间的增加，B’亚稳相粗化，析出相密度下降；200"0峰值时效10-14h，析出相在{1100}a和{1120}d棱柱面上均有分布，此时析出相主要为B”亚稳相。铸造合金200℃峰值时效态下具有最佳的室温力学性能。析出相的强化作用占铸造时效态NZ30K合金屈服强度的60％左右；而挤压时效后，细晶和挤压过程中产生的第二相的总体强化作用占到50

7、％以上，析出相强化作用的绝对贡献值与铸造时效态合金相当，但相对值下降到30％左右。挤压态NZ30K合金主要由再结晶晶粒、未完全再结晶组织和热挤压过程中析出的第二相组成，其中再结晶晶粒呈双峰分布，大晶粒尺寸在微米级，小品粒尺寸在亚微米级，未完全再结晶组织的(o001)面平行于挤压方向。挤压态NZ30K合金室温拉伸时表现出明显的韧性断裂特征：出现了明显的屈服降(YieldDrop)干l下屈服平台、拉伸后期产生明显的缩颈、拉伸断口由大量韧窝组成。合金屈服降是由合金拉伸时局部塑性变形引起的，局部塑性变形的产生与