MgZnZrY合金固溶强化和第二相强化的理论和实验研究

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1、————————◇@锈熊擎筒。学僮蹿窕§>_————一l1l＼；Mg—Zn—Zr_Y合金固溶强化和第二相强化的理论和实验研究⑧重庆大学博士学位论文学生姓名：罗素琴指导教师：潘复生教授副指导教师：汤爱涛教授专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二0一一年十月‘■●●㈣幽必ExperimentalandTheoreticalInVestigationofSolidSolutionStrengtheningandSecondPhaseStrengtheninginMg—Zn-Zr-YAlloysAThesisSubmitte

2、dtoChongqingUniVersityinPartialFulnllmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringBvLuoSuqinSuperVisedbyProf．PanFushengAssistantSuperVisedbyProf．TangAitaoSpecial够：MaterialsScienceandEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniVersity，Chongqing，Ch

3、inaOctober．2011{’中文摘要摘要镁合金因具有密度小、比强度高以及易回收利用等优势，是汽车、航空等工程应用领域中实现轻量化目标的理想替代环保材料。Mg—Zn—Zr(zK)系合金是目前应用最广泛的变形镁合金之一，Y的添加对ZK系合金的组织和性能产生很大的影响。合金元素添加进镁合金中，一般以两种形式存在，一种是固溶进镁基体中，使合金产生固溶强化效果，另一种是形成第二相，产生第二相强化效果。关于固溶强化，目前Y在镁中的固溶强化行为还存在争议，因此，有必要对Y的固溶强化机制进行深入研究。Mg—Zn．z卜Y合金中的第二相种类较多，因此有必

4、要确定合金元素与合金相组成的定量关系，为第二相强化研究中合金相的设计提供理论和定量依据。关于Mg—Zn．Zr-Y合金的第二相，现有研究表明，长周期堆垛有序结构(LPSO)能提高镁合金的强度和韧性，但是LPSO的形成机理和含LPSO镁合会的强韧化机理目前还没有被揭示清楚，因此，有必要对LPSO的形成机理和含LPSO镁合会的强韧化机理进行研究。本文采用OM、SEM、TEM、HI订EM、DSC、XRD等实验手段和相图计算、第一性原理计算等理论计算方法，研究了合金元素对合金相的影响规律，重点研究了Y在镁合金中的固溶强化效率和固溶强化机理、LPSO的

5、形成机理和含LPSO镁合金的强韧化机理，研究工作对镁合金中形成LPS0相的元素特点及判据进行了修正。首先，通过相图计算和实验验证，对Mg—Zn—Zr-Y合金中合金元素对合金相的影响规律进行了研究。研究结果表明，Mg—Zn—Zr_Y合金中第二相的形成严格依赖于Y／zn摩尔比，x一相(Mgl2Yzn)、w一相(M93Y2zn3)和I一相(M93YZn6)随着Y／zn摩尔比的降低依次析出。与相组成对应的摩尔比或摩尔比范围定量描述如下：当Y／Zn摩尔比约为O．164时，相组成为0【一Mg+I；当Y／zn摩尔比为0．164～O．33时’卡目组成为0【

6、一Mg+I+w；当Y／zn摩尔比约为0．33时，相组成为O【一Mg+w；当Y／zn摩尔比为O．33～1．32时，相组成为0【一Mg+W+X；当Y／Zn摩尔比约为1．32时，相组成为Cc—Mg+X。其次，针对Y固溶于镁中表现出反常的固溶强化行为而与经典的弹性交互固溶强化理论产生矛盾这一问题，通过实验测定Y在Mg中的尺寸错配度和比较分析Y、A1、zn在镁中的固溶强化效率，对Y固溶于镁合金的固溶强化行为进行研究。研究结果表明，Y在镁中的固溶强化行为符合Labusch经典理论模型。Y在Mg中的尺寸错配度约为+27．1％，合金元素Y、A1、Zn固溶强

7、化效率排列为：Y>zn>A1。揭示了文献中报导的Y在镁固溶体中的强化作用与Labusch理论模型重庆人学博十学位论文发生矛盾的原因，是由于其尺寸错配(d)的估算值与实验值存在较大误差，导致固溶强化效率的计算结果与实验结果不一致。第三，通过SEM、TEM、HRTEM等实验方法和第一性原理计算方法研究了LPso的形成机制。研究结果表明，LPSO的形成与层错密切相关，LPSO的形成可以用层错机制来描述。实验发现，金属模铸造方式制备的Mg一3．67Y-2．03Zn—O．26zr合金，LPSo的析出伴随着层错的产生，LPSO和层错以相同位向在基体中析

8、出，均形成于Mg基体(0001)面，并沿着Mg基体的[0110]方向生长延伸。第一性原理计算表明合金元素Y显著降低了12型堆垛层错能，合金元素Zn的添加微弱增大了Mg基面12型堆