Mg-Zn-Zr-Y合金固溶強化和第二相強化的理論和實驗研究.pdf

1、鎂合金因具有密度小、比強度高以及易回收利用等優(yōu)勢，是汽車、航空等工程應(yīng)用領(lǐng)域中實現(xiàn)輕量化目標的理想替代環(huán)保材料。Mg-Zn-Zr(ZK)系合金是目前應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金之一，Y的添加對ZK系合金的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。合金元素添加進鎂合金中，一般以兩種形式存在，一種是固溶進鎂基體中，使合金產(chǎn)生固溶強化效果，另一種是形成第二相，產(chǎn)生第二相強化效果。關(guān)于固溶強化，目前Y在鎂中的固溶強化行為還存在爭議，因此，有必要對Y的固溶強化機制進行

2、深入研究。Mg-Zn-Zr-Y合金中的第二相種類較多，因此有必要確定合金元素與合金相組成的定量關(guān)系，為第二相強化研究中合金相的設(shè)計提供理論和定量依據(jù)。關(guān)于Mg-Zn-Zr-Y合金的第二相，現(xiàn)有研究表明，長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO)能提高鎂合金的強度和韌性，但是LPSO的形成機理和含LPSO鎂合金的強韌化機理目前還沒有被揭示清楚，因此，有必要對LPSO的形成機理和含LPSO鎂合金的強韌化機理進行研究。
　　 本文采用OM、SEM

3、、TEM、HRTEM、DSC、XRD等實驗手段和相圖計算、第一性原理計算等理論計算方法，研究了合金元素對合金相的影響規(guī)律，重點研究了Y在鎂合金中的固溶強化效率和固溶強化機理、LPSO的形成機理和含LPSO鎂合金的強韌化機理，研究工作對鎂合金中形成LPSO相的元素特點及判據(jù)進行了修正。
　　 首先，通過相圖計算和實驗驗證，對Mg-Zn-Zr-Y合金中合金元素對合金相的影響規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明，Mg-Zn-Zr-Y合金中第二

4、相的形成嚴格依賴于Y/Zn摩爾比，X-相(Mg12YZn)、W-相(Mg3Y2Zn3)和I-相(Mg3YZn6)隨著Y/Zn摩爾比的降低依次析出。與相組成對應(yīng)的摩爾比或摩爾比范圍定量描述如下：當Y/Zn摩爾比約為0.164時，相組成為α-Mg+I；當Y/Zn摩爾比為0.164～0.33時，相組成為α-Mg+I+W；當Y/Zn摩爾比約為0.33時，相組成為α-Mg+W；當Y/Zn摩爾比為0.33～1.32時，相組成為α-Mg+W+X；當Y

5、/Zn摩爾比約為1.32時，相組成為α-Mg+X。
　　 其次，針對Y固溶于鎂中表現(xiàn)出反常的固溶強化行為而與經(jīng)典的彈性交互固溶強化理論產(chǎn)生矛盾這一問題，通過實驗測定Y在Mg中的尺寸錯配度和比較分析Y、Al、Zn在鎂中的固溶強化效率，對Y固溶于鎂合金的固溶強化行為進行研究。研究結(jié)果表明，Y在鎂中的固溶強化行為符合Labusch經(jīng)典理論模型。Y在Mg中的尺寸錯配度約為+27.1％，合金元素Y、Al、Zn固溶強化效率排列為：Y>Zn>

6、Al。揭示了文獻中報導(dǎo)的Y在鎂固溶體中的強化作用與Labusch理論模型發(fā)生矛盾的原因，是由于其尺寸錯配(δ)的估算值與實驗值存在較大誤差，導(dǎo)致固溶強化效率的計算結(jié)果與實驗結(jié)果不一致。
　　 第三，通過SEM、TEM、HRTEM等實驗方法和第一性原理計算方法研究了LPSO的形成機制。研究結(jié)果表明，LPSO的形成與層錯密切相關(guān)，LPSO的形成可以用層錯機制來描述。實驗發(fā)現(xiàn)，金屬模鑄造方式制備的Mg-3.67Y-2.03Zn-0.2

7、6Zr合金，LPSO的析出伴隨著層錯的產(chǎn)生，LPSO和層錯以相同位向在基體中析出，均形成于Mg基體(0001)面，并沿著Mg基體的[0110]方向生長延伸。第一性原理計算表明合金元素Y顯著降低了I2型堆垛層錯能，合金元素Zn的添加微弱增大了Mg基面I2型堆垛層錯能，但是影響不太明顯。形成LPSO的重要原因是由于Y元素能夠顯著降低鎂合金的層錯能。鎂合金中形成LPSO的元素特點及判據(jù)需要考慮合金元素對鎂合金的層錯能影響。對鎂合金中Mg-RE

8、-Zn合金系和Mg-Y-X合金系形成LPSO相的元素特點及判據(jù)修正如下：RE和X能明顯降低鎂合金的層錯能，其化學(xué)錯配代數(shù)和符號為負，絕對值為較大的數(shù)值。
　　 第四，通過對擠壓態(tài)ZK20+3.67Y合金組織的觀察，分析和討論了LPSO相對Mg-Zn-Zr-Y合金強度和塑韌性的影響。研究結(jié)果表明，LPSO具有容納塑性變形從而協(xié)調(diào)變形的能力，對合金韌性的提高具有積極的影響。塊體LPSO相在擠壓變形過程中參與了塑性變形，其變形亞結(jié)構(gòu)隨

9、著變形程度的增大由高密度變形扭折、亞晶逐步向再結(jié)晶演變。LPSO對合金在擠壓過程中的再結(jié)晶行為產(chǎn)生較大影響：一定大小和體積分數(shù)的LPSO對再結(jié)晶具有抑制作用，致使在α-Mg基體內(nèi)，合金發(fā)生加工硬化，對擠壓態(tài)合金的高強度具有積極的影響。另外，含LPSO擠壓態(tài)Mg-Zn-Zr-Y合金因為具有較低的層錯能，對合金的強度和塑性的提高均產(chǎn)生積極的影響。
　　 第五，對含Mg3Y2Zn3(W)相Mg-Zn-Zr-Y合金組織和力學(xué)性能進行了研

10、究。研究結(jié)果表明，W相對擠壓態(tài)合金力學(xué)性能產(chǎn)生有利影響。ZK51合金中添加4 wt。％的合金元素Y，引入大量的三元化合物Mg3Y2Zn3(W相)。W相在熱擠壓過程中碎化，彌散分布于合金內(nèi)，使擠壓態(tài)合金獲得晶粒尺寸約為2-3μm的細晶組織，極大地提高合金的力學(xué)性能。合金在25、150和200℃時的屈服強度分別達到310、250和237 MPa，明顯優(yōu)于WE54等商用耐熱鎂合金的高溫力學(xué)性能。
　　 最后，通過比較含韌性LPSO相和