Mg–Gd–Y–Zr鑄造鎂合金斷裂失效行為研究.pdf

1、Mg–Gd–Y–Zr系合金是近年來新開發(fā)的一類高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金，在輕量化需求極大的航空航天工業(yè)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用砂型鑄造的方式，這類鑄件熱處理后若采用水冷往往會(huì)變形嚴(yán)重，出現(xiàn)裂紋甚至發(fā)生斷裂。目前對(duì)于Mg–Gd–Y–Zr系合金的研究主要利用重力金屬型鑄造，其固溶或時(shí)效熱處理后采用水冷的方式進(jìn)行，鮮有關(guān)于低壓砂型鑄造和采用空冷熱處理的報(bào)道。航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件可能承受各類型的載荷，如沖擊載荷、

2、循環(huán)載荷等，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及安全性要求，開展針對(duì)基于固溶后空冷熱處理工藝的低壓砂型鑄造Mg–Gd–Y–Zr系合金力學(xué)性能及斷裂失效行為的研究十分必要。
　　本文以基于空冷熱處理的低壓砂型鑄造 Mg–10Gd–3Y–0.5Zr稀土鎂合金為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了在準(zhǔn)靜態(tài)、沖擊、交變等類型載荷下 Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金的力學(xué)性能和裂紋萌生位置及擴(kuò)展路徑，并與基于水冷熱處理的重力金屬型鑄造 Mg–10Gd–3Y–0

3、.5Zr稀土鎂合金進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮到生產(chǎn)中的合金成分波動(dòng)，研究了Gd和Zr元素含量對(duì)合金拉伸及疲勞性能的影響，最后獲得了Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金的平面應(yīng)變斷裂韌度。
　　拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，低壓砂型鑄造和重力金屬型鑄造 Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金鑄態(tài)時(shí)的拉伸力學(xué)性能相近，砂型鑄造合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率分別為147MPa、215MPa和1.2％；金屬型鑄造合金則分別為150MPa、226MPa

4、和1.5%。T6熱處理后，合金的性能顯著提高，砂型鑄造合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到240MPa、358MPa和3.5%；金屬型鑄造合金則分別達(dá)到237MPa、334MPa和1.9%。鑄態(tài)Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金在準(zhǔn)靜態(tài)的拉伸載荷下，其變形機(jī)制主要是位錯(cuò)和孿生，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂。T6熱處理后，變形機(jī)制主要為位錯(cuò)滑移，砂型鑄造合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，金屬型合金則表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂的混合模式。
　　沖擊實(shí)

5、驗(yàn)結(jié)果表明，鑄態(tài)低壓砂型鑄造 Mg–10Gd–3Y–0.5Zr合金的沖擊韌性為16.3 J?cm-2，低于重力金屬型鑄造合金的18.1 J?cm-2。T6熱處理后，合金的沖擊韌性大幅提高，低壓砂型鑄造合金達(dá)到33.6 J?cm-2，重力金屬型鑄造合金則達(dá)到26.4 J?cm-2。在沖擊載荷下，鑄態(tài) Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金的斷口全部為放射區(qū)，未出現(xiàn)纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，其變形機(jī)制主要為位錯(cuò)和孿生，且孿生是非常重要的變形機(jī)制，合

6、金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂。T6態(tài)合金的斷口主要為放射區(qū)，在試樣邊緣區(qū)可以觀察到很小的剪切唇區(qū)，孿生是位錯(cuò)以外的重要變形機(jī)制，低壓砂型鑄造合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，重力金屬型合金表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和沿晶斷裂的混合模式。
　　高周疲勞試驗(yàn)表明，鑄態(tài)時(shí)，低壓砂型鑄造和重力金屬型鑄造Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金的S-N曲線相似，疲勞強(qiáng)度均約為90MPa。T6熱處理后，合金的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命得到提高，砂型鑄造合金疲勞強(qiáng)度提高22.2%，達(dá)到

7、110MPa左右，金屬型鑄造合金的疲勞強(qiáng)度提高11.1%，大約為100MPa。低壓砂型鑄造合金的疲勞裂紋主要萌生于試樣的自由表面，重力金屬型鑄造合金的疲勞裂紋則主要萌生于試樣表面附近的縮松或夾雜處。鑄態(tài)和T6態(tài)合金的疲勞裂紋萌生均與基體的滑移帶開裂有關(guān)，疲勞裂紋均主要以穿晶擴(kuò)展為主。Gd和Zr元素含量均對(duì)Mg–Gd–Y–Zr鎂合金疲勞性能有所影響：Gd含量不顯著影響合金的疲勞強(qiáng)度，但會(huì)影響合金在較高載荷下的疲勞壽命，高Gd含量的合金在較

8、高載荷下的疲勞壽命相對(duì)較高；Zr含量顯著影響合金的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，Zr含量高時(shí)，合金表現(xiàn)出高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。
　　平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)表明，低壓砂型 Mg–10Gd–3Y–0.5Zr鎂合金鑄件不同部位的斷裂韌性有所差異，兩個(gè)部位鑄態(tài)時(shí)的平面應(yīng)變斷裂韌度分別12.3 MPa?m1/2和12.1 MPa?m1/2，T6熱處理后，斷裂韌度分別提高41%和35%，達(dá)到17.3 MPa?m1/2和16.3 MPa?m1/2。重力金