（材料加工工程专业论文）mg6gd3y05zr合金热变形行为研究.pdf

【l 一一 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名： 导师签名：虿盘丝乙日期：世年月丛日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 镁合金低温下塑性差，一般采用热加工变形，该合金层错能低，加工过程中 容易发生动态再结晶。了解该合金的热变形行为，动态再结晶行为及变形前后织 构变化，可为后续得到细晶组织并实现大变形提供参考依据，具有重大意义。 本文采用等温热压缩试验方法，研究了m g 6 g d 3 y - 0 5 z r ( g w 6 3 ) 合金在 变形温度为3 0 0 5 0 0 、应变速率为0 0 0 1 2 s 、真应变为o 2 时的热变形行为。 通过对合金本构行为的研究分析了其流变力学行为；采用光学金相显微( o m ) 、 扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 详细分析了其显微组织；利用x 射线衍 射( x r d ) 测试技术得到了压缩前后织构变化，同时采用e b s d 技术分析了孪 生动态再结晶的微观取向；根据动态再结晶( d i ) 开始发生时的临界条件计算 了不同变形条件下的临界应力和临界应变，并得到了其动力学方程。具体结论如 下： ( 1 )由于合金中的g d 、y 原子半径大，合金中高温耐热富稀土相使 得合金整体压缩流变应力水平和表观激活能值都较大。若取不同的变 形温度范围求解表观激活能值，其结果相差较大。 ( 2 )采用本构方程对合金力学行为进行拟合时发现，指数函数( e 1 ) 拟合其力学行为的精度大于幂函数( p i ) 和双曲正弦函数( s i ) ，即 使对s i 函数中材料常数口进行一定优化处理得到s i o 函数的拟合精 度也与e i 十分接近。合金中高温耐热相使得合金高温下的流变应力 较大是e l 拟合优于p i 和s i 的原因。s i o 方法计算得到合金在变形温 度为3 5 0 - 5 0 0 、应变速率为0 0 0 1 l s 、真应变为0 6 时的表观激活 能为2 5 2 9 3k j m o l ，应力指数n 、应力因子口和常数a 分别为2 1 3 、 0 0 3 3 和e x p ( 3 3 8 9 ) 。随z 参数降低，组织中d r x 体积分数增多，d r x 晶粒大小( 4 ) 与z 参数关系可用三刀d ，= 6 9 9 0 1 6 l n z 表征。 ( 3 )合金热压缩变形过程中受到孪晶、动态再结晶和多系滑移的综合 影响。合金在同一温度下变形，随应变速率减小和变形量增加，动态 再结晶发生越充分；在同一应变速度下，随变形温度升高，动态再结 晶发生越充分，即表明动态再结晶随z 参数降低变得越容易发生。合 金热压缩中的动态再结晶机制主要有孪晶动态再结晶和非连续动态 再结晶。组织内易产生拉伸孪晶，此孪晶易诱发动态再结晶，孪晶中 中南大学硕t 学位论文摘要 的动态再结晶晶粒与孪晶之间取向差大约为3 0 0 。合金在应变 速度为2 s 、真应变在0 2 之间变形时，在4 5 0 5 0 0 变形温度范围 内，孪晶参与了大量的变形；在5 0 0 5 5 0 温度范围内，孪晶对变形 贡献很小。 ( 4 )合金热压缩变形过程中，当z 参数增加时，即变形温度下降和应 变速率增加，基面织构有所增强，柱面织构减弱。 ( 5 )随着变形温度升高和应变速率减小，合金发生动态再结晶时的临 界应力和临界应变均逐渐下降。合金压缩真应变为0 6 时，在应变速 率为o 0 1 s 一、当变形温度从4 0 0 升高到5 0 0 时，动态再结晶发生 的临界应力分别为9 8 2 m p a ，6 4 7 m p a 和3 3 1 m p a ，对应临界应变分 别为0 0 6 5 ，0 0 5 3 和0 0 3 2 ；在变形温度为4 5 0 ，真应变为0 6 时， 在应变速率为0 0 0 1 s 一、0 0 1 s 、0 1 s 以和l s o 时，动态再结晶临界应 力分别为2 9 9 m p a 、6 7 6 m p a 、9 1 0 m p a 和1 11 4 m p a ，对应的临界应 变分别为0 0 3 5 、0 0 5 4 、0 0 6 0 和0 0 7 1 。 ( 6 )合金热压缩后的动态再结晶临界应变与z 参数两者的自然对数 值成唯一线性关系，可根据此方程在已知z 参数的情况下粗略估计各 变形条件下发生动态再结晶时的临界应力和临界应变，方程为 l n s o = 一6 1 8 + 0 1 1 2 7 1 n z 。 ( 7 )根据实验数据求得合金在变形温度为4 5 0 ，变形速率为0 0 1 s o 下，压缩真应变为0 6 时的动态再结晶动力学方程为 局= 1 - e x p 一0 1 3 2 8 ( ( 占一乞) o ) 1 “8 铅】，其中，6 & o 0 5 3 ，e v = o 1 0 2 。 通过此动态再结晶动力学方程计算得到的动态再结晶体积分数和实 际的金相统计结果十分相近，此方程可为实际加工过程提供一定的理 论依据。 关键字：m g 6 g d 一3 y 0 5 z r 合金，热压缩变形，真应力真应变曲线，本构方程，孪晶，动 态再结晶 i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u ma n di t sa l l o yp r e s e n tl o ww o r k a b i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h u st h e d e f o r m a t i o ni s u s u a l l yc a r r i e do u ta th i g ht e m p e r a t u r e ，d u r i n gw h i c hd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ( d r x ) i se a s yt oo c c u rb e c a u s eo fi t sl o wf a u l te n e r g y t h e r e f o r e ，i t i ss i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tt os t u d yt h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r , d r xm e c h a n i s ma n d t h et e x t u r ee v o l u t i o nw h i c hd o m i n a t et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fa l l o yt oo b t a i n t h eh i g hs t r e n g t hw i t ht h em i c r o s t r u c t u r ef u l lo fs m a l ld r x e d g r a i n s i nt h ep a p e r , t h eh o tc o m p r e s s i o nb e h a v i o ro fm g 一6 g d 一3 y - o 5 z r ( g w 6 3 ) i s s t u d i e da tt e m p e r a t u r e so f 3 0 0 - 5 0 0 。c ，s t r a i nr a t e so f o 0 0 1 - 2 s 一，w i t ht h er a n g eo f t h e t r u es t r a i no f0 - 2b yu s i n gg l e e b l e 一15 0 0t e s tm a c h i n e t h ef l o wb e h a v i o rw a ss t u d i e d t h r o u g h t h ea n a l y s i so ft h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) w e r eu s e d t oe x a m i n et h em i c r o s t r u c t u r e s ，a n dt h ex r dt e s tw a su s e dt om e a s u r et h et e x t u r e e v o l u t i o na f t e rt h ed e f o r m a t i o n ，a tt h es a m et i m e ，e l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) w a su s e df o rm i c r o - t e x t u r ea n a l y s i so ft w i n - d r x ；i q a ec r i t i c a ls t r e s sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gs t r a i no fd r x w e r ec a l c u l a t e do nt h eb a s eo ft h ec r i t i c a lc o n d i t i o no f d t l xo c c u r r e n c e ，a n dt h ed y n a m i c se q u a t i o ni so b t a i n e d t h er e s u l t sa r es h o w ni nt h e f o l l o w i n g ： ( 1 )b e c a u s et h er a d i u so ft h ea d d i t i o n so fg da n dye l e m e n t sa r em u c h b i g g e r t h a nm g ，a n dt h e h e a t - r e s i s t i n gp h a s e s t i l le x i s t si nt h e d e f o r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r ea f t e rd e f o r m a t i o n , t h ea l l o yp r e s e n t sb o t h l l i g hl e v e l so ft r u es t r e s sa n da p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y t h ev a l u e so f a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y a r eq u i t ed i f f e r e n tf r o me a c ho t h e ri ft h e d i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o nr a n g e sf o rt h ec a l c u l a t i o na r ec h o s e n ( 2 )w h e nt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o u ri si m i t a t e d b yt h r e ek i n d s o f c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s ，p o w e rl a w ( p i ) ，e x p r e s s i o nl a w ( e i ) a n ds i n e h y p e r b o l i cl a w ( s i ) ，i ti sf o u n dt h a te lf i t st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb e t t e r t h a np ia n ds i a n de v e nt h es i n eh y p e r b o l i cl a ww i t ht h eo p t i m i z a t i o no f m a t e r i a lp a r a m e t e r 口( s i o ) e x h i b i t sac l o s ep r e c i s i o nt oe 1 t h e 1 1 i 中南大学硕上学位论文a b s t r a c t p r e c i p i t a t e dh e a t r e s i s t i n gp h a s ea f t e rc o m p r e s s i o ni st h er e a s o nf o re l b e t t e rf i t t i n gt h a np ia n ds i t h em e a na p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yw a s e s t i m a t e dt ob ea p p r o x i m a t e l y2 5 2 9 3l ! ( j m o l ，a n dt h es t r e s se x p o n e n tn ， s t r e s sm u l t i p l i e r 口，a n dc o n s t a n taw e r ee s t i m a t e dt ob ea p p r o x i m a t e l y 0 0 3 3 ，2 13 ，a n de x p ( 3 3 8 9 ) ，r e s p e c t i v e l y , u s i n gs i oa ts t r a i nr a t e so f 0 0 0 1 1s a n dt e m p e r a t u r e so f3 5 0 。c 5 0 0 。cw i t ht h ef i n a lt r u es t r a i no f 0 6 t h em i c r o s t r u c t u r ei sr e l a t e dt ot h ez p a r a m e t e r ；t h es i z eo fd r x e d g r a i n sd e c r e a s e sa n dt h ev o l u m ef r a c t i o no fd r xi n c r e a s e sw i t ha d e c r e a s ei nt h ez p a r a m e t e r ；t h er e l a t i o n s h i po fs i z eo fd r x e dg r a i na n d z p a r a m e t e rc a l lb ed e s c r i b e da sl n d , = 6 9 9 0 16 l n z ( 3 ) t h ed e f o r m a t i o ni sm a i n l yd e t e r m i n e db yt w i n d r xa n dm u l t i - s l i p a tt h es a m ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，w i t ht h ed e c r e a s eo fs t r a i nr a t ea n d t h ei n c r e a s eo ft r u es t r a i n t h ed e g r e eo fd r xi sh i g h e r ；a tt h es a m es t r a i n r a t e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ed e g r e eo fd r x i s a l s oh i g h i naw o r d d r xo c c u r se a s i e ra tl o wzp a r a m e t e r t h et w i n d r xa n dt h ed i s c o n t i n u o u sd r xa r ef o u n di nt h em i c r o s t r u c t u r ea f i e r d e f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h et e ma n de b s dt e s t sr e s u l t s ，d r xo c c u r s i nt h e 1012 t e n s i l et w i n ，a n dt h em i c r oo r i e n t a t i o nb e t w e e nt h et w i n a n dt h et w i nd r x e dg r a i ni sa b o u t3 0 0 d e f o r m a t i o na ts t r a i nr a t e o f2 s ，、i mt h er a n g eo ft r u es t r a i no f0 2 ，t w i n sm a k eb i gc o n t r i b u t i o n s t ot h ed e f o r m a t i o na tt e m p e r a t u r e so f4 5 0 - 5 0 0 。c ，w h i l eo n l yal i t t l ea t t e m p e r a t u r e so f5 0 0 - 5 5 0 。c ( 4 ) d u n n gd e f o r m a t i o n ，、) r i t ht h ei n c r e a s eo fzp a r a m e t e r , w h i c hm e a n s t h a tt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sa n dt h es t r a i nr a t ei n c r e a s e s ， t h ed e g r e eo fb a s et e x t u r ei n c r e a s e s ，w h i l et h ed e g r e eo fp r i s m a t i ct e x t u r e d e c r e a s e s ( 5 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ed e c r e a s eo f s t r a i nr a t e ，t h ec r i t i c a ls t r e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a ls t r a i nb o t h d e c r e a s e a tas t r a i nr a t eo f0 01s w i t ht h ef i n a ls t r a i no f0 6 ，t h ec r i t i c a l s t r e s s e so fd r xo c c u r r e n c ea r e9 8 2m p a ( 4 0 0 * c ) ，6 4 6 6m p a ( 4 5 0 。c ) a n d3 3 1m p a ( 5 0 0 c ) ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r a i n sa r e 0 0 6 5 ，0 0 5 3a n d0 0 3 2 a t4 5 0 w i t ht h ef i n a ls t r a i no f0 6 ，a tt h es t r a i n i v 中南人学硕上学位论文a b s t r a c t o f0 0 0 1 s ，o o l s ，0 1 s 。1a n dl s t h ec r i t i c a ld r xo c c u r r e n c es t r e s s e s a l e2 9 9 m p a , 6 7 6 m p a , 91 0 m p aa n d111 4 m p a , r e s p e c t i v e l y , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs t r a i n sa l e0 0 3 5 ，o 0 5 4 ，o 0 6 0a n d0 0 7 1 ( 6 ) t h ec r i t i c a ls t r a i no fd r xa f t e rd e f o r m a t i o ni si nl i n e a lr e l a t i o n s h i p o fz p a r a m e t e ri ni n - s c a l e ，t h u st h ec r i t i c a ls t r e s sa n dt h ec r i t i c a ls t r a i no f d r xa td i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sc a nb ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt o t h ee q u a t i o n ，w h i c hi sg i v e na s h l 乞= 一6 18 + 0 112 7 1 n z ( 7 )ad r x d y n a m i ce q u a t i o n w a s o b t a i n e da s 托= l e x p 【一0 1 3 2 8 ( ( 占一乞) o ) 1 0 4 3 酆】，w h e r e 。= o 0 5 3a n d p = o 1 0 2 ， o nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa tt e m p e r a t u r eo f4 5 0 ，a tas t r a i n r a t eo f0 01s w i t ht h ef i n a lt r u es t r a i no f0 6 t h ep r e d i c t e dv o l u m e f r a c t i o no fd r x a c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o ni sv e r yc l o s et ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t ，s ot h ee q u a t i o nc a np r o v i d et h et h e o r yj u d g m e n tf o rt h ep r a c t i c a l d e f o r m a t i o np r o c e s s 鹕。 k e yw o r d s ：m g - 6 g d 3 y 一0 5 z ra l l o y ，h o tc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ， t r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e ，t w i n ，d r x v 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录1 矿i 第一章文献综述1 1 1 稀土镁合金的研究进展及应用状况 l 1 2 镁合金的塑性变形 5 1 2 1 滑移6 1 2 2 孪生7 1 2 3 晶界滑动l l 1 3 镁合金热变形过程中本构模型研究 1 2 1 4 镁合金热变形过程中组织与织构变化 1 3 1 4 1 动态再结晶机理1 3 1 4 2 动态再结晶动力学1 6 1 4 3 织构演变1 6 1 5 本文研究背景、目的和内容 1 8 第二章研究过程及研究方法2 0 2 1 实验方案 2 0 2 2 实验材料的制备 2 l 2 3 热压缩实验 2 l 2 4 组织检测方法2 2 2 4 1 金相显微分析2 2 2 4 2s e m 以及微区成分分析2 2 2 4 3x r d 宏观织构测试技术。2 2 2 4 4t e m 电子显微分析2 2 2 4 5e b s d 微观织构测试技术2 3 第三章合金热压缩本构方程研究2 4 3 1 热压缩前合金微观组织 2 4 3 2 真应力真应变曲线 2 5 3 3 合金高温压缩流变方程参数求解及讨论 2 5 3 3 1 本构方程优化：2 6 3 3 2 结果讨论3 l 3 4 本章小结 3 4 第四章合金热压缩后组织与织构研究3 6 4 1 变形条件对组织的影响 3 6 4 1 1 变形温度的影晌3 6 4 1 2 应变速率的影响3 7 4 1 - 3 变形程度的影响3 8 4 2 变形条件对织构的影响 4 2 v i 目录 4 2 4 4 4 8 4 8 。5l 值比较5 3 5 4 。5 6 5 8 6 6 。6 7 v l i 中南大学硕十学位论文 第一章 度只有1 7 4 9 c m 3 ，与复合材料的密度十分接近，比铝轻3 0 ，是钢的2 5 。另 外，镁的来源丰富，镁元素在地壳中含量排第八，且能通过海水提纯获得。一辆 1 5 2 5 k g 的汽车主要组成包括9 7 5 k g 的钢，1 2 5 k g 的铝，1 1 4 k g 的复合材料和5 - 6 k g 的镁合金【l l 】。据估计，如果每辆汽车能减重2 2 5 k g ，则其能量利用率能提高1 。 自动化机器生产目标就是提高镁的使用量到4 5 1 6 0 k g f l l ，1 2 】。 实际加工过程中，镁合金的塑性加工性能较差，这是由于镁为密排六方结构， 在室温下，可启动的滑移系只有 0 0 0 1 基面滑移，加以锥面孪生协调变形， 没有办法满足5 个独立滑移系的变形要求。但是，当在变形温度高于2 2 5 时变 形加工时，镁中潜在的非基面滑移一棱柱面和锥面滑移等，将通过热激活启动， 同时晶界也开始滑移，合金表现出良好的热加工性能。未来使用的金属材料在重 量和和结构承载与功能一体化方面的要求将越来越严格，对材料室温和高温力学 性能要求也将更高，因此，提高轻质镁合金的高强耐热性能将会是未来金属材料 研究领域的热点。 本章综述中简单介绍了稀土镁合金的研究现状、发展趋势及应用情况，介绍 了镁合金的塑性变形机制，热加工流变力学行为及本构方程模拟，分析了变形组 织发生动态再结晶的机制，明确了本论文的研究目的和内容。 1 1 稀土镁合金的研究进展及应用状况 镁合金中加入稀土元素形成稀土镁合金，强度和耐热性得到提高，合金可以 在1 5 0 2 5 0 下使用较长时间，甚至可以在2 5 0 3 0 0 c 下使用。稀土元素在地壳 中的分布比较广泛，其总量占到地壳的0 0 1 5 3 。稀土元素是门捷列夫元素周期 表第三副族中1 5 个镧系元素，即镧( 5 7 ) 、铈( 5 8 ) 、镨( 5 9 ) 、钕( 6 0 ) 、钷( 6 1 ) 、钐( 6 2 ) 、 铕( 6 3 ) 、钆( 6 4 ) 、铽( 6 5 ) 、镝( 6 6 ) 、钬( 6 7 ) 、铒( 6 8 ) 、铥( 6 9 ) 、镱( 7 0 ) 、镥( 7 1 ) ，再加 中南大学硕，卜学位论文第一章文献综述 上与其电子结构和化学性质相近的钪( 2 1 ) 和钇( 3 9 ) ，共1 7 个元素。根据稀土元素 的物理化学性质、电子层结构以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产 生不同性质的特征，可将稀土类元素分为轻重两组。以钆( 6 4 ) 为界，钆以前的镧 ( 5 7 ) 、铈( 5 8 ) 、错( 5 9 ) 、钕( 6 0 ) 、钷( 6 1 ) 、钐( 6 2 ) 、铕( 6 3 ) 共7 个元素为轻稀土元素； 钆( 6 4 ) 及钆以后的铽( 6 5 ) 、镝( 6 6 ) 、钬( 6 7 ) 、铒( 6 8 ) 、铥( 6 9 ) 、镱( 7 0 ) 、镥( 7 1 ) 和钇 ( 3 9 ) 共9 个元素称为重稀土元素；钪( 2 1 ) 不属于任何组【1 3 】。稀土原子都具有类似 而独特的结构特点，首先，它们原子半径都大，都具有相同的最外层电子结构， 相似的次外层电子结构，倒数第三层4 f 轨道上的电子数在0 1 4 之间变化，其次， 它们都极易失掉三个电子呈3 价离子( 外层两个s 电子和次外层5 d 一个电子或 4 f 层一个电子) ，有些稀土元素也能呈2 价或4 价，具有很高的化学活性，仅次 于碱金属和碱土金属元素，在与o 、s 等元素结合时，结合力较强。在1 7 种稀 土元素中，由钪( 2 1 ) 至l j 钇( 3 9 ) 到镧( 5 7 ) 金属的活泼性递增，由镧( 5 7 ) 至镥( 7 1 ) 则递 减【3 1 。表1 1 列出了镁合金中常用稀土元素的基本物理性质及与镁生成的化合物 相。 。 表1 - 1r e 类元素在m g 中的固溶度及与m g 形成的化合物【3 i 2 常压下，其晶体结构为密排六方，原子堆积次序为a b a b ，晶格常数a = 0 3 6 3 4 n m ， c = 0 5 7 8 1 n m ，密度为7 8 9 5 c m 3 ，熔点为1 31 2 ，沸点为3 0 0 0 【3 1 。g d 在镁中 的固溶度为4 5 3 a t ，比y ( 3 7 5 a t ) 大，且随温度的降低显著下降，g d 与y 与镁的原子尺寸差都为1 2 5 。根据m g g d 相图可知，相图中共有m g s g d 、 m 勖g d 、m 9 2 g d 和m g g d 这四种二元化合物，而m 9 5 g d 离镁固溶体最近，对应 的g d 含量约为5 6 叭( 1 6 5 m ) 【l9 1 。m g g d 合金在室温和高温下都具有很高的 强度，因为它不但具有显著的时效强化效果，而且在2 5 0 下的时效强化相具有 良好的热稳定性【1 9 , 2 3 】。据文献【2 4 ，2 5 1 报道m g g d 二元合金的抗蠕变性能明显优于 中南大学硕l 学位论文 第一章文献综述 q e 2 2 合金，并且具有较低的稳态蠕变速率。 由于g d 的密度较大且比价昂贵，因此后来的合金研究中有用y 代替部分 g d 。y 的原子序数为3 9 ，相对原子质量为8 8 9 1 ，原子体积1 9 8 c m 3 m o l 。在常 温常压下，其晶体结构为密排六方，原子堆积次序为a b a b ，晶格常数 a = o 3 6 4 7 n m ，c = 0 5 7 3 l n m ，密度4 4 6 8 9 9 c m 3 ，熔点1 5 2 2 ，沸点3 3 3 8 c t 引。y 在镁中固溶度随温度的降低而下降，产生固溶强化和析出强化效果，析出相 m 9 2 4 y 5 的热稳定性好1 2 6 j 。 g d 和y 在镁中的都能产生固溶强化和析出强化效果，加入能细化晶粒的z r 后得到的m g g d y - z r 系合金具有较高的耐热强度和延伸率，其高温下力学性能 明显优于w e 5 4 合金【2 l 2 7 1 。m g 9 g d 4 y - 0 6 z r ( w t ) 合会具有高强、耐热、易焊 接和耐腐蚀的性能，其耐热温度可达到3 5 0 ，最佳室温抗拉强度、屈服强度和 延伸率分别为3 7 0 m p a 、3 5 0 m p a 和3 5 【2 8 1 ，在不同温度下其力学性能都明显优 于h m 3 l 、h k 3 l 和w e 5 4 的力学性能【2 9 】。m g 9 g d 4 y ( w t ) 合金的高温压缩变 形行为也已有很多研究【3 0 ，3 l 】。m g 9 g d 4 y - 0 6 z r ( w t ) 合金的最佳室温抗拉强度k 屈服强度和延伸率分别为3 7 0 m p a 、3 5 0 m p a 和3 5 【列j 。m g 1 2 g d 3 y - z r ( w t ) 热挤压态合金抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达4 8 8 m p a 、4 1 4 m p a 和 4 8 t 2 8 j 。m g 1 3 g d 3 y - 0 4 z r 合金屈服强度可达2 7 5 m p a ，抗拉强度为3 0 0 m p a ， 在2 5 0 ，8 0 m p a 条件下，1 0 0 小时蠕变应变率为1 1 8 【3 2 j 。另外，m g g d y - z r 系不同成分合金在时效过程中析出相的演变序列，以及g d 含量对 m g x g d 3 y - z r ( w t ，x = 6 1 2 ) 合金组织与力学性能的影响也有相关文献报道嘞， 3 3 】 o 稀土镁合金由于具有较好的高温耐热性能，加上现今对轻质材料的迫切需 要，使得其在航空、航天及汽车等金属材料领域的应用越来越广泛。由中航、有 色金属总公司联合研制的变形镁合金b m 2 5 ，由于加入了稀土元素，强度很高， 已应用在歼击机上，代替了部分中强铝合金。由长春应用化学研究所研发的镁合 金m b 2 6 ，由于加入了钇元素，强度很高，在国产歼7 、轰炸机飞机的受力构件 上得到应用【3 4 】。最近研发成功的w e 4 3 和w e 5 4 合金，由于加入稀土元素n d 和 y ，强度得到显著提高，已经在新型航空发动机齿轮箱、直升机变速系统中得到 很多应用。此外，飞机部件，比如座椅、踏板和轮子等也都广泛采用e q 和e z 系列镁合金制造。此外，随着汽车朝着轻量化趋势发展，由于镁合金密度低，理 所当然也就成为了汽车行业优先选择的金属材料，比如汽车发动机的箱体、变速 箱壳、舵杆件、气缸盖、支撑柱等部件都有采用镁合金。中科院长春应化所联合 4 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 一汽集团于2 0 0 6 年研发了一种耐热和抗蠕变性能都较好的稀土镁合金，随即在 汽车行业得到了广泛应用，比如，重卡汽车4 6 0 马力发动机和大量生产汽缸罩盖 上均有采用该镁合金，该镁合金部件性能能够达到或超过国外同类产品水平。德 国大众于1 9 3 6 年开始采用镁合金生产其汽车部件，如“甲壳虫汽车中的曲轴箱、 传动箱壳体等，一些发动机传动零部件也是采用镁合金来制造。 稀土镁合金除了在航空航天及汽车行业得到越来越多应用外，在其他领域也 很有发展前景。m g b e r e 镁合金由于其着火点较高，在煤炭矿井、天然气及与 着火点很低和易燃物质接触的部件中得到广泛应用【3 5 】。由于镁合金在与燃料、矿 物油和碱等接触过程中表现出很好的化学稳定性，因此在制造保存和运送这类物 质的导管、箱体和储罐时可以采用阻燃耐蚀稀土镁合金。在医药行业中，稀土镁 合金由于其良好的生物相容性和无毒性，很有希望作为人工骨接材料，从而代替 现在正在使用的金属央具。 1 2 镁合金的塑性变形 晶体材料的晶体结构决定了它的变形模式。镁，其密排六方结构的特殊晶体 模式，决定了其晶体结构同体心和面心立方金属会有很大差别，进而也决定其独 特的塑性变形模式。图1 1 给出了密排六方晶体点阵中的重要晶面和晶向。表1 2 给出了密排六方结构晶体中的塑性变形机制。 图1 - 1 密排六方晶体点阵中的重要晶面和晶向 1 1 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 2 密排六方结构晶体中的变形机制1 4 l 变形 柏氏矢量 滑移面滑移方向 数量临界剪切 机制总数非独立应力比值 l a ( o 0 0 1 ) 32l 2a 32l 一5 l o l o 3a 641 - 5 1 0 11 ) 4c + a 651 7 1 1 2 2 5c32 1 0 1 0 6c32 1 1 2 0 7孪生 o 5 7 ( 0 1 1 2 ) 1 2 1 滑移 ： 镁合金中的滑移系主要有三类：一为【3 6 1 基面滑移系，其实质是柏氏 矢量为a 3 的a 型单位位错滑移系； 0 0 0 1 面是镁合金晶格中原子排列最 紧密的晶面，是最基本的滑移面，此滑移系有三个滑移方向，但是只有两个是独 立的( 其中沿 2 1 1 0 方向的滑移可看作为【1 1 2 0 与 1 2 1 0 1 两个方向滑移的叠加) ， 因此基面滑移系实际上也只能提供两个独立的滑移系；此滑移系的临界切应力 ( c r s s ) 较小，在高低温下都很容易启动。二为 1 0 1 0 和 1 1 2 0 棱柱面滑移系，也为a 型柏氏矢量的滑移系；能提供两个独立的滑移系；在室温 条件下，此滑移系的临界切应力大于基面滑移，相对于基面滑移较难启动。基面 滑移系和棱柱面滑移系为镁合金中两种常见滑移系，共能提供四个独立的 方向的滑移变形，并不能充分满足v o n m i s e s 准则，即多晶体材料进行无裂纹的 均匀变形时需要五个独立滑移系，另外，由于这四个比较容易启动的滑移系都是 方向的变形，与c 轴垂直，因此不能提供c 轴方向的变形，为了协调c 轴 方向的应变，必须启动其他方向的变形模式，这就涉及到镁合金中第三种滑移系 一锥面滑移，可用通式 h k i l 表达，最常见的 h k i l ) 晶面包括 1 0 11 ) 、 1 1 2 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 l 、 1 0 1 2 及 1 1 2 2 ，滑移方向则为稳定的 晶向；此滑移系又可分为a 位 错滑移和c + a 位错滑移二从晶体学角度分析，前者滑移为基面滑移和棱柱面滑移 综合作用的结果，并不能提供新的独立滑移系，后者的柏氏矢量较大，在一般情 况下并不易启动，为潜在滑移系；此滑移系能提供滑移方向为 的五个独立 滑移系，能充分协调沿c 轴方向的变形；但是，激活此滑移系须有较高的变形温 度、较大的变形量或较细小的晶粒；此滑移系在塑性变形过程中发挥着重要作用， 能减小镁单晶的塑性各向异性，使其塑性以及, n - r 性能得到改善。当然，为了协 调镁合金在c 轴方向变形，除了在高温下启动潜在的锥面滑移系外，在低温下变 形时则可借助大量的孪生来协调变形【3 7 】，这在后面有相关介绍。 镁合金很难发生交滑移，这是由于密排面上的滑移最容易，而在与( o 0 0 1 ) 晶 面相交的晶面中并没有密排面。但是，从图1 1 中可以看到，柱面( 1 0 1 0 ) ) 和 棱锥面( 1 0 1 1 、 1 0 1 2 ) 、 1 1 2 2 ) ) 与 0 0 0 1 ) 晶面有公共交线，且这些晶面在以 为晶带轴的同一晶带上，滑移方向也都为全位错的 滑移方向，因 此，在一定应力状态下，a 型柏氏矢量的位错可以在这些晶面上发生交滑移【2 5 1 。 当然，在这些晶面上发生交滑移，比在 o o o l l 晶面上的滑移困难。一般只有在