毕业设计（论文）-Mg-Gd二元合金组织和性能研究.doc

河南科技大学毕业设计（论文） I Mg-Gd 二元合金组织和性能研究 摘 要 镁合金是目前应用中最轻的金属结构材料，它具有较低的密度，较高的比强 度和比刚度，优异的电磁屏蔽性能，良好的减震性能和散热性能等一系列优点， 从而受到人们的广泛关注。但是，普通镁合金的耐热性能较差，导致其在高温下 的抗拉强度和屈服强度较低，严重限制了镁合金的广泛应用，而添加稀土元素是 改善镁合金高温性能最有效的方法之一。在现有的研究中 Mg-Gd 系镁合金因其 高比强度、良好的室温高温强度和抗蠕变性能而成为稀土镁合金研究的热点。 本文通过合金的制备及热处理、微观组织强化机制分析和力学性能测试等方 法，研究了不同 Gd 含量 Mg-Gd 合金的组织和力学性能。结果表明，随着 Gd 含 量的增加，合金晶粒细化，并产生弥散分布的析出相，合金的室温和高温力学性 能均有所增加。从室温到 300的温度范围内，随着温度的升高，合金的抗拉强 度先增大后减小，在同一温度下，随着 Gd 含量的增加合金的抗拉强度不断增加。 Gd 的加入，促进了弥散分布的第二相的形成，也进一步细化了基体组织。 关键词：Mg-Gd 合金，微观组织，力学性能，强化机制 河南科技大学毕业设计（论文） II STUDY ON THE MICROSTRUCTURES AND PROPERTIES OF MG-GD BINARY ALLOYS ABSTRACT Magnesium alloy is the lightest metallic structural material in the current industrial applications. It has many advantages, such as low density, high specific strength and stiffness, excellent electro-magnetic shielding ability, good heat dispersion and processing properties, and has been paid close attention by researchers. However, its low strength at elevated temperature, which is the main factor of limiting its wide application. Adding rare earth element is one of the most effective measures to improve elevated temperature properties of magnesium alloy. Mg-Gd based alloys become a research hotspot in magnesium alloy existing studies because of their high specific strength, good room-temperature strength and creep resistance Through preparation and heat treatment of alloys, microstructure and mechanical properties of strengthening mechanism analysis testing and other methods to study the microstructure and mechanical properties of different Gd content of Mg-Gd alloys. The results show that with the increase of Gd content, the alloy grain refinement and dispersed precipitates produced at room temperature and high temperature mechanical properties of the alloy have increased. Within a temperature range from room temperature to 300 , as the temperature increases, the tensile strength of the alloy first and then decreased at the same temperature, the tensile strength with increasing content of Gd alloy increasing. Gd is added to promote the formation of a second dispersed phase, the matrix further refine the organization. KEY WORDS: Mg-Gd alloys, microstructure, mechanical properties, strengthening mechanisms 河南科技大学毕业设计（论文） III 河南科技大学毕业设计（论文） IV 目 录 第一章 前 言.1 1.1 镁合金的性能 .1 1.2 镁合金的种类及应用 .2 1.3 稀土在镁合金中的作用 .3 1.4 Mg-Gd 系合金 .4 1.5 本文研究的内容 .6 第二章 试验内容与方法.7 2.1 合金的成分设计 .7 2.2 合金的熔炼 .7 2.3 热处理 .8 2.4 合金力学性能测试 .8 2.5 微观分析 .9 第三章 试验结果与分析.10 3.1 合金的物相分析 .10 3.2 铸态和时效态合金的显微组织形貌 .10 3.3 合金的力学性能分析 .12 3.3.1 合金的拉伸性能测试 .12 3.3.2 合金的显微硬度分析 .14 3.4 合金的强化机制分析 .16 结 论.18 参考文献.19 致 谢.21 河南科技大学毕业设计（论文） 0 第一章 前 言 1.1 镁合金的性能 一，密度低，比刚度、比强度高 镁合金密度低，是金属结构材料中最轻的金属，满足结构件轻量化的要求。 常用镁合金的密度为 1400kg/m3-1900kg/m3,大约是铝的 2/3,铁的 1/4。镁合金 3 单位质量的强度和弹性都比塑料高，所以，在同样强度的情况下，镁合金的零部 件能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金和铁高，因 此，在不减少零部件的强度的条件下，镁合金零部件的质量比铝合金或钢的轻很 多。 二，阻尼减震性好 镁合金具有良好的抗冲击性,是塑料的 20 倍;与其他同类材料相比具有优良的 尺寸稳定性与良好的能量吸震性(在 20MPa 应力水平下镁合金 AZ91D 的衰减 8 系数为 20%,而铝合金 A380 只有 1%),是制造抗震零件的优良材料,对于用作设备 机壳减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷损坏十分有利。与传统车用的钢材相比， 镁合金 AZ31 具有更好的减震降噪性能，在未来的汽车行业发展过程中，镁合金 的应用必将大幅度的提高。 19, 8 三，储量丰富，易于回收 Mg 在地壳中的储量丰富，其蕴藏量约为2.7，仅次于 Al 和 Fe，中国是世界 上镁资源最丰富的国家之一。 镁合金具有良好的可回收性能,使镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。塑 料类零件废弃时不利于环境保护,镁合金废料回收利用率高达 85%以上。这种可 再生利用的特性能够达到汽车节能、降低成本、可持续发展、减少排放、容易回 收等目的。 12 四，其他性能 镁合金还具有良好的焊接性能,焊接接头的强度约为其自身强度的 95%,可以 河南科技大学毕业设计（论文） 1 制造具有复杂结构的零件。镁合金作为金属，还具有良好的质感，比塑料具有良 好的不可燃性。镁合金的高散热性适合当今设计密集的电子产品，是未来高级笔 记本电脑的最佳选择。然而，镁合金的腐蚀性能较差，是目前限制其应用的主要 原因。 1.2 镁合金的种类及应用 常用的镁合金一般分为 AZ 系合金、AM 系合金、AS 系合金和 AE 系合金。 2 第一个字母为含量最大的合金元素；第二个字母为含量为第二的合金元素；后面 加数字表示相对元素的重量百分比，最后后缀字母 A、B、C、D、E 为标识代号， 用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金，也可不加该后 缀。如 AZ91E 表示主要合金元素为 Al 和 Zn，其名义含量分别为9%和1%，E 表 示 AZ91E 是含9%Al 和1%Zn 合金系列的第五位。AZ 系合金一般指 AZ91系列合 金，是目前应用最广泛的压铸镁合金，它具有均衡的力学性能和耐腐蚀性能，屈 服强度最高，多用来制造形状复杂的薄壁铸件；AM 系合金具有很好的韧性和塑 性，多用于经常受冲击载荷，对安全性有较高要求的场合；AS 系合金具有很好 的抗蠕变性能，多用于工作温度高的发动机零部件。AE 系比 AS 系具有更好的 抗蠕变性能，满足汽车动力系统的要求。 镁合金作为最轻的结构材料应用于汽车工业能减轻车身重量，达到节能减排 的目的。且镁合金能够承受一定的载荷，具有良好的尺寸稳定性，还具有良好的 阻尼系数可以减震除噪，减震量大于铸铁和铝合金，用于壳体可降低噪音，用于 座椅、轮圈可以减少震动，大大提高汽车的安全性和舒适性。目前，应用于汽车 的镁合金铸件已经扩展到车轮、阀壳、齿轮箱、曲轴箱、变速箱、离合器壳体、 前灯支撑托架，驾驶杆零件等几十种零件。镁合金是汽车行业最有潜力的结 13 构材料，中国汽车工业紧跟世界汽车用材的发展趋势，开展镁合金在汽车上应用 的研究意义重大。 镁合金在 3C 产业生产中也有很大的应用潜力，3C（计算机类、通讯类、消 费类电子产品）是当今发展最快的产业，镁合金比塑料外壳强度高、导热性好、 电磁屏蔽性好、且具有无可比拟的可回收优势。镁合金用于电子产品，可有效地 将内部热量散发到外面，且满足 3C 产品朝着体积薄、重量轻的方向发展。镁 14 合金散热好、电磁屏蔽性能好的特点在家用电子产品、手机外壳、笔记本电脑等 都已得到广泛的应用，采用镁合金作为材质外壳，机身变得更加轻质耐用。镁合 河南科技大学毕业设计（论文） 2 金密度低强度高，也常被用来做单反相机的骨架，如尼康的 D3 系列、 D700、Dx00 系列，佳能的 1D 系列、5D 系列、7D 及 10D-50D，宾得的 K-7 及 K-5 等都是采用镁合金作为机身，使得产品坚固耐用，手感好。 由于镁合金重量轻、刚性和强韧性好，很早就在航空航天工业得到应用。 15 特别是 Mg-Li 合金是航空工业最有前途的材料，如座舱架、座椅、吸气管、副蒙 皮、直升机的机匣等都用 Mg-Li 合金制作；轨道交通轻量化的要求也使镁合金的 应用成为可能，采用镁合金能提高车辆的加速和制动性能，还显著降低车身重量， 提高车身速度和能源消耗；在自行车领域，镁合金铸件也得到了广泛的应用，用 镁合金制造的自行车轻便、舒服、速度快。 1.3 稀土在镁合金中的作用 目前，镁合金的研究正在引起材料界的高度重视，很多科研工作者都进行了 大量有益的探索。然而，镁合金的高强、高韧及耐热性等问题仍未得到满意的解 决。现在镁合金的发展已经逐渐摆脱了在原有牌号的基础上加入微量合金元素来 改进其性能的模式，进而转向大量使用稀土元素进行新型镁合金开发的模式。其 中，Mg-Gd 系耐热镁合金的研究已经取得了一些鼓舞人心的成果。在镁合金领域， 尤其是在耐热镁合金的领域，稀土元素突出的强化、净化性能正在逐渐被人们认 识与把握，稀土被认为是耐热镁合金系列中最具有研究价值和发展潜力的合金化 元素。我国的稀土资源和镁资源都特别的丰富，近年来，国内的科研工作者 64 利用这两大资源优势，对稀土镁合金的研究逐渐深入而且更加系统，同时致力于 低成本、高性能的新型稀土镁合金的研究与开发，对镁合金材料和稀土材料的发 展都起到了极大地推动作用。 一，对熔体的净化与保护作用 镁合金中的稀土元素对熔体有除氢、除氧、除硫等夹杂物的作用，能够 11 达到净化熔体的作用。镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧, 目前生产镁合金一般 采用惰性气体保护法熔炼, 但存在不少缺点, 如果提高镁合金熔体自身的起燃温 度则有可能实现镁合金在大气环境下直接熔炼, 这对于镁合金的进一步推广应用 具有重大意义。稀土元素是镁合金熔体表面的活性元素, 能够在熔体表面形成致 密度很高的复合氧化物薄膜, 从而有效阻止熔体和大气的直接接触, 大大提高镁 合金熔体的起燃温度。 二，对镁合金的强化作用 河南科技大学毕业设计（论文） 3 稀土元素在结晶的固液界面前沿聚集引起成分过冷，形成新的形核带从而形 成细小的等轴晶，此外，稀土的富集阻碍了 -Mg 晶粒的长大从而细化晶粒。根 据 Hall-Petch 公式,晶粒尺寸细化，强度增加，并且由于镁的密排六方结构使这种 细晶强化效果极为显著；大部分稀土元素在使用温度下与镁的晶体结构一致，在 镁中有比较高的固溶度，能起到固溶强化的作用，生成的某些中间相为六方相， 容易和镁基体形成半共格的晶体结构关系，这是含有稀土镁合金通常具有很好的 高温抗蠕变性能的原因之一。稀土与镁可形成稳定的中间化合物，这些金属间化 合物一般具有高熔点和高的热稳定性，弥散分布于晶界和晶内，起到弥散强化的 作用。另外，稀土元素在镁中较高的固溶度随着温度的降低而降低，当处于高温 下的单相固溶体快速冷却时，会形成不稳定的过饱和固溶体，经过长时间的时效， 形成细小的析出沉淀相，析出相与位错交互作用，提高合金强度，从而起到时效 沉淀强化的作用。 三，对镁合金性能的提高作用 如前所述，添加稀土元素通过一种或几种强化机制提高镁合金的力学性能， 尤其是高温力学性能，使得稀土镁合金成为高温抗蠕变镁合金、高温高强度镁合 金的重要研究方向。稀土元素与基体中的有害夹杂物结合，降低它们的阴极 16 作用，抑制电化学腐蚀。此外，稀土元素加入使合金表面形成一层更加致密的腐 蚀产物膜，抑制合金的进一步腐蚀，从而提高镁合金的耐腐蚀性。稀土元素与有 害夹杂物的结合抑制了这些杂质元素对组织的疏松作用，还能提高镁合金的摩擦 磨损性能和疲劳性能。 1.4 Mg-Gd 系合金 稀土元素 Gd 的相对原子量为 157.25, 密度为 7.89g/cm3, 熔点为 1312 ,是 重稀土元素的代表，Gd 在镁中的固溶度很高，是提高镁合金耐热性能的有效元 素。 7 稀土 Mg-Gd 系合金具有优异的铸造性能，良好的低温、室温和高温力学性 能以及抗腐蚀性能。Gd 在镁合金中的固溶度较大, 根据 Mg-Gd 二元合金相图， Mg 与 Gd 能形成 MgGd、 Mg2Gd、Mg3Gd、 Mg5Gd 等热稳定的化合物, 使 9 Mg-Gd 系合金具有优异的室温和高温力学性能，主要表现为固溶强化和时效沉 淀强化，明显提高镁合金的耐热和抗蠕变性能。近年来国内外对 Mg-Gd 20, 5 系合金的力学性能的研究逐年增多, 特别是其室温和高温力学性能,对低温力学性 河南科技大学毕业设计（论文） 4 能也有所研究。Mg-Gd 系合金作为能耐高温的镁合金在武器装备、航空航天的先 进领域都有着广阔的应用前景。Gd 的质量分数低于 10%的二元 Mg-Gd 合金在时 效过程中，过饱和固溶体仅仅显示出较微弱的时效强化效应，甚至无时效强化效 应，而增大 Gd 的质量分数可提高合金的硬度和强度。但随着 Gd 含量的增加， 合金的成本较高，限制了目前 Mg-Gd 系合金的开发，合金的制备、强化、防腐 等方面的研究尚浅，很多性能领域的研究还未涉及。因此，该合金有待进一步的 深入研究，使其在一定程度上满足工业化产品的应用要求。 此外，镁合金研究工作者研究发现，通过在 Mg-Gd 二元系合金的基础上添 加 Zr、Zn、Mn 以及 Y、Dy、Nd、Sm 等稀土元素，并结合不同的热处理和变形 工艺，希望在减少高成本 Gd 含量的同时，使得合金的力学性能和抗腐蚀性能达 到最佳的效果。 Mg-Gd 系合金是一种很有前景的新型高强度耐热镁合金，近年来因其优异的 力学性能和耐高温性能，该系合金的开发和研究得到了广泛的关注，并取得了一 定进展。根据目前的研究来看，研究较为成熟的 Mg-Gd-Y-Zr 合金的室温和高温 力学性能已超过应用于航空航天等领域的 WE54 和 WE43 合金。该合金系的力学 性能优异，但因为其生产成本相对较高，工业化应用前景并不理想。目前，对 Mg-Gd 系合金的力学性能和时效强化方面研究较多，开发出的新的 Mg-Gd 合金 系还较少，合金的制备方法、强化机制、腐蚀和防腐等方面研究尚浅；成形方式、 焊接性能、阻尼性能等都还很少涉及；关于 Mg-Gd 系合金应用的报道还不多见。 因此，Mg-Gd 系合金有待进一步深入以及更广泛地研究。 我国虽然拥有丰富的镁资源，镁的储量、原镁产量、原镁出口量三项世界第 一，但在高强耐热镁合金技术和应用方面与世界先进水平还有很大距离。随着我 国电子工业及汽车工业的迅猛发展，通过镁合金科研人员的努力，我国的镁合金 工业将有巨大的发展契机。Mg-Gd 系耐热镁合金的研究将会成为一个有望取得重 大突破和结出丰硕成果的方向，该系镁合金具有十分巨大的发展潜力和非常广阔 的应用前景。 1.5 本文研究的内容 本文通过对不同 Gd 含量成分的 Mg-Gd 合金的研究，分析了 Gd 含量不同对 Mg-Gd 合金的组织和性能的影响。主要研究内容为： 一、对合金进行拉伸试验，测试样品的室温和高温力学性能； 河南科技大学毕业设计（论文） 5 二、用光学显微镜和扫描电镜对铸态和时效态的合金显微组织进行观察和分析； 三、对合金进行 XRD 物相测试及分析； 四、通过以上结果分析 Gd 元素对合金组织和性能的影响。 河南科技大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 试验内容与方法 2.1 合金的成分设计 稀土元素是提高镁合金耐热性能的重要的合金化元素。不同稀土元素对镁合 金耐热性能的提高程度明显不同，而且随着稀土元素含量的变化，镁合金的组织 和性能也会发生很大的变化。本实验通过改变镁锭与 Mg-30%Gd 中间合金的相 对比例而形成六种不同 Gd 含量的合金（Mg-xGd，x=5，8，10，12，15，20） ， 研究该系试验合金的铸态与时效态显微组织和力学性能，从而分析探讨 Mg-Gd 二元合金的析出相及强化机制。镁锭及中间合金须去除氧化皮，在配料前对合金 块进行打磨处理。考虑到中间合金熔炼时合金的氧化、烧损以及挥发，为了保证 得到与设计成分符合的实际合金成分，根据前期的研究和实验室的熔炼经验，配 备原料须考虑一定的增配率。 2.2 合金的熔炼 本试验合金熔炼采用额定功率为 40kw ZGJL0.01-4C-4 感应炉加热，所用坩 埚为刚玉坩埚，熔炼前应仔细检查有无裂纹等缺陷，以防事故发生；用砂纸对磨 具进行打磨、清理，防止杂质的混入,熔炼时坩埚要预热处理。因为金属镁属于 亲氧元素，所以在熔炼时要特别注意镁合金的氧化甚至燃烧，必须采取相应的保 护装置，试验采用 SF6和 CO2（体积比 1:99）的混合气体进行保护。镁合金浇铸 温度影响合金熔体的粘度、表面张力以及热容量,随着温度的升高, 合金熔体的粘 度和表面张力降低, 成型的速度加快。但随着温度的继续升高, 合金的氧化倾向 性增强, 产生的夹杂物使熔体的粘度增加, 流动性的提高越来越少。实验过程如 下：将纯镁放入采用 1vol. % SF6 +99 vol. % CO2混合气体保护的感应炉中熔化， 采用刚玉坩埚炼制合金，待镁锭熔化后在 700-730加入 Mg-Gd 中间合金， 待其熔化后去除表面浮渣，再将温度升至 780，关闭主控电路、静置，待镁 液降温至 690-710后进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至 200，浇注时 注意继续用保护气体进行保护。 河南科技大学毕业设计（论文） 7 2.3 热处理 铸造得到的合金，显微组织一般比较粗大，力学性能不佳。一般通过适当的 热处理可得到成分均匀、力学性能理想的合金。Gd 元素在镁合金中容易产生偏 析, 使 Mg-Gd 合金的组织不均匀，偏析形成的稀土粒子能阻碍位错和晶界运动, 易产生局部的应力集中, 是合金变形过程中形成裂纹的源头, 显著降低合金的塑 性。本试验根据课题组多年的研究基础固溶处理温度选择 525，保温 6h， 1612 温水淬火；时效处理为 225，保温 10h，出炉后空冷。经热处理后的合金，过 饱和固溶体中会析出熔点较高的第二相，起到沉淀析出强化的作用。 2.4 合金力学性能测试 本试验采用 MH-3 型显微硬度计对合金不同状态的显微硬度进行测试。载荷 为 0.9807N，加载时间为 10s。同一状态条件下试样测量点不低于三个，取测试 结果平均值作为该状态下合金的显微硬度。 分别测试合金在室温和高温（200、250、300）的力学性能。合金的 拉伸力学性能测试在 SHIMADZU（岛津）AG-I250kN 精密万能实验机上进行， 拉伸速度为 1mm/min。 将铸态和时效态的铸锭在精密车床上依照国家标准 GB6397-86金属拉伸实 验试样加工成标准拉伸试样，拉伸试样的尺寸如下图 2-1 所示。用 800 号砂纸 打磨试样的表面以提高试样表面光洁度。进行高温拉伸试验时，要先对装夹好的 试样在设定的温度下保温 5min，然后进行拉伸。 图 2-1 试验合金标准拉伸试样尺寸图 2.5 微观分析 河南科技大学毕业设计（论文） 8 微观分析主要包括 X 射线衍射分析（XRD） 、金相显微分析和扫描电镜分析 （SEM） 。 试样尺寸大小为 15mm（10-20）mm，试样表面经过打磨、抛光，使试 样表面光洁。试验设备采用 D8 Avance 型 X 射线衍射仪（XRD） 。试验条件为管 电压 40kV，管电流为 40mA，采用 Cu-K 辐射、扫面速度为 0.01/2min，测 量角度的误差小于 0.01。 金相试样先经砂纸打磨，所用砂纸型号顺序由小到大一般为 600、800、1000、1200、和 1500 号；然后在抛光机上抛光，抛光标准为试样表 面看不到明显划痕且表面光洁；用 4vol%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后，采用 Olympus 光学显微镜对合金进行显微组织观察。 实验仪器采用日本电子公司生产的 JSM-5610LV 型扫描电子显微镜（SEM） ， 工作电压为 15kV。工作原理是利用扫描电子显微镜的二次电子成像显示镁合金 的显微组织以及拉伸断口的形貌特征，同时利用能谱仪（EDS）测定合金中成分 和某些元素含量，所用试样为经过 4vol%的硝酸酒精溶液腐蚀的金相试样。 河南科技大学毕业设计（论文） 9 第 3 章 试验结果与分析 3.1 合金的物相分析 1020304050607080 2-Theta( 0 50 100 150 Intensity(Counts) 5Gd-S.raw 8Gd-S.raw 35-0821 Mg - Magnesium Mg5Gd 图 3-1 四种合金的 XRD 图谱 图 3-1 为四种时效态 Mg-Gd 合金的 X 射线衍射图谱。利用 jade5.0 软件对照 PDF 卡片进行分析。结果表明，合金物相总体差别不大，都是由 -Mg 基体和 Mg Gd 相组成。从图可以看出，合金中 Mg Gd 相对应的衍射峰逐渐升高，衍射 55 峰数量基本不变。 3.2 铸态和时效态合金的显微组织形貌 河南科技大学毕业设计（论文） 10 图 3-2 Mg-Gd 合金的铸态显微组织 a)Mg-5Gd b)Mg-8Gd c)Mg-10Gd d)Mg-12Gd 图 3-2 和图 3-3 分别为 Mg-Gd 系合金铸态和时效态的显微组织。由图 3-4 可 以看出，在快速冷却的凝固条件下，铸态组织由基体（-Mg 过饱和固溶体）以 及分沿晶界分布的支晶组成，存在严重的枝晶偏析。对比 a)、b)、c)、d)可以看 出稀土元素 Gd 含量的不同对组织有较明显的影响。随 Gd 含量的增加，晶粒逐 渐变得细小，沿晶界的析出相较多且变得比较均匀。 河南科技大学毕业设计（论文） 11 图 3-3 Mg-Gd 合金的时效态显微组织 a)Mg-5Gd b)Mg-8Gd c)Mg-10Gd d)Mg-12Gd 由图 3-3 合金的时效态显微组织可以看出，合金经过固溶时效处理后，绝大 多数形貌粗大的第二相又溶于基体中，消除了枝晶偏析。时效处理的温度较低， 会大大降低 Gd 的固溶度，多余的 Gd 会以化合物的形式析出，这些化合物尺寸 较小，且均匀弥散分布，从而起到了强化合金的作用。 Mg-Gd 合金时效态组织的 SEM 照片如图 3-4 所示。 图 3-4 Mg-Gd 合金的时效态组织 SEM 照片 a)Mg-5Gd b)Mg-8Gd c)Mg-10Gd d)Mg-12Gd 河南科技大学毕业设计（论文） 12 3.3 合金的力学性能分析 对于 Mg-Gd 合金力学性能的研究主要集中在室温和高温强度、 塑性等。 随着 Gd 含量的增加,合金的成本和密度都较高, 可进一步提高其力学性能。 3.3.1 合金的拉伸性能测试 不同成分的合金经固溶时效处理后，分别在室温（20）和高温（200、 250和 300）下进行拉伸测试。室温下试验合金随 Gd 含量的增加力学性能的 变化绘制成折线图如图 3-5 所示。从图可以看出，随着 Gd 含量的增加，合金的 抗拉强度和屈服强度均呈现出先增加后降低的趋势，并且室温和 200时，合金 Gd 含量为 12%的合金抗拉强度和屈服强度达到最大值。Gd 含量为 8%的固溶时 效态合金在各温度下的延伸率达到最大值。可见，通过在 Mg 中加入一定量的稀 土元素 Gd 能改善合金的室温和高温力学性能，从试验可以看出，加入 12%时的 抗拉强度和屈服强度最佳，8%的延伸率最佳。 表 3-1 试验合金的从室温到高温下的力学性能 5Gdb/MPa0.2/MPa / RT114806.72 200 1216911.0 250 1096011.18 8Gdb/MPa0.2/MPa / RT1711167.96 200 15510113.61 250 1509313.81 10Gdb/MPa0.2/MPa / RT1731266.45 200 1691149.06 250 1511009.78 河南科技大学毕业设计（论文） 13 12Gdb/MPa0.2/MPa / RT2392213.29 200 2592255.46 250 2361606.34 300 1871508.02 15Gdb/MPa0.2/MPa / RT2001302.26 200 2431983.19 250 2982425.55 300 2712665.07 20Gdb/MPa0.2/MPa / RT1961861.86 200 2151802.12 250 3011853.63 300 2832754.94 表 3-1 可以看出，Gd 含量小于 12%时，Gd 含量为 5%时，抗拉强度随温度 升高先增大后减小，屈服强度逐渐减小；Gd 含量为 8%、10%的合金抗拉强度与 屈服强度均随温度升高而降低。Gd 含量超过 12%以后，合金的抗拉强度与屈服 强度均随温度升高呈先升高后降低的规律。而所有含量合金的延伸率均随温度的 升高而增大。 河南科技大学毕业设计（论文） 14 46810121416182022 0 50 100 150 200 250 300 350 Gd % 图 3-5 室温下试验合金随 Gd 含量的增加力学性能的变化 3.3.2 合金的显微硬度分析 硬度是综合表征材料弹性、塑性、韧性和形变硬化等的一个物理量，即金属 表面局部区域抵抗材料变形和断裂能力。维氏显微硬度是将一个正四棱锥金刚石 压头以设定载荷 P 压入检测试样表面，保持一定时间后，去掉载荷，在高倍显微 镜下测量压痕两对角线长度 d(mm)，则单位压痕面积上的载荷即为维氏硬度值 Hv。 2 18.18 d P Hv 46810121416182022 60 90 120 150 180 HV含 980.7mN) Gd含 含 % B a) 显微硬度铸态 河南科技大学毕业设计（论文） 15 46810121416182022 40 60 80 100 120 140 160 B A B b) 显微硬度时效态试验合金 图 3-6 时效态和铸态合金的显微硬度 将不同含量合金的显微硬度在如图 3-6 所示的折线图中表示出来，由图可以 看出，两种状态的合金显微硬度值均随着 Gd 含量的增加而增大。由于 Gd 的加 入与原来的金属形成置换固溶体，由于置换原子与原来晶格处的原子大小存在差 异，于是会形成原子之间的畸变，晶格畸变能使得位错滑移阻力变大，从而塑性 降低，硬度提高。加入的 Gd 含量越多，这种畸变能就会越大，表现为合金的显 微硬度增大。由折线图可知，当 Gd 含量超过 12%以后，硬度随 Gd 含量的增加 而增加的速度增大，这是由于合金中生成了强化相，导致合金的硬度增大。 3.4 合金的强化机制分析 二元 Mg-Gd 合金的强化机制主要有固溶强化、细晶强化和弥散强化三种强 化机制。 一、固溶强化 Gd 与 Mg 形成置换固溶体，在高温下 Gd 在镁中的固溶度（最高可达到 23.5%） 很大，并且它的固溶度随温度的降低明显减少，因此加入稀土元素 Gd 可起到明 显的固溶强化效果。根据 Hume-Rothery 固溶度准则，当溶剂原子与溶质原子半 径之差大于 15%时，不利于固溶体的形成，溶质原子的固溶度变小。而与 Mg 有 相同价电子的稀土元素 Gd 的原子半径与镁元素的原子半径差在 15%范围之内， 10 因而稀土元素 Gd 在镁中具有一定的固溶度。同时由于合金中原子半径不同(Mg 原子半径为 0.1598nm，Gd 的为 0.254nm)，稀土元素 Gd 溶入 -Mg 基体中，引 起原子周围的点阵膨胀，点阵常数增大，-Mg 基体的晶格发生畸变，引起系统 河南科技大学毕业设计（论文） 16 的能量升高，增大了滑移变形的阻力，同时使位错密度增加，畸变产生的应力场 与位错周围的弹性应力场交互作用，使 Mg 和 Gd 原子聚集在位错线周围形成 “气团”，位错滑移时必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起运动，或者从气 团挣脱出来，增大了位错滑移所需的切应力。此外，Gd 的加入还改变 -Mg 基 体的弹性模量，扩散系数，内聚力和晶体缺陷，使位错线弯曲，从而使位错滑移 的阻力增大，从而起到固溶强化的作用，使镁合金的基体相得到强化。在 Mg、Gd 原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用，这也是 Mg-Gd 合金固溶强化的原因。 2、沉淀析出强化 沉淀析出强化是镁合金强化的一个重要机制。在合金中，Gd 元素的固溶度 随着温度的下降而减少，将合金在高温下进行固溶处理，可得到过饱和固溶体， 然后在较低的温度下进行时效处理，可产生弥散析出的的沉淀相。这些第二相细 小（达到纳米级） 、分布均匀、与 -Mg 基体呈共格关系。且这些第二相的熔点 较高，在晶界处起到晶界钉扎的作用，从而使合金得到强化。 河南科技大学毕业设计（论文） 17 结 论 本文以 Mg-Gd 合金为研究对象，通过改变 Gd 元素的含量，采用电子拉伸， 显微组织形貌观察等方法，研究了 Mg-Gd 二元合金的显微组织，以及室温和高 温下的力学性能，得出以下结论： 一， 稀土元素 Gd 的加入，能够细化晶粒，改善合金组织，生成高熔点的 Mg5Gd 相，从而提高合金在室温和高温下的力学性能。 二， 室温和高温情况下，合金的抗拉强度与屈服强度随 Gd 含量的增加，呈 先增大后减小的趋势，Gd 含量为 12%时达到最大值，延伸率也有相同的规律， Gd 含量为 8%时，延伸率达到最大值。 三， Gd 在镁中的固溶度较大，可实现固溶强化和时效强化。合金经固溶和 时效热处理后，析出相的数量与分布发生改变，改善了合金的力学性能。 河南科技大学毕业设计（论文） 18 参考文献 1 周伟，李全安，亢海娟，等. 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