（材料学专业论文）稀土nd（y）对mgzn系合金组织及力学性能的影响.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 高性能变形镁合金的开发是当前材料研究的热点之一，为制各出具有良好综合性能 的变形镁合金，本文以m g 一5 z n 合金为原材料，分别向其添加稀土n d 和y ，制备出不 同成分的铸态和挤压态( 热挤压，挤压比为1 7 5 ：1 ) 变形稀土镁合金。通过拉伸实验及 对稀土镁合金显微组织的观察与分析，研究了稀土元素及制备工艺对其组织和力学性能 的影响，并初步探讨了其强化机制。 研究结果表明：n d 的加入，可以使m g - 5 z n 镁合金的铸态组织细化，n d 含量为3 时，其细化作用最佳；经3 3 0 。c 1 0 0 c 温度热挤压，可以使铸态m g 一5 z n ( 1 5 ) n d 镁合 金的组织明显细化，并且n d 含量越高，挤压态组织越细小，其纵向组织的流线越明显； 挤压态镁合金中，虽佳n d 含量为4 ，其室温抗拉强度为3 3 0 1 m p a ，屈服强度为 2 9 4 8 m p a ，伸长率为9 8 4 ；1 5 0 0 c 的抗拉强度为2 4 8 4 m p a ，屈服强度为2 0 3 4 m p a ， 延伸率3 4 。1 6 ；2 0 0 0 c 的抗拉强度为2 1 9 4 m p a ，屡服强度为1 9 t 5 m p a ，延伟率4 2 6 ； 挤压态m g 一5 z n 一( 1 - 5 ) n d 经1 4 0 0 c 时效处理后，其组织和力学性能没有明显变化，该挤 压态合金为不可热处理强化合金：稀土元素y 对挤压态m g 5 z n 镁合金的影响与n d 的 作用基本相同。 分析认为，稀土的加入和挤压处理对m g 一5 z n 合金综合性能影响很大，能够显著细 化晶粒，纯化晶界，从而使合金强度和塑性得到显著提高；断口形貌显示，铸态室温断 裂断口主要由解理面和撕裂棱组成，具有明显的脆性沿晶断裂的特征；随着温度升高， 断口韧性特征增强，脆性特征减弱，直至解理特征基本消失，取而代之的是大量均匀分 布的韧窝。 美键词：变形镁合金，稀土，显微组织，力学性能，挤压变形 稀十n d f v ) 对m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 t h ee f f e c to f n d ( y ) o nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fm g - z na l l o y s a b s t r a c t w r o u g h tm a g n e s i u m i sn o t e dt oh a v eah i g h e rs t r e n g t ha n dd u c t i l i t yt h a nc a s t m a g n e s i u m t or e s e a r c ht h eg o o dp r o p e r t i e s f o rm a g n e s i u ma l l o y sc o n t a i n e dr e ，i nt h e p r e s e n tr e s e a r c hn da n dyr e s p e c t i v e l yi so d d e dt ot h em g 一5 w t z nb a s ea l l o y st op r o d u c e a s c a s ta n da s e x t r u d e d ( h o t e x t r u d e d e x t r u d e dr a t i oi s 1 7 5 ：a l l o y s w i t hd i f f e r e n t c o m p o s i t i o n t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ee f f e c to fr ee l e m e n t sa n dp r o c e s s i n gm e t h o d so n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd i s c u s s e st h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o wt h a tn da d d i t i o no i lm g 一5 w t z nm a g n e s i u ma l l o yr e f i n et h eg r a i n ； e s p e c i a l l y ，w h e n c o n t e n to fn di s3 w t t h eg r a i n sa r et h em o s tf i n e s t w h e n m g 一5 w t z n - ( 1 5 ) w t n da l l o y i se x t r u d e da t3 3 0 i - 1 0 。c ，t h eg r a i nr e f i n e do b v i o u s l y c o m p a r i n gt oa s c a s ta l l o yo ft h es a m ec o m p o s i t i o n ，t h es i z eo fg r a i n so f h o t - e x t r u d e da l l o yi s f i n e r ，w i t ht h ei n c r e a s eo fp e r c e n t a g eo fn d ，a n dt h el o n g i t u d i n a ll i n e a ro fm i c r o s t r u c t u r ei s m o r eo b v i o u s m o r e o v e r ，w h e nh o t e x t r u d e dm g 一5 w t z nm a g n e s i u ma l l o y ，c o n t e n to fn di s 3 w t ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi s3 3 0 1 m p a ；a n dy i e l ds t r e n g t hi s2 9 4 8 m p a ；t h e e l o n g a t i o ni s9 8 4 a tr o o mt e m p e r a t u r e t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi s2 4 8 4 m p a ；a n dy i e l d s t r e n g t hi s2 0 3 4 m p a ；t h ee l o n g a t i o ni s3 4 1 6 a t1 5 0 。c t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi s 2 1 9 4 m p a ；a n dy i e l ds t r e n g t hi s1 9 1 5 m p a ；t h ee l o n g a t i o ni s4 2 6 a t2 0 0 。c t h er e s e a r c ho n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt e n s i l ep r o p e r t i e so fa s e x t r u d e dm g - 5 w t z n 一( 1 5 ) w t n da l l o y s r e v e a l st h ea l l o y sa r en o ts e n s i t i v et oa g i n gt r e a t m e n ta n dt h em i c r o s t r u c t u r ca n dt h et e n s i l e p r o p e r t i e sh a v en oo b v i o u s l yc h a n g e s ot h eh e a tt r e a t m e n ti sn o tn e c e s s a r yf o rt h i ss e r i e so f m a g n e s i u ma l l o y i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fn da n dy o nt h em g - 5 w t z na l l o yi sa l m o s tt h e s a m e d i s c u s s i o ns h o w st h a tr ea d d i t i o na n de x t r u d e dt r e a t m e n th a v eh u g ee f f e c t so nt e n s i l e p r o p e r t i e so fm g 一5 w t z na l l o y t h e yc a nr e f i n eg r a i na n dp u r i f yt h eg r a i nb o u n d a r y ，w h i c h c a ni m p r o v et h es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo fa l l o y s f r a c t u r es u r f a c ea n a l y s e sr e v e a lt h a ta tl o w t e m p e r a t u r e ，c l e a v a g es u r f a c ea n dt e a r i n gr i d g eo fa s - c a s ta l l o y ，w h i c hw a st a k e na st y p i c a l 些里三些查堂堡主竺堕堡苎 b r i t t l ef r a c t u r ef e a t u r e s ，c o u l db es e e no nf r a c t u r es u r f a c e s w i t hi n c r e a s i n gt e s tt e m p e r a t u r e ， b r i t t l ef e a t u r e sd e c r e a s e d ，w h i l ed u c t i l eo n e si n c r e a s e d a te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，c l e a v a g e s u r f a c ew a sr e p l a c e db yl a r g ea m o u r l to fh o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e dd i m p l e s k e yw o r d s ：w r o u g h tm a g n e s i u m ，r a r ee a r t h ，m i c r o s t r u e t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， e x t r u s i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：型务1 日期：型! ? 钽盈5 历 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 镁合金特点及应用 世界上的事情总是一分为二的，金属镁有其显著的优点；密度小、比强度高、易加 工等，同时又有铸造性差、耐蚀性差、耐磨性差、易燃等缺点。纯镁的机械性能低不能 做结构材料使用。基于实际应用中不同的需求，既考虑不破坏金属镁本身密度小的优点， 又满足耐磨、耐蚀、阻燃等要求，针对不同的目的就出现了不同性能的镁合金。一般来 讲镁合金都是一种质量轻的工程金属材料，不仅具有相对体积质量小、比强度高、阻尼 性好、切削加工性好、导热性好以及减振性好等特点，而且易于回收f 。 镁合金有良好的抗冲击性，是塑料的2 0 倍。这些特性表明了镁在减小质量方面具 有巨大的潜力1 2 1 。另外，镁合金的传热和膨胀系数较大，弹性模量在常用金属中是最低 的。镁有相当高的导热性与导电性，无磁性，并有优异的尺寸稳定性与良好的能量吸收 特性，是制造抗震零件的良好材料，镁是金属中最易加工，加工成本最低的金属，用价 廉的切削工具就可以有效的控制公差，保证精度。镁合金还具有良好的挤压性能与成形 性能，焊接性能也不错，而且镁合金压铸件的使用期限要比铝合金长，这是因为镁的热 疲劳小于铝【3 硼。 在航空工业中，镁合金用于制造飞机、发动机零件、直升机变速箱、坐舱架、发动 机架等十几种部件等；镁还用来制造笔记本电脑外壳、手机外壳、相机摄像机壳、硬盘 部件、照相和光学仪器等1 5 1 ；镁及其合金的非结构应用也很广：镁作为一种强还原剂， 还用于钛、锆、铍、铀和铪的生产中。汽车工业：离合器外壳、变速器外壳、变速器上 盖、发动机罩盖、转向盘、座椅支架、仪表盘框架、车门内板、轮辋、转向支架、制动 支架、气门支架等，甚至还有缸盖和缸体。6 0 多种汽车零部件已采用或正在开发应用镁 合金。其它应用：网球拍、轮椅、行李架掣1 。 在轿车上，镁合金的主要应用形式是铸件和压铸件【引。随着人们节约能源及环保意 识的增强，现代汽车工业正朝着燃料效率型、轻型汽车方向发展，从而迫使汽车制造商 竞相开发镁合金汽车零件以减轻车重，镁合金在降低轿车重量上，无论从短期，还是长 期来看都具备开发的潜力及竞争力【9 】。降低汽车的自重以降低能源消耗和减少污染( 包括 稀土n d ( y ) 对m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 汽车尾气和废旧塑料) ，提出了更迫切的要求，使镁合金的基础研究和开发取得了很大 的发展；同时，大量的镁合金零部件被生产出来，以代替塑料、铝合金、甚至钢制零件， 有人预计，全世界对汽车镁合金的需求量每年将递增2 0 以上i m 1 。 1 2 镁合金的合金分类及特点 镁合金是以金属镁为基，通过添加一些合金元素形成的合金系，镁合金中的合金元 素主要有a l 、z n 、m n 、s i 、z r 、c a 、l i 等【“。 1 2 1 镁合金系列 目前，对于镁合金系列的分类，根据其添加的合金元素种类，以及看问题的角度不 同有不同的分法：有人认为镁合金可分为：a z 系列，m g - a i z n ：a m 系列，m g - a i m n ， a s 系列，m g - a a s i 和a e 系列。也有人把它分为镁铝系列、镁锆系列、镁加稀土元素 形成的镁合金及超轻的镁锂系列掣1 2 3 1 。 a z 系列具有较好的力学性能、铸造性能和耐蚀性能，其屈服强度最高，一般用于 制造形状复杂的薄壁压铸件。 a m 系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用于经受冲击载荷，安全性较高的场合， 常用座位架和设备仪表板，通常只在不超过1 5 0 0 c 的温度下使用。a s 系列较好的抗蠕 变性能，常用于工作温度较高的发动机零件。 a e 系列有比a s 系列更好的抗蠕变性能，但由于稀土成本高，暂时无法大量推广 应用 1 扣15 1 。 1 2 2 部分合金元素的强化作用 a 1 在固态镁中具有较大的固溶度，主要用于改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度； z l l 主要用于提高铸件的抗蠕变性能，但z n 含量大于2 5 时则对合金的防腐性能 有负面影响，因此原则上z n 含量一般控制在2 以下；m n 在镁合金中加入1 - 一2 5 m n 的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善舍金的焊接性 能，同时m n 可略微提高合金的熔点： s i 主要用于改善压铸件的热稳定性与抗蠕变性能； z r 主要起细化晶粒，提高机械性能和耐蚀性的作用，在镁合金中加入0 5 - 0 8 的 z r ，其细化晶粒效果最好，而且它也是阻燃镁合金的主要添加元素； 沈阳工业大学硕士学位论文 c a 可细化组织，使蠕变抗力有所提高，并进一步降低了成本；另一个主要作用是 在熔炼时阻燃； “起固溶强化作用，降低密度，提高延伸率，但它强烈地降低耐腐蚀性。 1 3 镁合金国内外的研究现状及发展趋势 1 3 1 稀土元素对镁合金作用机理 l 去氧除氢 在熔炼过程中，由于镁与水气的反应使镁合金具有较强的吸氢倾向，而溶解于镁合 金液中的氢，是铸件产生气孔、针孔及缩松等铸造缺陷的原因，因此，必须降低镁合金 液中的含氢量。当稀土元素加入镁合金液后，稀土元素与水气和镁液中的氢反应，生成 稀土氢化物和稀土氧化物，从而达到除氢的目的i 嘲。 2 提高流动性 稀土能够提高镁合金的铸造性能，特别是流动性f 1 7 】。这是由于；1 ) r e 与m g 能形 成简单的共晶体系；2 ) r e - m g 合金结晶温度间隔小；3 ) r e 与m g 形成的低熔点共晶体 具有很好的流动性。因此，r e 加入m g 合金后，合金的流动性增加，缩松、热裂倾向 减少。将稀土加入合金中后，则大大改善了m g - z n - z r 合金的铸造性能。 3 强化作用 二元m g - r e 合金的室温拉伸性能都很差，不具有作为结构应用的意义，其主要原 因是这些合金晶粒粗大而导致性能降低，自从发现z r 在镁合金中具有显著的晶粒细化 作用之后，解决了这一问题，从而开发了一系列含稀土的镁合金。尽管稀土对铸态镁合 金的室温拉伸性能影响很小，但是却显著提高镁合金的高温拉伸性能和蠕变强度，特别 是对低铝的m g - a i 合金，这一效果尤为突出。 4 提高耐蚀性 研究表明，m g 一1 0 g d ( 或d y ) 3 n d - z r 合金在盐溶液中浸泡时，通过g d 和o y 而 获得稳定的保护膜，结果使这些合金的铸态和固溶处理试样的耐蚀性与具有良好耐蚀性 的a z 9 i d 合金相当，其峰值时效试样的耐蚀性比a z 9 1 d 更高。 5 对电导率的影响 稀土n d ( v ) x 寸m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 稀土元素不仅能提高镁合金的铸造性能和高温力学性能，同时，并不影响合金的电 导率。这在制造轻质电子仪器壳体时，要求具有高的电导率，从而降低噪音水平的应用 中，具有重要意义。 6 与熔剂的作用 镁合金熔炼时，一般采用熔剂覆盖和精炼，熔剂的主要成分为m g c i 2 ，r e 与m g c 比 反应形成r e c b 将导致r e 元素的损失，因此，镁合金通常使用的熔剂不适于含r e 的 镁合金。k s u s e e l a n n a i 等人已经开发了一种适于熔炼含r e 镁合金的熔剂，其成分( 质 量分数) 为：3 5 b a c t 2 。3 0 m g c l 2 10 k c i ，2 5 0 d 2 a f 2 ，采用这种熔剂后，在熔炼过程中 r e 的损耗由1 8 降到了1 0 。 1 3 2 稀土在不同系别镁合金中的作用 1 m g 制r e 系合金 2 0 多年前，就已经有将稀土加入压铸镁铝合金中来提高性能的报道，r e 比s i 能够 更加有效地增加m g - a l 合金的蠕变强度f i 。目前，已经开发应用的a e 系合金有a e 4 1 ， a f a 2 和a e 2 1 ，其中，r e 以富c e 混合稀土加入，他们具有包括蠕变强度在内的良好 的综合性能。a e 系合金的室温强度和铸造性能随a l 含量的增加而增加，同时，高温蠕 变强度降低【2 0 i 。这些合金可以用于汽车动力系统部件。需要说明的是，a e 系合金仅适 于冷却速度快的压铸件生产，这是因为较慢的冷却速度将导致粗大a i l 2 r e 化合物的形 成，从而降低力学性能。 2 m g - r e - z r 系合金 由于z r 加入二元m g r e 合金后，合金的组织显著细化，从而使合金铸态拉伸性能 提高到了可接受的水平。e k 3 0 a 是第一个以r e 为主要合金元素的高温铸造镁合金，该 合金满足了在2 0 5 0 c 下高的强度和蠕变性能的要求，因此，在航空发动机上得到了应用。 增加r e 含量，将进一步改善铸造性能，导致了e k 4 1 合金的开发【2 l l 。 3 m g r e - z n 系合金 在m g r e z n 合金中，增加z n 的加入量，将改善铸造性能，因此，e z 3 3 a 合金正 在逐步取代e k 3 0 a 合金，应用于航空发动机上。人们发现，m g - z n r e - z r 系合金在氢 气中固溶处理，会导致合金共晶相中i 洹沉淀为r e 氢化物，z n 则从共晶中释放出并扩 4 沈阳工业大学硕士学位论文 散至基体中，在随后的低温时效时沉淀，使合金的力学性能明显提高，从而开发了z e 6 3 a 合金。由于z e 6 3 a 合金的r e 含量较高，在氢化处理和时效后，具有很高的拉伸性能和 疲劳强度。由于新的压力氢化工艺的出现，大大缩短了氢化处理的时间，进一步促进了 该合金的应用。 4 m g - r f _ , - a g 系合金 a g 能够提高m g - r e a g 合金的力学性能，尤其是对富n d 稀土，效果更为显著。 q e 2 2 a 合金在固溶处理后人工时效状态下应用，它具有高的室温拉伸性能，并且，在 2 5 0 以下的拉伸性能和抗蠕变性能都很好，2 0 0 0 c 的蠕变性能与e z 3 3 a 相当，它广泛 用于飞机、导弹的优质铸件。 5 m g - y - r e 系合金 利用y 在m g 中的高固溶度和m g - y 合金的时效硬化能力，发展了一系列的 m g y - n d - z r 合金，它们在高达3 0 0 0 c 时，仍然具有优异的蠕变性能，同时，这种合金 热处理后的耐蚀性优于其他高温镁合金，与铝合金相近。但是，该合金在约1 5 0 0 c 时的 长期暴露将导致韧性降低到不能接受的水平。降低y 含量、增加n d 含量，则能达到整 体强度仅稍稍降低的情况下，保持适当的韧性。基于这一工作，开发w f a 3 和w e 3 3 稀 土镁合金。w e 4 3 具有优异的综合性能及性能的长时间温度稳定性，在3 0 0 0 ( 2 其性能能 保持1 0 0 0 h 之久，3 0 0 0 c 时的抗拉强度为1 5 0 1 7 0 m p a ，适于2 5 0 0 c 应用，其成本比 w e 5 4 低，在高性能汽车和导弹中具有令人鼓舞的应用前景f 2 2 1 。 6 其他r e 镁合金 m g - l i 合金是最轻的镁合金，r e 加入后，通过固溶强化和形成细小弥散的金属间 化合物而提高m g l i 合金的力学性能，y 能细化m g - l i 合金的晶粒，从而提高性能。 最近开发的m g - 2 0 g d ，m g - 2 0 t b 耐热镁合金，在2 5 0 0 c 的抗拉强度为 2 8 0 3 2 0 m p a ，与w e 系合金和铝合金的强度相比又有了大幅度的提高。 m g - 1 0 g d - 3 n d - z r 合金，由于高温强度高，具有比a z 9 1 d 合金更好的耐蚀性，成为 有希望应用于汽车发动机零件的新合金【2 3 1 。 稀土n a 0 3 对m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 1 4 变形合金特性及其研究进展 由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子排列的最密面，而滑移方向总是原子排列 的最密方向，因此多晶密排六方结构的镁，其塑性变形在低于4 9 8 k 时仅限于基面 0 0 0 1 滑移及锥面 l o l 2 孪生2 4 】。与其它常用金属相比，如铝( f c c 结 构) 、铁( b c c 结构) 、铜f f c c 结构) ，镁的滑移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因。 在较高温度下，由于晶体中 1 0 1l 滑移可以出现，从而使镁在高温下的塑性增 加。此外，由于密排六方晶体各晶面原子密排程度常随轴比( c a ) 值变化而改变，因此在 镁中加入锂( l i ) 、铟( 蛐和银( a g ) 等元素可以使轴比降低，如镁中加入8 l i ( 摩尔分数) ， 轴比下降到1 6 1 8 ，从而激活棱柱滑移系 l o l o ，使镁合金在较低温度下也具有 较好的延展性【2 5 1 。 值得注意的是晶粒细化改善镁合金屈服强度与延展性的巨大作用与潜力。晶粒细化 是改善多晶镁变形结构特征、提高镁合金性能的重要途径之一。 根据h a l lp e t e h 公式1 2 6 l ： a = - - - a o + k d 1 总 ( 1 1 ) 式中。为多晶体屈服强度，0 0 为单晶体强度k 为常数，d 为晶粒尺寸。比较镁与铝 在式( 1 1 ) 作用下的规律1 2 f l ，可见晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金。 在铝合金中，晶粒细化已成为其生产中不可缺少的重要技术措施，但该技术在镁合金生 产中却未引起足够的重视。晶粒细化到一定程度可以保证多晶镁合金具备充分的延性转 变能力。纯镁的晶粒尺寸细化到8 m n 以下时，其脆塑性转变温度可降至室温【2 8 1 ，若采 用适当合金化及快速凝固工艺将晶粒细化到l 岫时，甚至在室温下镁合金亦具有超塑 性，其延伸率超过可达1 0 0 0 t 2 9 i 。因此通过镁合金晶粒细化，可以调整材料的组织和性 能，获得变形性能优良的材料。 国际镁协会( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a t i o n i m a ) 在2 0 0 0 年提出的发展镁合金 材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划是研究与开发新型变形镁合金，开发 变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品。尽管镁的结构特征使镁合金变形 材料的制备具有很大的困难，但变形镁合金优异的性能以及在不同领域的特殊用途使其 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 成为镁合金材料研究与开发领域中不可缺少的一个重要组成部分，并具有先进性与挑战 性。与目前较成熟的生产技术( 如常规合金的传统铸造工艺) 以及一些正在发展的技术( 如 提高镁合金抗蠕变性能技术、先进的薄壁铸造技术和触变铸造技术) 相比，镁合金的挤 压与轧制等塑性变形技术更具挑战性。变形镁合金材料的生产主要通过挤压、轧制和锻 造等工艺手段实现，由于镁在加工过程中对设备能力、生产条件的要求基本与变形铝合 金相同，因此变形镁合金的生产完全可以采用变形铝合金的压力加工设备。变形镁合金 产品生产中值得注意的两个问题是1 3 0 1 ：1 ) 变形时镁的弹性模量择优取向不敏感，因此在 不同变形方向上( 如轧制板材的平行轧向与垂直轧向) ，弹性模量的变化不明显；2 ) 变形 镁合金压缩屈服强度低于其拉伸屈服强度，因此在涉及到如弯曲等不均匀塑性变形时需 特别注意。 镁应用的领域十分广泛，但目前其主要的应用方式是作为铝合金的添加剂，因此镁 合金的开发和应用还具有很大的发展潜力。以前镁合金的应用远不及其它金属材料那样 被重视，正如著名材料专家c a h n 所指出的，“在材料领域中还没有任何材料象镁那样 存在潜力与现实如此大的颠倒”【3 “。目前，世界发达国家已着手镁合金材料的大力开发 与研究，镁及镁合金被应用在航天航空等领域。通过对比变形镁合金与普通铸造、压铸 镁合金的典型力学性能，可见变形镁合金具有更大的优势i3 2 1 。西方发达国家十分重视变 形镁合金的研究与开发，变形镁合金材料已开始向系列化发展，产品应用领域不断扩展。 其中美国的变形镁合金材料体系较为完备，合金系列有m 争a i 、m g - z n 、m g - i 汪、m 哥l i 、 m 争t h 等，可以加工成板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、 非晶态镁合金及镁基复合材料等。美国与世界上最大的镁生产企业挪威n o v s k h y d r 0 公司签定了长期合作关系，以保证在2 l 世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应田j 。 日本在1 9 9 9 年由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实旌了 p l a t f o r ms c i e l l c ea n d 融h l o g yf o ra d v 锄c e dm a g n e s i u mm l o y 计划，着重研究镁的新合金、新工艺，开发超 高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材。英国开发出m g - a i b 挤压镁合金用于 m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用在航天飞行器上、兼具优良力学性能 和耐蚀性能的变形镁合金【3 4 1 。 稀土n 酊n 对m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 发达国家已着手镁合金材料的大力开发与研究，镁及镁合金被应用在航天航空等领 域。通过对比变形镁合金与普通铸造、压铸镁合金的典型力学性能，可见变形镁合金具 有更大的优势【3 5 j 。西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金材料已 开始向系列化发展，产品应用领域不断扩展。其中美国的变形镁合金材料体系较为完备， 合金系列有m g - a i 、m g - z n 、m g r e 、m g - l i 、m g t h 等，可以加工成板、棒、型材和 锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等【3 6 】。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和型 材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发。 因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。 1 5 镁锌系合金 、 期 赠 图1 1m g - z n 二元合金相图 f i g 1 1b i n a r yp h a s ed i a g r a mo f m g - z na l l o y m g - z n 二元合金相图较复杂，其中某些转变至今尚未确定。由图可知，富镁端于 3 4 0 。c 进行共晶转变。m g - z n 二元系中的化合物具有六方结构，熔点为3 4 0 0 c 。在共晶 温度3 4 0 0 c 时z n 在m g 中的固溶度为6 2 ，3 0 0 0 c 时为6 0 ，2 5 0 0 c 时为3 3 ，2 0 0 0 c 时为2 o ，1 5 0 0 c 时为1 7 ，室温下 1 o 。因此，在共晶温度以下，z n 在镁中的溶 8 沈阳工业大学硕士学位论文 解度减小，有m g z n 化合物沉淀。m g z n 化合物对合金性能的影响与m g t t a i l 2 对m g - a ! 系合金的影响类似，但m g z n 化合物在m g - z n 系合金中的强化效果更大一些。m g - z n 合金的时效析出过程比较复杂，分为四个阶段，即一g p 区一p i 一p 2 一p ，其中析出艮 相时合金强度最高。m g - z n 合金可以通过低温预时效形成g p 区，在较高温度时效得到 微细的棒状b l 相，但是g p 区的时效强化效果不明显。 由于b l 忻出相周围的界面产生共格应变，使析出强化更显著。l y w e i 也指出 在a - m g 晶界上析出具有类似于m g z n 2 的l a v e s 相晶体结构的8 相( m g z n 9 是m g z n 合 金产生时效强化的主要原因【”1 。有研究表明，对于m g - 5 z n 合金，当时效温度高于4 7 7 k 时，5 - 1 0 h 内即出现时效强化，而当温度低于4 2 2 k 时，需经很长时间后才能达到时效 强化。m g - z n 二元合金的晶粒粗大，力学性能低，在生产实际中很少应用。向m g z n 合金中添加少量z r 后能显著细化晶粒，提高合金强度。m 争z n - z r 系合金( 如z k 6 0 ) 是目 前应用最多的变形镁合金之一。z k 6 0 合金的热处理强化方式有两种，分别为热变形+ 人工时效和固溶处理+ 人工时效，两种方法处理后合金的强度相差不多，但是固溶处理+ 人工时效态的塑性低于热变形+ 人工时效态，因此生产实际中一般采用热变形后直接人 工时效的工艺，只在个别情况下才选择先固溶处理后人工时效。有研究表明1 3 酗，m g - z n 合金中添加c a 后可以形成高熔点的化合物，从而提高合金的高温性能。 1 6 课题提出的目的及意义 工业纯镁的力学性能很低，不能直接用做结构材料，镁的合金化是实际应用中最基 本、最常用和最有效的强化途径，其他方法往往都建立在镁的合金化基础上。镁合金中 合金元素的选择是合金化的关键。如上所述，锌是镁合金中重要的合金元素，锌在镁中 的最大固溶度为6 2 ，除了起固溶强化作用外，时效硬化也是很有效的。锌还可以消 除镁合金中铁、镍等杂质元素对腐蚀性能的不利影响。而纯粹的m g - z n 二元合金在实 际中没有得到应用，因为该合金组织粗大，对显微缩孔非常敏感。但该合金有一个明显 优点，就是可通过时效硬化来显著的改善合金的强度。因此，m g - z n 系合金的进一步 发展，需要寻找第三种合金元素，以细化晶粒并减少显微缩孔的倾向。因而m g - z n 系 合金的研究也主要集中在通过加入第三组元元素来降低m g z n 二元合金的脆性、热收 缩性以及细化晶粒方面。 稀土n d ( y ) 对m g - z n 系合金组织及力学性能的影响 本课题将主要以m g z n 二元合金作为基体材料，添加稀土元素n d 来观察其在铸态 和热挤压态的微观组织及室温、高温下的拉伸力学行为和拉伸断口形貌。通过对 m g - z n - n d 稀土镁合金的铸态和挤压态进行力学性能测试、微观组织观察，并对其在不 同处理条件下所得结果进行对比分析，从而揭示m g - z n - n d 稀土镁合金在不同处理条件 下的微观组织与力学性能特点，确定出m g z n - n d 稀土镁合金比较理想的成分配比和处 理工艺。此课题的研究将为今后发展挤压变形镁合金零部件提供一些可靠的理论依据。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 实验材料及方法 2 1 实验材料 实验所用材料为工业纯镁、纯锌和n d 、y 稀土，经计算后配置出不同含量的稀土 镁合金。稀土镁合金成分如表2 1 所示，文中除特殊说明外，合金元素比例均指质量百 分比。 表2 1 稀土镁合金成分配比 t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f r a r ee a r t hm a g n e s i u m 2 2 实验设备 实验过程中使用了如下设备及仪器： 镁合金熔炼设备：自制的镁合金熔炼炉 挤压机： 国产6 5 0 吨卧式挤压机 稀土n a ( o x tm g - z n 系合金组织及力学性能的影响 热处理炉： 加工试样： 拉伸实验： 微观组织观察： 拉伸断口形貌观察： 数据处理： 显微组织分析： 2 3 实验过程及方法 2 3 1 铸态镁合金的制备 s x - 4 1 0 箱式热处理炉 j 0 7 8 0 - 4 型线切割机 c s s 5 5 1 0 0 电子万能实验机 o l y m p u sb x - 6 0 金相显微镜 s 3 4 0 0 n 扫描电子显微镜 o r i g i n 6 0 ，e x c e l 2 0 0 0 o l y m p u sb x 一6 0 型金相显微镜 具体的操作过程如下： ( 1 ) 配料：用锯床将工业纯镁锭切成小块，块的大小以能够放入熔炼所用坩埚为准。 按成分要求，计算并配制合金中各种原材料所需要的用量。 ( 2 ) 熔炼：将井式电阻炉升温到7 2 0 0 c ，把装有原料的坩埚放入炉中加热至原料完 全熔化。为了防止镁合金熔体在此过程中发生氧化甚至燃烧，在熔炼过程中，按照一定 比例通入n 2 和s f 6 的混合气体，以在合金熔体表面形成致密氧化膜来保护合金熔体不 被氧化，而不采用工业上常用的m g c l 2 覆盖剂保护，从而减少铸锭中的夹杂等缺陷。 ( 3 ) 浇铸：待镁合金铸锭全部熔化后，加入z n 和稀土元素，保温大约三十分钟，期 间摆放好模具，并在模具表面刷一薄层z n o ，其目的是为使铸锭表面具有高的光洁度和 易于脱模。保温结束后进行人工搅拌，搅拌时间大约为十秒钟。搅拌后的熔体需静置两 分钟，以使搅拌过程中产生的氧化物与熔体分离。待炉温升至7 2 0 0 c 时，马上进行浇铸， 待合金凝固后进行起模。 制备稀土镁合金的具体工艺流程如下：坩埚预热一基体合金熔炼一加稀土元素 哼人工搅拌_ 浇铸。 2 3 2 挤压态稀土镁合金的制备 挤压态稀土镁合金的制备以铸态稀土镁合金为基础，使用的材料均为铸体合金锭。 将箱式加热炉温度设置为3 3 0 0 c ，把合金锭放入炉中加入并保温1 5 小时。 沈阳工业大学硕士学位论文 使用的挤压设备为国产6 5 0 吨卧式挤压机，模具挤压比为1 7 5 ：1 ，将加热好的合金 锭放入模具开始挤压，挤压温度保持在3 2 0o c 至3 3 0 。c 之间，挤压速度为0 1 o 1 5 m s ， 经挤压获得直径为1 2 r a m 的镁合金棒材。 2 3 3 拉伸实验 拉伸实验所用试样分别为圆棒状试样，具体的试样尺寸如图2 2 所示。 f i 昏2 1d i i i l e n s i o na n ds h a p eo f t e n s i l es p e e 咖( 玎仰时 拉伸实验是在计算机控制的c s s 5 5 1 0 0 型电子万能试验机上进行的。实验温度分别 为室温( 2 5 0 c ) 、1 5 0 0 c 和2 0 0 0 c ，采用的应变速率为0 1m m $ 。利用m t st e s t w o r k 4 自 动数据采集系统记录相应的拉伸实验数据，据此确定出合金的抗拉强度和屈服强度；通 过测量拉伸试样变形前和拉伸断裂后的标距长度，计算出相应的断裂延伸率。 2 3 4 显微组织观察 利用金相显微镜对不同种类、含量的铸态及挤压态稀土镁合金进行显微组织分析， 观察稀土对镁合金组织的影响。 针对m 陋- r e 合金使用苦味酸作为腐蚀剂，具体配比为：苦味酸1 5 克，乙醇2 5 i n l ， 冰醋酸1 0 m l ，水1 0 m l ，腐蚀时间3 4 s 。 稀土n i ( y ) 对m g - z a 系合金组织及力学性能的影响 2 3 4 时效处理 选取挤压态m g - 5 z n - 2 n d 合金做时效硬度分析。将m g - 5 z n - 2 n d 合金棒材制成一批 有一定厚度的圆柱状试样，将它们放入温度设置为1 4 0o c 箱式热处理炉中保温，每间隔 2 h 取出一个试样并测量其布氏硬度，以此制作出合金硬度随时效时间变化的曲线。 2 4 实验过程中的注意事项 2 4 1 镁合金熔炼过程中的注意事项 在熔炼基体镁合金之前，应将坩埚和模具的内部清理干净。在熔炼基体镁合金之前， 必须对保护气体的进气管进行检查或预先将进气管用铁丝疏通，以防保护气体不能进入 炉内而无法起到保护作用，导致m g 的氧化甚至爆炸。新坩埚在使用前须经煤油渗透及 x 射线的检验，证明无渗透及影响使用的缺陷后方可使用：如发现下列情况应予以报废； 坩埚外表有白色氧化皮或干燥熔剂( 表明该处已烧穿、渗漏) ，坩埚局部严重凹陷或壁 厚减薄至原来的1 2 ，锤击坩埚声音沙哑( 表明有裂纹或过烧之处) 。 熔炼基体镁合金时，为了防止镁合金熔体的氧化和燃烧，应对其进行表面保护。传 统的做法是用覆盖剂来防止镁合金熔体在熔化坩埚中的氧化和燃烧，但使用覆盖剂有许 多弊病。因此，本实验是将0 1 的s f 6 与n 2 气混合，再通入熔镁坩埚中进行混合气体 保护。由于m g o 膜中只有混入少量的m g f 2 后才能成为有效的保护膜，所以s f 6 这一组 元应该是微量的，其体积分数仅在o 1 加4 之间；当浓度小于0 0 5 或大于o 7 时氧 化会加重，而且当s f 6 的含量在o 7 以上时，在镁合金的熔化温度下，钢质坩埚会发生 腐蚀【3 9 郴】。 为了使稀土元素能充分、均匀地溶解到镁熔体中，浇铸前需要进行人工搅拌，这会 破坏在镁合金熔液表面已经形成的保护膜，因此在搅拌期间要适当提高混合气体的流 量，尤其是s f 6 的流量，因为s f 6 的流量过小则达不到保护的作用，这样会使基体中的 m g 与空气接触而氧化甚至燃烧，流量过大又会对坩埚造成强烈的腐蚀作用，从而导致 制备的合金材料中出现杂质，影响合金的性能1 4 1 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 2 浇铸时的注意事项 在浇铸过程中注意时间不能太长，如果时间过长，就导致合金熔体的流动性和充型 能力的下降，同时也会使合金熔体在空气中产生一定的氧化，影响铸态合金的质量。为 了进一步提高合金熔体的充型能力，可将模具一侧垫高并倾斜一定的角度。 2 4 3 高温拉伸时的注意事项 为了保证拉伸时试样标距部分温度的一致性，将拉伸试样加热到预定实验温度后需 再保温十分钟左右。完成2 0 0 0 c 的高温拉伸实验后，应等到炉内温度降至1 0 0 0 c 左右再 打开炉门，取装试件，以免炉内电热元件会因温度频繁骤变而减少使用寿命；水槽内