（材料学专业论文）锑对az31合金组织结构及高温性能的影响.pdf

沈阳1 ：业大学硕十学位论文 摘要 镁合金由于密度小，比强度高等优点而日益受到重视，但其较差的高温性能使其 应用受到很大限制。为此，本研究选用a z 3 1 作为母合金，采用元素s b 对其进行合 金化，以求改善合金的高温性能。通过对a z 3 1 - x s b 系列合金的室温、高温力学性 能及蠕变性能进行测试，结合o m 、s e m 和t e m 观察，研究了元素s b 对a z 3 1 合 金组织与性能的影响及合金蠕变期间的变形机制。 结果表明：a z 3 l 合金经微量元素s b 合金化后，可有效改善合金的高温性能， 其中，a z 3 1 0 8 4 s b 合金的室温和2 0 0 c 抗拉强度分别达到2 9 7 m p a 和1 8 9 m p a 。在 本实验的应力和温度范围内，合金蠕变期间位错运动的内摩擦应力具有明显的温度敏 感性，当温度高于1 7 5 时，内应力值迅速降低；1 5 0 * ( 2 和1 7 5 在5 0 m p a 条件下的 蠕变期间，合金具有较高的位错运动内摩擦应力，较低的应变速率，其蠕变寿命均大 于1 2 0 0 小时：该蠕变规律符合蠕变速率方程 ；= 等c 争pc d oe x p c 一争 通过该方程及蠕变曲线数据可计算出a z 3 1 0 8 4 s b 合金稳态蠕变期间的蠕变激活能 为1 4 5 _ + 1 0 k j m o l ；在不同的应力范围，合金具有不同的应力指数。 a z 3 1 - 0 8 4 s b 合金中析出的高体积分数第二相，是该合金具有较好高温性能的 主要原因，特别是高熔点、稳定的m 9 3 s b 2 相，弥散分布于合金中，可有效阻碍位错 的运动及晶界的滑动。热处理可提高析出相的弥散程度，进一步改善合金的抗拉强度 及蠕变抗力，并降低位错运动内摩擦应力的温度敏感程度。微观组织观察及衍衬分析 表明：a z 3 1 与a z 3 1 0 8 4 s b 合金在2 0 0 、5 0 m p a 蠕变期间，主要的变形机制是 大量形变位错在基体中滑移， 及 位错分别可在基面、柱面和锥面等非基 面滑移，锥面滑移的 位错可借助于分解反应，交滑移至另一柱面；在塑性兼容应 力的作用下，合金可发生孪晶变形，以多组平行束形式存在的孪晶界可阻碍位错运动， 而孪晶区域内晶体取向的微小变化，有利于孪晶内位错的滑移；因此，孪晶作为一种 附加的变形机制可改善合金的韧性。 关键词：a z 3 1 镁合金，元素s b ，蠕变抗力，位错，孪晶 1 沈阳工业大学硕士学位论文 e f f e c to f a n t i m o n y a d d i t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d h i g h t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so f a z 3 1a l l o y a b s t r a c t m a g l l e s i u ma l l o y sh a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nf o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h e i n d u s t r i e sd u et ot h e i rm e r i t so fl o wd e n s i t ya n dh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds oo n h o w e v e r , t h er a n g eo ft h ea p p l i c a t i o n sf o rt h ea l l o y si sl i m i t e db yi t sl o w e rs t r e n g t ha n dp o o rc r e e p r e s i s t a n c ea th i g ht e m p e r a t u r e i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so ft h ea l l o y , t h ee f f e c to f a n t i m o n ya d d i t i o no n t h em i c r o s t r u c t u r ea h dp e r f o r m a n c eo f a z 3 1 a l l o y , a n dd e f o r m a t i o n m e c h a n i s md u r i n gc r e e ph a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so fm e a s u r e m e n to fc r e e pc u r v e s ， x r d a n a l y s i sa n d m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o no f t e m t h er e s u l t ss h o wt h a ts m a l la n t i m o n ya d d i t i o n st oa z 3 1 a l l o yi m p r o v ee f f e c t i v e l y l l i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s ，f o re x a m p l e ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fa z 3 1 - 0 8 4 s b a l l o yu n d e rr o o mt e m p e r a t u r ea n d2 0 0 * ( 3 i s2 9 7m p aa n d18 9 m p a r e s p e c t i v e l y i nt h e r a n g eo f t h ea p p l i e ds t r e s s e sa n dt e m p e r a t u r e s ，t h ei n t e r n a lf r i c t i o n a ls t r e s so fd i s l o c a t i o n m o v e m e n tf o rt h ea l l o yd u r i n gc r e e pe x h i b i t sa no b v i o u ss e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r e ，t h e v a l u eo ft h ei n t e m a ls t r e s s r a p i d l y d e c r e a s e so v e r17 5 d u r i n gc r e e pu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ea p p l i e ds t r e s so f5 0m p aa t1 5 0 ca n d1 7 5 c ，t h ea l l o yd i s p l a y sah i g h e r c r e e pr e s i s t a n c ea n dl o w e rs t r a i nr a t e s ot h a tt h ee n d u r i n gl i f e t i m e so f t h eo n ea r em o r e t h a n12 0 0h o u r s a n dt h ec r e e pr e g u l a r i t yo ft h ea l l o yi si na c c o r d a n c ew i t ht h er a t e e q u a t i o ng i v e n a sf o l l o w s ： ；= 等( ( d o e 坤( 一n - 导- ) d u r i n gs t e a d ys t a t ec r e e p ，t h e a c t i v a t i o ne n e r g y ( q ) o fa z 3 1 0 8 4 s ba l l o yh a sb e e n c a l c u l a t e dt ob e1 4 5 + 1 0k j t o o l ，a n dt h e r ea r ed i f f e r e n ts t r e s se x p o n e n t su n d e rt h ea p p l i e d d i r e n ts t r e s s e s t h ef a c tt h a th i 曲v o l u m ef r a c t i o no ft h es e c o n dp h a s e sp r e c i p i t a t e di nt h em a t r i xo f a z 31 - 0 8 4 s b a l l o y i st h em a i nr e a s o nf o r d i s p l a y i n g t h eb e t t e r h i g ht e m p e r a t u r e p r o p e r t i e s e s p e c i a l l y , al a r g en u m b e ro fm 勘s b 2p h a s e s w i t hh i g hm e l t i n gp o i n ta r e ，。 沈阳工业大学硕十学位论文 p r e c i p i t a t e dh o m o g e n e o u s l yi n t h em a t r i xo ft h ea l l o y , w h i c he f f e c t i v e l yh i n d e r st h e m o v e m e n to fd i s l o c a t i o n sa n d s l i p p i n g o ft h e g r a i nb o u n d a r yd u r i n g t h ee l e v a t e d t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n t h ed i s p e r s i o ne x t e n to f t h e s e c o n dp h a s ed i s t r i b u t e di nt h ea l l o y m a y b ei m p r o v e db yh e a tt r e a t m e n t ，w h i c he n h a n c e st h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n dc r e e p r e s i s t a n c e ，i nf u r t h e r , a n dd e c r e a s e st h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo f t h ei n t e r n a lf r i c t i o n a l s t r e s s b ym e a n & o f m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n dc o n t r a s ta n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a tt h e m a i nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s md u r i n gc r e e po fb o t ha z 31a n da z 31 一o 8 4 s b a l l o y i s s i g n i f i c a n ta m o u n t o ft h es t r a i g h td i s l o c a t i o na c t i v a t e di nt h em a t r i x t h es l i po f a n d d i s l o c a t i o n sc a l lb ea c t i v a t e d ，r e s p e c t i v e l y , o nb a s a lp l a n e s ，p r i s ma n d p y r a m i d a l p l a n e s t h es l i p o f d i s l o c a t i o n sa c t i v a t e do nt h ep r i s mp l a n em a yc r o s s s l i pt o p y r a m i d a lp l a n eb y m e a n so f d i s l o c a t i o n sr e a c t i o n t w i n n i n gd e f o r m a t i o ni nt h ea l l o ym a y o c c u ri nt h er o l eo ft h ec o m p a t i b i l i t ys t r e s s t w i nb o u n d a r i e si nt h ef o r mo f m u l t i p l e p a r a l l e lg r o u p sc a nh i n d e rd i s l o c a t i o n sm o v e m e n t ，b u tt h e l i t t l e c h a n g eo ft h ec r y s t a l o r i e n t a t i o ni nt h e t w i n n i n gr e g i o nm a ya c t i v a t ea g a i nt h es l i p o fd i s l o c a t i o nw i t h i n t w i n n i n g t h e r e f o r e ，t w i n n i n ga sa na d d i t i o n a ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mm a yi m p r o v et h e d u c t i l i t yo f s o m ea l l o yw i t l lh e ps t r u c t u r e k e yw o r d s ：m a g n e s i u m ，a n t i m o n y , c r e e pr e s i s t a n c e , d i s l o c a t i o n s ，t w i n s 3 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己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：拉鲎边日期：塑：! ：! 兰 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) 签名：j 缓垃导师签名：雷始日期： 硼量弓 沈阳工业大学硕士学位论义 l 绪论 1 1 概述 1 1 1 镁合金的特点及应用 镁在地壳中的蕴藏量极其丰富，其含量占地壳总重量的2 1 ，仅次于铝和铁而占第 三位。我国菱镁矿储量占世界6 0 以上，矿石品位超过4 0 ，镁在我国的广泛应用有着 很好的资源基础。镁的晶体结构为密排六方，晶格常数a = 0 3 2 n m ，c = 0 5 2 0 r i m ，轴比 c a = 1 6 4 2 ，原子直径d = 0 3 2 r i m 。镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，以镁为基的镁合金比铝合金轻 3 6 ，比锌合金轻7 3 ，比钢轻7 7 ，在目前应用的金属材料中，镁合金堪称是最轻的 金属材料。 镁合金的开发至今已7 0 多年【l 】。回顾历史，英国人d b l a c k 在1 7 5 5 年正式地确立了 镁元素的存在；1 8 0 8 年，英国化学家h d a v y 利用电解汞和氧化镁的混合物制取了镁汞齐， 这一时间被认为是金属镁的诞辰。2 0 年后，即1 8 2 8 年，法国科学家a b u s s y 采用钾还原 熔融氧化镁制取了纯金属镁，但那时镁仍然被认为是实验室的珍品圆。 进入2 0 世纪后，在1 9 2 7 年高强度镁合金诞生了，这在镁合金发展史中具有划时代 的意义。但当时仅有a z 9 1 a 和a z 9 1 b 两个牌号。a z 9 1 b 比a z 9 1 a 含铜量低，耐蚀性好 一些，因而应用更为广泛。1 9 世纪初全世界原镁的年产量只有1 0 吨网，几乎都在德国。 在第一次世界大战以前，镁合金的应用也仅限于德国。在第二次世界大战期间，镁的用 量急剧增加。近年来，镁合金的应用范围已经扩展到汽车，照相机，计算机，机器人， 体育和办公用品等行业。由于镁合金的熔点略低于铝合金，与钢铁的亲和力远小于铝合 金。因而非常适用于压铸生产工艺，这又为其进一步开发应用开辟了广阔的前景。 镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材料。与目前 的主流材料相比，镁合金具有如下几个突出的优点【4 ，5 1 。 ( 1 ) 镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密度只相当于铝的2 3 左右、锌的1 4 左 右、铁的1 ，4 。在同等刚性条件下，l k g 镁合金的坚固程度等于1 8 蚝铝和2 l k g 钢，而同 样复杂的零部件，镁合金制品的重量比锡轻1 3 、比钢制品轻1 2 。这一特性对于现代手 提类产品减轻重量及车辆减少能耗有重要意义。 ( 2 ) 吸震性能高：镁有极好的滞弹吸震性能，可吸收震动与噪音，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。其抗冲击性是塑料的2 0 倍。 1 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 良好的铸造性能：在保持良好结构的条件下，镁制品壁厚可小于o 6 m m ，这是塑 胶制品在相同强度下无法达到的。至于铝也只能在1 2 1 5 m m 范围内才可与镁相比。 ( 4 ) 模铸生产率高：与铝相比，镁合金的单位体积热含量更低，这意味着它在模具内 凝固的更快。一般来说，其生产率比压铸铝合金高出4 0 5 0 ，最高可达到压铸铝合金 的两倍。 ( 5 ) 良好的切削性能。镁的良好切削性能，表现在：允许较高的切削速度，减少切削 加工时间，与切削其它金属相比，刀具的寿命可大幅度提高。 ( 6 ) 镁的再生性：废旧镁合金铸件可再熔化，并作为a z 9 1 或a m 6 0 的二次材料进行 铸造。由于压铸件的需求不断增长，可回收再用的能力是非常重要的。这种符合环保要 求的特点。使得镁合金比许多塑胶材料更具吸引力。 ( 7 ) 高散热性：镁合金有高的散热性能，适合现今设计元件密集的电子产品。 ( 8 ) 高电磁干扰屏障：镁合金有良好的阻隔电磁波功能，适用于发出电磁干扰的电子 产品。除上述特性外，镁合金还具有抗疲劳、无毒、无磁性和较低的裂纹萌生倾向等特 点。 目前，镁合金产品主要应用于移动电话、笔记本电脑外壳、饰件等压铸产品，在汽 车、家电制造等行业的应用也已经比较广泛。此外，镁合金还广泛应用于照相机、麦克、 耳机、c d 机外壳及电视等家电的装饰件。 1 1 2 镁合金的发展概况 镁合金最早出现在2 0 世纪2 0 年代中期的德国，到目前为止，用镁压铸件来减轻汽 车重量的努力至少有7 0 年的历史。在8 0 年代，镁合金的开发取得了长足的进展。人们 发现f e 、n i 、c u 等杂质元素以及f e 与m n 的比例对镁合金耐蚀性能的影响非常大。为 此开发了高纯度的新一代压铸镁合金a z 9 1 d 等。a z 9 1 d 比原来的a z 9 1 a 、a z 9 1 b 、 a z 9 1 c 的耐蚀性能提高了l o 倍以上。在耐盐雾腐蚀能力方面大多数压铸镁合金牌号都 已经超过了铝合金a z 8 0 。 自8 0 年代后期开始，在镁合金的发展中主要解决的问题是：( 1 ) 韧性和耐冲击值低： ( 2 ) 热强性和抗蠕变性能低。由于发现降低铝的含量，可以明显改善镁合金的韧性和耐冲 击值，为此开发了用于制造整体方向盘骨架的a m 5 0 合金和用于制造片式仪表盘和横梁 等汽车零件的a m 6 0 合金嘲。铝含量过低的a m 2 0 合金虽具有较好的韧性，但铸造性能 沈阳t 业大学硕士学位论文 差，只用于制造如奔驰汽车的座椅框架等构件口】。在镁合金韧性和耐冲击值方面，至今 没有找到比a m 5 0 和a m 6 0 更好的合金。 由于镁与稀土组成的合金在高温下非常稳定，在1 9 9 0 年利用这一f 生质开发了含稀土 的镁合金a e 4 2 s , 9 1 ，这类合金的室温屈服强度接近a s 4 1 合金，比a z 9 1 合金低，但在 1 5 0 。c 以上具有较高的屈服强度。在2 0 0 以下所有温度的蠕变强度甚至超过了a s 2 1 ， 而冲击强度接近a s 4 1 合金，在a m 6 0 合金和a z 9 1 合金之间。稀与镁形成低熔点共 晶体，使合金的流动性增加，缩松及热裂倾向减小。与压铸a z 9 1 合会工艺相比较，a f a 2 合金直到1 7 5 c 时的蠕变性能与压铸a z 9 1 合金在1 5 0 。c 时的蠕变性能相当。但这仍不能 满足温度在1 8 0 。c 以上的汽车变速箱壳体和发动机零件的性能要求。因而开发了m g z n 系合金，其中一类是m g - z n - c u - m n 合金，如z c 6 3 ( m g 一6 0 i z n 一2 7 c u - o 5 m n ) ，一 类是m g - z n r e ，如z e 5 3 ( m g 一5 5 z n 一3 r e ) 和m e z ( m g 0 3 5 z n - 2 5 r e 一0 3 m n ) 。 此外，稀土元素y 、n d 在镁中具有很高的固溶度，稀土镁合金经固溶处理，m g r e 化 合物可全部溶入基体中，在时效过程中相继出现“g p ”区、中间过渡相卢、声0 最后转 变为稳定相d m g l 2 n d 或 3 - m g l l n d y 2 等i l q l l 】。稀土镁合金表现出同铝合金同样的时效硬 化特征，由此可进一步改善镁合金的室温和高温机械性能，在m g z n - c u 、m g t h 和 m g - a g - r e 合金系列中也发现了类似时效强化现象。图1 1 所示为镁合金的发展趋势【1 2 。 圈1 1 镁合金的发展趋势 o - 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 3m g a i z n 合金的性能特点 工业上很容易提供纯度超过9 9 8 的镁，但纯镁很少在工业上应用。镁具有六方 点阵结构，许多元素都能与镁形成固溶体，并具有时效强化作用。在这方面，铝，锌， 锂，银，锆和钍都是工业镁合金中常用的合金化元素。第一次世界大战时，在德国广 泛的使用了m g a 1 一z n 铸件。这种合金在潮湿的环境中存在易腐蚀等问题。在1 9 2 5 年发现加入少量锰( 0 2 ) 可增加合金的耐蚀性能，使合金的抗腐蚀能力大大提高。 后来发现由于锰的加入，把铁和其他杂质转移到金属间化合物中，是合金提高耐腐蚀 性能的主要原因。m g 二a 1 z n 为基的合金是目前常温使用的主要压铸材料【1 3 l 。 镁合金中，美国牌号的m g - a i - z n 系列的a z 9 1 合金具有优良的铸造工艺性能和 较高的室温抗拉强度，且价格便宜，因而应用最为广泛。舢和z n 是该合金中的主要 合金化元素。其中z n 对m g - a 1 一z n 合金应力腐蚀开裂倾向的影响较小，随着m 含量 的增加，合金的强度提高，但显著降低抗拉应力腐蚀性能。另外，m g a i z n 系列合 金的氧化着色性能较差【1 4 】。 疲劳裂纹的扩展速率是镁合金零件设计和使用的主要参考指标，疲劳裂纹扩展速 率实验也是揭示材料疲劳破坏机理的有效方法。a z 9 1 h p 合金的裂纹扩展速率依f ( 铸 造状态) ，3 6 ( 固溶处理) ，t 4 ( 固溶处理和人工时效) 状态依次递减，即合金抗 裂纹扩展能力与适当静拉力实验测得的三种状态延伸率的大小成正比，与屈服强度成 反比，这说明裂纹周围塑性区的大小和塑性变形量对裂纹的扩展具有一定的阻碍作 用；另一方面，氧化物诱发裂纹也会导致a z 9 1 h p 裂纹扩展速率随频率的升高而降低。 有人曾采用扫描仪，在一个宽阔的疲劳裂纹扩展速率范围内测定了断裂面上氧化层的 厚度，发现：疲劳裂纹的氧化物厚度与门槛值附近裂纹末端张开位移的尺寸相当。当 循环裂纹次端张开位移较小时，若循环频率高，则裂纹面反复接触的频率增大，裂纹 次端后部的氧化物表皮反复破坏和再生成，这种“微动磨损”机制可导致形成具有一 定厚度的氧化层。由于裂纹次端的张开位移通常只有几微米，裂纹有可能被氧化物楔 住。这样，就减小了裂纹长度，从而延缓了裂纹的扩展，降低了裂纹扩展速率【”l 。 对镁合金的低周疲劳行为的研究表明：t 6 状态的砂型铸造镁合金a z 9 1 h p 具有 循环疲劳强化的特性，在循环应变下其屈服强度( 1 8 0 m p a ) 比静拉伸时的屈服强度 ( 1 4 2 m p a ) 高2 5 。在一定条件下，镁合金的力学性能比常规数值高许多。例如， 沈阳工业大学硕士学位论文 以镁合金为基体的s i c 增强复合材料的力学性能明显提高，非晶态镁合金的抗拉强度 和显微硬度分别为3 3 0 6 3 0 m p a 和1 9 0 2 5 0 h b ，远高于常规铸态镁合金，a z 9 1 经过 挤压可获得尺寸约为1 微米的微小晶粒，并在4 7 3 k 即0 5 t m 的低温下显示出延伸率 为6 6 1 的超塑性【】“。 固溶和固溶一时效工艺均是改善和提高a z 9 1 h p 镁合金性能的有效方法，与压铸 态的a z 9 1 h p f 相比，拉伸实验结果表明，虽然固溶状态的a z 9 1 h p t 4 硬度和屈服 强度较低，但却具有高的延伸率和抗拉强度，而且抗拉强度和屈服强度比高达2 6 6 ， 虽然经过时效处理，a z 9 1 h p t 6 的延伸率稍微降低，但硬度，屈服强度和抗拉强度 得到显著提高。固溶z n 的1 3 - m g l t a l l 2 相的溶解及其析出的量和形态转变是导致 a z 9 1 h p 合金固溶及固溶一时效强化的主要因素，固溶时压铸态的m g l 7 a 1 1 2 相几乎全 部溶入a 固溶体中，人工时效可使这些相重新析出，开始时以短棒状沿晶界分布，随 后数量不断增加。伴随着1 3 相的析出和形态变化，硬度时效时间曲线呈现出典型的 时效硬化峰。 a z 9 1 镁合金经过固溶和时效处理后得到四种不同形态的1 3 ( m g l 7 a 1 1 2 ) 析出相， 其中绝大多数是板条状析出相。板条状析出相的惯习面是( 0 0 0 1 ) d 0 1 0 ) b ；轴线( 生 长) 方向为1 7 2 9 0 。，位于基面上，与密排方向 1 1 2 0 】【1 1 1 】b 相差( 1 7 8 + 1 5 ) o 。这类 析出相的侧面由f 1 ( 惯习面) 和f 2 ( 板条轴线) 两组界面组成，而其端面由r 组成。 六棱柱状析出相是以其轴线垂直于基面的六棱柱体，六个棱柱面都是 1 1 0 0 ) 。( 1 1 1 ) o ，与基体保持对称性好的位相关系。短柱状析出相的惯习面应为 ( 1 1 0 0 ) 。( 1 1 0 ) 1 3 ，其轴线在惯习面内偏离 o o m 。约为1 5 。第四种析出相的晶体学特征 尚未完全弄清楚。根据衍射花样得出如下关系【1 s 】： ( o 0 0 1 ) 。8 5 0 一( 11 0 ) 口，【1l 20 】【1 1 0 】b 1 1 4 m g - a i z n 合金的蠕变性能 蠕变就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下，缓慢地产生塑性变形的现象。金 属的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行的。 蠕变是在高温条件下，材料缓慢发生塑性变形的过程，与常温瞬时拉伸过程相比， 在微观机制上不仅滑移系增多，而且还有晶界滑移。根据v o n m i s e s 准则，多晶体材 料产生塑性变形，若使晶界仍保持完整性，则每个晶粒至少有五个独立的滑移系开动。 o 沈阳工业大学硕士学位论文 镁合会是密排六方晶体，只有四个独立的滑移系，为满足v o nm i s e s 条件，蠕变过程 中晶界滑移将提供另外两个有效的滑移系【9 】。在高温应力作用下，镁合金比铝合金更 容易产生晶界滑移，对于耐热镁合金而言，限制晶界滑移和提高位错运动抗力同等重 要。 目前的研究表明，镁合金的蠕变主要通过位错滑移和晶界滑动两种方式进行。一 般来说，在室温拉伸条件下，具有六方结构镁合金的滑移面为( 0 0 0 1 ) 基面，且只有三 个滑移方向，沉淀相和晶界是位错运动的障碍。随着温度的增高，非基面的位错也可 参与运动，位错割阶、时效沉淀相和初生弥散相成为位错运动的重要障碍。从已有的 实验结果来看，尽管h c p 结构的镁合金滑移系较少，但在高温下可发生非基面滑移和 交滑移。 在室温条件下，晶界变形并不明显，可以忽略不计。但在高温条件下，由于晶界 上的原子不稳定，容易扩散，受力后容易滑动而使蠕变加速，是导致压铸镁合金蠕变 失效的主要原因。研究表明【2 0 】：a z 9 1 合金高温蠕变性能差的主要原因是分布在晶界 的1 3 一( m g l t a l l 2 ) 相熔点较低，在高温条件下易变形，无法钉扎住晶界，导致晶界滑 动。 与铝合金相比，镁合金的研究和发展还不够充分，其应用领域也很有限。限制镁 合金进一步应用的原因之一，就是它的高温力学性能、及蠕变抗力较差，长期使用时 温度不能超过1 2 0 。c 。尽管目前已开发出具有良好蠕变抗力的镁合金，但大多是采用 r e ，a g 、y 、t h 等贵金属作为合金化元素，只用在赛车、飞机、导弹的高性能发动 机上，未能在汽车上得到应用。因此，提高m g a 1 基合金的高温抗蠕变性能而又不 过多增加合金成本便成为这一领域的研究重点之一。 1 2 蠕变期间的组织演化 许多学者研究了蠕变过程中金属的组织演化，但很少有人进行定量观察。在高温下 变形速度极低的蠕变，与低温下变形速度较快的瞬时拉伸试验相比，塑性变形程度不同。 就实际的应变现象来说，两者虽有应变速率的差别，但这两种现象总是复合在一起。在 轻金属中，已有人对铝合金的蠕变进行了大量的研究。w o o d 曾用x 射线方法研究了高 速率变形和低速率变形之间的差别。当温度低于3 0 0 。c 时，舢以1 小时速率变形后的 衍射图形显示出模糊的线条；相反地，变形速率低到o 0 1 小时时，即使总延伸率为 0 沈阳工业大学硕士学位论文 1 0 一1 5 ，衍射图形也显示出显明的分离斑点这种点状衍射特征表明：在低速率变形 时，晶粒被分割得很小，但晶粒本身却没有变形。这种被分割后的小晶粒被称为亚晶粒， 这种组织形貌可在显微镜下观察。 1 2 1 变形的不均匀性 多晶体的实际变形是非常不均匀的。b o a s 等 2 l 】的观察结果提供了多晶体变形不均匀 性的例证，其实验结果中给出了晶粒内的伸长与晶粒位置之间的关系。他们曾在3 5 0 。c 条件下，采用2 0 0 磅英寸2 ( o 1 4 公斤毫米2 ) 的载荷使纯铝变形，9 5 小时后蠕变 量为1 8 6 ，但每个晶粒变形并不均匀，变形量小的只有2 5 ，变形量大的竟达3 6 ， 这表明每个晶粒的蠕变伸长量是不同的。 1 2 2 蠕变期间晶界的作用 t i m e ，x 1 0 0 0 h 更 否 、_ 一 专 赛 圈1 2 晶界嫱变燹形的不连续性 晶界蠕变是不连续发生的，且晶界滑移也不是单纯粘性流体的滑移。这方面有 r h i n c s 等的实验结果【2 ”，他们使用晶界面对拉伸方向成4 5 0 倾斜的两个铝晶体制成的试 片，在低于6 5 0 。c 的温度下蠕变4 小时，这时，先在晶界的两侧标上记号，然后进行蠕 变观察，其结果示于图1 2 。总蠕变可用一条平滑的曲线表示，但在各个晶界，蠕变是不 连续的。r h i l l c s 等还证明了这两个晶粒取向关系对晶界滑移的影响，并确认，取向差越 大，滑移量越大。 沈阳工业大学硕士学位论文 晶界变形是不连续的，晶界滑移与通常的晶粒蠕变滑移不同，就晶界的变形过程来 说，晶粒在晶界附近首先发生局部弯曲，为使弯曲应力松弛，则在这弯曲部分形成亚晶 粒，结果由于晶粒取向变化而产生晶界蠕变。不过，这种亚晶粒形成的过程也因晶界本 身的移动而复杂化。由于晶界移动，晶界蠕变呈现出不连续变化，p u t t i c k 等也证实了晶 界出现不规则变形i 2 1 。一般认为，随蠕变的进行，晶界附近也从晶粒内开始逐渐硬化。 结果在晶界附近，两侧的晶粒相互影响，而且不管方位性如何，晶界的伸长变形都大小 相同。就多晶体来说，即使每个晶粒的伸长变形量不同，晶界都是连续的。 1 2 3 亚晶粒的形成 晶内蠕变是由滑移和微小滑移引起的。蠕变的第一阶段，发生应变时晶粒内出现位 错滑移，这些滑移位错与晶界相互作用而引起局部应力集中。这种应力，由于发生局部 晶界扭折或晶粒变形而得到松弛。在蠕变第二阶段，变形带切割晶粒，位错缠结束集， 在多边化过程中，产生亚晶粒。这些亚晶粒伴随着回复过程发生位错移动，而使其相对 位置发生变化，引起蠕变。m c l e a n 2 2 把这种状况用图1 3 来说明。并认为，支配蠕变速 度的主要因素是亚晶粒的尺寸以及亚晶粒的形成速度，也就是滑移和攀移中位错的移动 速度。 滑移带 茸 ( a )( b )( c )( d )( e ) 图1 3 蠕变中晶粒变形的模型图 ( a ) 晶粒的初始状态，( b ) 第一阶段蠕变，( c ) 第一阶段第二阶段蠕变， ( d ) 第二阶段蠕变，( e ) 第二阶段蠕变的最终状态；这种变化只表示单方向蠕变 w o o d s 等瞄1 指出：在蠕变过程中，亚晶粒的大小与实验温度和蠕变速率有关，而且 沈阳工业大学硕士学位论文 温度越低，亚晶粒尺寸越小。亚晶粒本身是比较稳定的，但是，亚晶粒的相对旋转会引 起蠕变，所以，就整个晶粒来说，含有亚晶粒的晶粒较之不含亚晶粒的晶粒容易变形。 1 3 蠕变现象的微观机制 在各个晶体内，位错运动由有效应力所驱动，并且出现位错增殖。在初始蠕变阶段， 由于晶内产生大量位错而引起形变。低温蠕变时，合金晶粒内始终保持形变硬化的状态， 但在温度较高时，由于热振动和原子扩散加剧，位错则开始移动，并出现回复现象。当 形变硬化与回复成平衡状态时进入稳态蠕变阶段。解释过渡蠕变阶段的理论( 进入稳定 蠕变阶段以前为过渡蠕变阶段) 有c o t l r c l l 的消耗理论，和a n d r a d e 的蠕变理论，就稳态 蠕变来说，有m o r t 的回复理论，而w e e r t m a n 又对m o t t 的回复理论作了改进。 1 3 1 初始蠕变阶段 在初始蠕变阶段，加工硬化和回复是产生蠕变的主要原因，引起加工硬化的原因包 括：运动位错间的交互作用，位错交割引起的应力场，及c o t t r e l l l o m e r 不动位错等。】 在应力作用下出现的回复与一般塑性变形后发生再结晶前的回复有本质上的不同。 这并不是因为位错密度随热振动增强而减少，而是因为在应力作用下位错运动产生回复。 这种回复可能有两个过程，其一是运动位错的重新排列；其二是由于正负刃位错相遇而 消失。只要位错在同一滑移面内运动，就产生相互作用，这种相互作用可阻碍位错在该 滑移面移动，从而促进位错发生攀移和交滑移。刃型位错通过攀移脱离该滑移面；螺型 位错，通过交滑移脱离该滑移面。 ( 1 ) 刃型位错攀移 ooo o oo oo 兰箍i ! 一? 一! 三一仝立一旦三! o ! ! o _ 竺一虹三旦! ! 。 图1 4 刃型位错的攀移和原子的变化 ( a ) 原子脱离而引起的位错攀移 ( b ) 原子进入而引起的位错攀移 一9 - 沈阳工业大学硕士学位论文 因为柏氏矢量与位错线垂直，所以刃型位错只能在滑移面内运动。如图1 4 所示， 位错要脱离该滑移面而攀移至上一原子层( 另一滑移面) ，必须伴有原子的补充或空位 的扩散。因此，这是一种由原子自扩散支配的现象，这种现象只有在温度保证原子的自 扩散速度与位错运动的速度相同的条件下才是可能的。 ( 2 ) 交滑移 对于螺型位错来说，柏氏矢量平行于位错线，当位错运动遇到阻碍而产生位错塞积 时，位错可由一滑移面交叉滑移至另一滑移面。结果，在个滑移面内由于位错塞积而 硬化，而在另一滑移面与符号相反的运动位错相遇后消失，从而引起硬化作用减小，即： 发生动态回复现象。 1 3 2 过渡蠕变理论 解释过渡蠕变阶段有两种理论 2 4 1 ，即消耗理论和a n d r a d e 蠕变理论。消耗理论认为 位错由于施加应力而运动时，遇到障碍而塞积引起应力集中，但在应力和热运动的影响 下，塞积位错可逐步越过障碍而移动，由于能够移动的位错渐渐减少，所以蠕变速度就 逐渐减小。在应力和温度较低的情况下，这种理论把位错分成许多部分来研究，认为 位错是一部分一部分的移动，而整个晶体的应变是各部分位错运动的总合。假定所有 位错移动的距离相同，促使位错发生运动所需要的应力也相同，因此在相同应力的作 用下，所有各部分位错同时发生运动。 n i o = 一吒 图1 5 说明过渡蠕变的位错分布模型 沈阳工业大学硕士学位论文 在这里各部分位错移动所需要的应力分布如图1 5 所示，即：施加一定的应力时， 在小于这一应力下可激活的位错同时移动。随着激活应力盯。的增加，位错移动数量 增加，此时位错运动的激活能可用盯。的函数f ( 仃。) 表示。设激活应力为盯。时，激 活的位错数量为n ( 。) ，当施加应力为盯。时，则临界应力低于c r o 的部分位错不用 热激活帮助都可移动，而临界应力大于的位错，必须在热振动作用下移动。假定 l 临界应力介于d 和盯+ d c r 之间的，可移动的部分位错数量为n o ，这一部分位错的蠕 变量用d e = n b p d t 表示。式中：b 为各部分位错的应变量，是一个常数，p 为在击时 间内不同临界应力位错移动的几率，为此时尚未移动的部分位错，万等于n o n ， 在这里，n 为己经移动的位错数量。 根据反应速度理论可导出应变速率的关系式为： 括丽v e x p 一等1 v 为缘子的振动皴翠。凼为b n = 占。所以 吲“争c x p _ 簪卜 b n o 叫 ：， 舯 唧 - 掣 把各个部分位错的蠕变速率进行积分- 并假定f 非常大，最终得出总蠕变若，为： 白：b n k t 1 。g f z 。：b n k y r1 。g v f( 1 3 ) 牙口 这就是对数蠕变式。 a n d r a d e 蠕变理论是考虑回复现象的对数蠕变，也就是在高温蠕变中应变量与t m 成 比例的蠕变。许多实验已经证实了通常用占= 卢t ”表示的蠕变规律，其中，a n d r a d e 根 据林位错理论推导出r f l = 1 3 的幂指数蠕变规律。 1 3 3 稳杰蠕蛮理论 沈阳工业大学硕士学位论文 稳态蠕变是蠕变过程中的形变硬化与回复相平衡的状态。在高温下，由于位错束集 而形成位错胞或亚晶粒，在稳态蠕变中它处于平衡状态，而位错密度保持一定。因此， 在稳态蠕变中不会产生加工硬化，根据稳态蠕变的k a u z m a n 速度反应理论，可得出如下 关系式： 。= 爿e x p ( - 1 u - r b e t ( 1 4 ) 式中，k 一一常数；i _ 自由能。 m o t t 与后来的w e e r t m a n 2 4 】分别研究了稳态蠕变状态下，位错的运动特征，认为： 晶粒受外力作用，由分散在晶粒内的少数f r a n k - - r e a d 源( 以下称为f r 源) 引起位 错增殖( 如图1 + 6 所示) ，增殖位错与来自其它滑移系的位错组合在一起，可构成不 动位错。处于f r 源与不动位错之间的位错塞积是形变硬化的原因。当这些塞积的 位错，通过攀移而脱离该滑移面时，f r 位错源继续增殖，以维持蠕变的继续进行。这 时，位错攀移是蠕变速度的控制因素，而位错攀移的速率，大体上与原子扩散速率相同。 f r ( a ) f r 上上。上上。上上。上 ( c ) f r 上上上上上上上 ( b ) f r j - 上oo0 ( d ) 图1 6 稳态蠕变的w e e r t l n a n 模型 ( a ) 应力作用前的状态。假定横线为左端f - r 源的滑移面，斜线为 对应于右端f - r 源的滑移面，纸面与两滑移系垂直 ( b ) 在外部应力作用下，位错离开左端f - r 源移动的示意图 ( c ) o 表示来自右端f - r 位错源，而合成的不动位错 ( d ) 该滑移面不动位错之间的位错，由于攀移而消失 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 提高镁合金高温蠕变性能的措施 1 4 1 基体强化 强化镁合金基体以提高其高温蠕变性能的主要手段是固溶强化、析出强化和弥散强 化。固溶强化是通过在合金中加入溶质元素，以提高其均匀化温度和弹性模量，减慢扩 散和自扩散过程，降低了位错攀移的速率，因而合金的高温蠕变性能得到提高 2 6 , 2 6 1 。析 出时效强化是在时效过