（材料加工工程专业论文）az系镁合金压入蠕变行为的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 镁合金的高温性能尤其是抗蠕变性能较差，制约了其在工业上广泛应用。提高镁合 金的高温性能一直是镁合金研究的热点。本文选用工业上较为常用的a z s l 合金为基础， 添加富铈稀土得到a z 8 1 + 0 5 r e 合金，a z 8 1 + i 5 r e 合金和a z 8 1 + 2 5 r e 合金。采 用自制的试验装置对其进行压入蠕变试验，通过建立稳态压入蠕变本构方程分析合金蠕 变时的行为特点，利用x 射线衍射和扫描电子显微镜等设备观察蠕变前后组织和成分的 变化，探讨合金在试验条件下的蠕变机制。结果表明： ( 1 ) 在温度为1 2 0 - 1 8 0 ，应力为1 2 5 1 7 5 m p a 的试验条件下，a z 8 1 合金、 a z 8 1 + 0 5 r e 合金，a z 8 1 + i 5 r e 合金和a z 8 1 + 2 5 r e 合金在稳态压入蠕变时应力 指数 的平均值分别为2 3 3 、2 2 0 、1 9 8 和1 6 2 ，蠕变激活能q r 的平均值分别为 4 9 0 k j t o o l 、5 2 9 k j m o l 、5 6 0 k j m o l 和5 9 6 k j m o l ，材料结构常数么分别为2 3 6 0 、2 0 8 0 、 4 7 1 和1 3 0 。 ( 2 ) a z 8 1 合金的铸态组织为q m g 和1 3 m g l 7 a 1 1 2 ，蠕变后没有新相生成，但是蠕变 过程中在晶界处有大量的、粗大的m g l 7 a l l 2 相非连续析出，导致合金的抗蠕变性能急剧 下降。 ( 3 ) 向a z 8 1 合金中添加富铈稀土后，在凝固时会在晶界析出针状或点状的a 1 4 c e 相， a h c e 相能阻碍晶粒的生长，起到细化晶粒的作用。a z 8 l + o 5 r e 合金，a z 8 1 + 1 5 r e 合金和a z 8 1 + 2 5 r e 合金的铸态组织都是a m g 、b m g l 7 a l l 2 和a l j 4 c e 相。在 a z s l + 2 5 r e 合金中a h c e 相的形貌比较粗大。 ( 4 ) 含稀土的a z 8 1 合金进行蠕变试验后没有新相生成。添加稀土的含量越高，a z 8 1 e 合金的抗蠕变性能越好。由于c e 元素和砧元素的结合能力较强，在蠕变过程中会生成 熔点较高的a h c e 相，抑制了m g l 7 a l l 2 相的非连续析出。此外a h c e 相针扎晶界的能力 较强，进一步提高合金的抗蠕变性能。 ( 5 ) 在本试验设定的温度和应力条件下，a z 8 1 合金和a z 8 1 + 0 5 r e 合金蠕变时占 主导的是晶界滑移机制，此外还存在位错滑移机制但对蠕变的影响作用较小。 a z 8 1 + 1 5 r e 合金和a z 8 1 + 2 5 r e 合金蠕变时占主导的是晶界滑移机制，此外有扩散 蠕变机制伴随晶界滑移出现，但是对蠕变的影响不大。 ( 6 ) 尽管稀土添加量越高，a z 8 1 合金的抗蠕变性能越好，但是结合合金在常温时的 综合力学性能，以及高温时的抗拉强度、屈服强度和韧性，还有经济因素综合考虑，富 铈稀土在a z 8 1 合金中的最佳添加量为1 5 。 a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 关键词：a z 8 1 合金：压入蠕变：本构方程：显徼组织：蠕变机制 n 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o yw a sr e s t r i c t e di ni n d u s t r yb e c a u s eo ft h ep o o rc r e e p r e s i s t a n c e i m p r o v i n gh i g l lt e m p e r a t u r ep r o p e r t i e si sa l w a y st h eh o t s p o ti nm a g n e s i u ma l l o y r e s e a r c hf i e l d i nt h i sp a p e r , a z s i + 0 5 r ea l l o y ，a z 8 1 + i 5 r ea l l o ya n da z 8 1 + 2 5 r e a l l o y 啪b e e na c q u i r e db ya d d i n gc e r i u m - r i c hm i s c h m e t a li n t oat y p i c a la l l o y ，a z s1 a l l o y t h ei m p r e s s i o nc r e e pp r o p e r t yo ft h em a g n e s i u ma l l o y sw a si n v e s t i g a t e d b yas p e c i a l a p p a r a t u s t h eb e h a v i o rp r o p e r t yo fc r e e pw a sa n a l y z e db yc o n s t r u c t i n gc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n so ft h ei m p r e s s i o nc r e e ps t e a d y - s t a t e ，a n dt h em i c r o s m a c t u r ea n dc o m p o s i t i o n so ft h e a l l o y sb e f o r ea n da f t e rc r e e pe x p e r i m e n tw a sa n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n d x - r a yd i f f i a c t o m e t r y f i n a l l y , t h ei m p r e s s i o nc r e e pm e c h a n i s mo ft h ea l l o y su n d e rt h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o nc a nb ec o n c l u d e d t h er e s u l t sa lea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no f1 2 0 - - - 18 0 ca n d1 2 5 - - - 1 7 5 m p a , t h es t r e s s e x p o n e n t so f a z 8 1a l l o y , a z 8 1 + 0 5 r ea l l o y , a z 8 1 + i 5 r ea l l o ya n da z 8 1 + 2 5 r e a l l o ya l er e s p e c t i v e l y2 3 3 ，2 2 0 ，1 9 8a n d1 6 2 t h ec r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo ft h ea l l o y si s r e s p e c t i v e l y4 9 0 k 1 m o l ，5 2 9 k j t o o l ，5 6 0 k j m o la n d5 9 6 k j t 0 0 1 t h em a t e r i a ls t r u c t u r e c o n s t a n t so ft h ea l l o y sa r er e s p e c t i v e l y2 3 6 0 ，2 0 8 0 ，4 71a n d13 0 ( 2 ) t h ea s - c a s tm i c r o s t r u e m r eo fa z 81a l l o yi sa - m ga n db m g l7 a l1 2 ，a n dt h e r ea l en o n e w p h a s e sa p p e a r e da f t e rc r e e pe x p e r i m e n ti na z 8 1a l l o y m e a n w h i l e ，g r e a tu m o u n to f c o a r s em g l 7 a l l 2i sp r e c i p i t a t e di nt h es t y l eo fn o n - c o n t i n u o u s ，w h i c hl e a d st ot h ec r e e p r e s i s t a n c eb e c o m i n gp o o rs h a r p l y ( 3 ) a c i c u l a ra n dp u n e t i f o r ma h c c p h a s ei sp r e c i p i t a t e da tg r a i nb o u n d a r yd u r i n gt h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f a z 81e a l l o y a 1 4 c ep h a s e c a ni n h i b i tt h eg r a i ng r o w t ha n dr e f i n e g r a i n t h ea s c a s tm i e r o s t r u c t u r e so f a z 81 + 0 5 r ea l l o y , a z 81 + i 5 r ea l l o ya n d a z 81 + 2 5 r ea l l o ya l ea - m g ，b m 9 17 a 11 2a n da 1 4 c e p h a s e w h a t sm o r e ，t h em o r p h o l o g y o f a h c ep h a s ei na z 8 1 + 2 5 r ea l l o yi sc o a r s e ( 4 ) n on e w p h a s e sa p p e a ra f t e rc r e 印e x p e r i m e n ti na z 81ea l l o y t h el a r g e rt h e a d d i t i o na m o u n to fr a r ee a r t he l e m e n t si s ，t h eb e t t e rt h ec r e e pr e s i s t a n c ep r o p e r t yo ft h ea l l o y w o u l db e a h c ep h a s e ，w h i c hh a sah ig l lm e l t i n gp o i n t , i sg e n e r a t e do w i n gt ot h es t r o n g b i n d i n gc a p a c i t yo fc ea n da 1 a h c ep h a s ec o n s t r a i n st h em g lv a lj 2p h a s ep r e c i p i t a t i n gi nt h e s t y l eo fn o n - c o n t i n u o u s f u r t h e r m o r e ，t h ec a p a c i t yo ft h ef i x a t i o no fa h c ep h a s et og r a i n b o u n d a r yi ss t r o n gw h i c hi m p r o v e sc r e e pr e s i s t a n c eo ft h ea l l o y s ( 5 ) g r a i nb o u n d a r ys l i d i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h ei m p r e s s i o nc r e e pp r o c e s s o fa z 81a l l o ya n da z 81 + 0 5 r ea l l o yu n d e rt h i se x p e r i m e n tc o n d i t i o nb u td i s l o c a t i o ng l i d e i i ! a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 h a sl i t t l ee f f e c to nt h ei m p r e s s i o nc r e e p s i m i l a r l y , g r a i nb o u n d a r y s l i d i n gh a sas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ei m p r e s s i o nc r e e po f a z 8 1 + 1 5 r ea l l o ya n da z 8 1 + 2 5 r ea l l o y , a n dt h e d i f f u s i o nc r e e pw h i c ha p p e a r sd u r i n gg r a i nb o u n d a r y s l i d i n g ，a f f e c t st h ec r e e pn o tv e r y s e r i o u s l y ( 6 ) t h ec r e e pr e s i s t a n c ei sb e t t e rw h e nt h ea d d i t i o na m o u n to fr a r ee a r t he l e m e n t si s l a r g e h o w e v e r , m u l t i p l ef a c t o r s ，s u c ha st h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o m t e m p e r a t u r e ，t e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h ，t o u g h n e s sa th i g ht e m p e r a t u r ea n de c o n o m i c c o s t s ，s h o u l db ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y f i n a l l y , i tc a l lb ec o n c l u d e dt h eo p t i m u m c o n t e n to fc e r i u m - r i c hm i s c h m e t a li na z 81a l l o yi s1 5 k e yw o r d s ：a z 8 1a l l o y ；c r e e pi m p r e s s i o n ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ：m i c r o s t r u e m r e ： c r e e pm e c h a n i s m 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 随着科技的发展和工业规模的迅速扩大，人们对金属材料的需求日益增大。铁、铝、 铜等常用的金属资源已呈现短缺的趋势，为了实现人类社会的可持续发展，必须开发具 有实用价值的新型金属材料【n 。镁在地壳中分布广泛，约在其总重量的2 3 5 ，因此， 镁作为自然界中储量丰富金属元素逐渐受到人类的重视，合理利用镁资源对人类的发展 和社会的进步具有重要的意义1 2 1 。 镁合金在2 0 世纪6 0 年代开始从军事和航空航天领域扩大到民用工业，产量开始逐 年稳步的增加。直到2 0 世纪8 0 年代，出于对环境的保护和应对能源的紧缺，工业发达 国家逐渐重视镁合金的开发和应用，制订了许多镁合金研发计划，投入了巨额的科研经 费1 3 j 。到2 0 世纪9 0 年代，镁合金的开发和使用取得了突飞猛进的发展。 镁资源在我国的分布广泛，品种众多并且储量丰富，镁资源的储存量、产量和出口 量均为世界第一。我国是镁资源大国，但却并非是镁资源强国，虽然世界上原镁产量的 7 0 以上都来自我国，但由于镁锭质量较差，因此出口价格低廉，获得利润较低。目前 我国的镁合金的生产技术和研制开发远远落后日本和欧美发达国家，如何提高我国镁合 金行业的科技水平和国际竞争力，把资源优势转化为经济优势和技术优势，是我们面临 的重要课题。 1 1 1 镁的基本性质 镁的原子序数为1 2 ，它的相对原子质量是2 4 3 0 5 0 ，电子层结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 。2 0 时密度为1 7 3 8 9 c m 3 有7 8 9 9 m 9 2 4 、1 0 0 0 m 9 2 5 和1 1 0 1 m 9 2 6 等三种同位素原子。 微观上看，纯镁为密排六方结构，原子直径为3 2 0 a ，原子体积1 4 0 c m 3 m o l ，在标准大 气压下其主要的晶格参数如表1 1 所示： 表1 1 镁在标准大气压下的晶格参数 t a b l e1 1 l a t t i c ep a r a m e t e r so fm a g n e s i u ma tt h es t a n d a r da t m o s p h e r e a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 镁的熔点较低，在标准大气压下熔点为6 5 0 * ( 2 ，沸点为1 0 9 0 ( 2 ，压力升高会使熔点 升高1 4 】。纯镁在凝固结晶时，体积收缩率大约为4 2 ，温度从镁的熔点降到室温，固态 纯镁的体积收缩率约为5 。因此在铸造过程中，镁铸件的收缩量较大，易于形成缩孔 和缩松。 纯镁的力学性能很差，直径1 3 m m 的砂型铸件在常温下抗拉强度仅9 0 m p a ，0 2 的屈服强度为2 1 m p a 。因此，纯镁很少在工业中直接应用，必须添加砧、z n 、c a 、m n 、 r e 等金属元素，制备力学性能和耐高温性能较好的镁合金，达到实际生产的要求【5 】。 1 1 2 镁合金的特点 镁合金经过近几十年的发，取得了长足的进步，被称为“2 1 世纪绿色工程金属结构 材料 ，具有以下特点 6 - s ： ( 1 ) 密度较低、比强度和比刚度高、比弹性模量高。镁合金的密度大约是常用钢铁密 度的1 4 ，是常用铝合金密度的2 3 ，大概在1 7 5 1 8 5 9 e m 3 之间，在航空航天、汽车中 使用镁合金部件可以减轻车重，达到节能减排的作用。镁合金的比弹性模量与合金钢、 高强铝合金相比，差别不大。在质量相同的情况下，选用镁合金的零部件可以得到较高 的刚度。 ( 2 ) 阻尼系数大。镁合金能够较好的吸收振动能量，因此具有减震和降低噪音的作用， 适用于制备抗震部件。 ( 3 ) 加工尺寸精度高。镁合金部件的尺寸稳定性比较好，大多数部件在应用的过程中 尺寸几乎没有变化。 ( 4 ) 弹性模量绝对值比较低。在受到冲击应力作用时，能够减轻应力集中的作用，适 合做抗冲击部件。 ( 5 ) 切削加工性能好。镁合金的切削速度远高于其他合金，切削时消耗的功率小，切 削同样的零件，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢所消耗的功率之比为：1 ：1 8 ：3 5 - 6 3 。 ( 6 ) 与铝合金相比，镁合金的铸造性能较好。镁合金几乎可以用所有的铸造方法成型， 目前9 0 的镁合金零件都是通过铸造成型，这其中的9 0 以上通过压铸成型。压铸镁合 金的生产率比较高，与铝合金相比要高4 0 , - - 5 0 。浇注温度较低，因此压铸模的寿命长。 ( 7 ) 与塑料相比，镁合金的热传导性能要高的多。因此在电器电子产品中可用镁合金 替代塑料，大大的提高产品的散热性。 ( 8 ) 易于回收多次利用。环保是当今世界的热门话题。镁合金易于再生熔解，回收便 利不污染环境。 2 西华大学硕士学位论文 1 1 3 镁合金的应用现状 镁合金具有很多突出的特点和性能，目前已经广泛的用于航空航天、汽车、摩托车、 电子、电器、通信、军事等行业【9 】。 ( 1 ) 镁合金在航空航天领域的应用 镁合金轻质的特点使其早在上世纪2 0 年代已经开始在航空领域应用。研究表明， 减轻飞机的重量能够明显的降低能源消耗和飞机的性能【l 们。与汽车相比，减轻同样质量 所节省的能源，商用飞机要高出汽车近百倍，战斗机甚至要高出近千倍。更重要的是， 减轻重量能够大大提高战斗机的性能和战场上的生存能力。因此，轻质合金在航空航天 领域方面具有很大的应用价值。 航空航天上的部件要求具有要好的力学性能、抗腐蚀性能和耐高温性能。随着研究 的深入，综合性能优秀的新型镁合金愈来愈多的涌现出来，镁合金在航空航天领域的应 用范围不断扩大。a z 9 1 e 和a z 9 2 合金具有优良的抗腐蚀能力，用于航空器各种支架、 传动器壳体及机轮。z e 4 1 合金的铸造性能很好，易于生产，主要用于航空发动机部件、 辅助推进装置和直升飞机的变速箱。q e 2 2 合金具有较好的室温性能，常用于发动机壳 体和发动机结构部件。w e 4 3 a 合金的工作温度接近3 0 0 ，可以用于较高的工作条件下， 如发动机的变速箱【l 。 ( 2 ) 镁合金在机动车领域的应用 当前社会能源危机越来越严重，节能减排是可持续发展的必然要求。研究表明，克 服机动车自重所消耗的燃料占燃料消耗总量的约6 0 ，因此，若减轻机动车自身重量的 1 0 ，就能够节省8 l o 的燃料【堙】。这样不仅能够降低能源消耗，而且可以减少尾气排 放量。既能节约能源，又可以保护环境。因此，作为轻质合金，镁合金结构件开始越来 越多的应用在机动车上i l 引。 镁合金在机动车领域上的应用不仅对能源和环境问题具有重要的意义，对车辆本身 的性能也有很大提高。比如，可提高车辆的装载能力；车辆质量轻惯性减小，可以提升 加速能力，改善刹车性能【1 4 1 。此外，因为镁合金的阻尼性能好，可以提高车辆的减震能 力，降低噪音。镁合金优良的变形能力和吸收能量的能力，可以大大的提高车辆的安全 性能。镁合金良好的再利用性能可以提高废旧车辆零部件的回收率。目前，已经有6 0 多种镁合金零部件应用在汽车上，其中使用率和普及率较高的有汽车车身、发动机阀盖、 仪表盘底座、方向盘轴、车座框架、变速箱壳体、进气歧管等7 种【1 5 】。 ( 3 ) 镁合金在3 c 领域的应用 3 c 产品指的是c o m p u t e r ( 电脑) ，c o m m u n i c a t i o n ( 通讯) ，o o r l s u m e re l e c t r o n i c p r o d u c t ( 消费类电子产品) 。随着科技的进步，近十多年3 c 行业取得了突飞猛进的发 3 a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 展，各类数字化产品不断涌现【1 6 1 。在2 0 世纪9 0 年代，日本率先将镁合金用于制造手机、 掌上电脑等便携式产品上，随后s o n y 公司推出镁合金外壳的笔记本电脑，中国的联想、 华硕等厂商也开始陆续采用镁合金作为笔记本外壳。发展更轻、更薄、更小的产品是当 今3 c 领域的趋势，因此推动了镁合金的应用持续增长。 镁合金制备的3 c 产品有许多优点【1 7 1 ，因此在该行业得到了广泛的应用。采用镁合 金作为电子器件壳体，与塑料相比其刚度和抗冲击、抗变形能力大大提高，镁合金的导 热率比塑料高出1 2 个数量级，散热性远远好于塑料；与铝合金相比能够减轻产品重量， 便于携带。镁合金还具有很强的电磁屏蔽能力，可以有效屏蔽手机、电脑等产生的对人 体有害的电磁波。而塑料没有屏蔽电磁的能力，因此传统工艺要在其表面喷涂电漆、镀 层，但这增加了工艺步骤和成本，并其屏蔽能力依旧有限【i 引。 ( 4 ) 镁合金在国防军事上的应用 兵器的重量是军事上一项重要的指标。轻量化兵器可以改善兵器在战场上的操作性 和控制性，提高部队的灵活性和机动性，加强了部队战斗中生存的能力【1 9 1 。采用镁合金 是减轻兵器重量的主要途径之一。在国防科技发达的国家，对于镁合金在兵器上的使用 很早。过去镁合金在军事上主要用于战斗机，现在已经扩大到武器和弹药上，发展十分 迅速。但是我国在这方面与发达国家相比，还有很大的差距，兵器重量普遍较重，迫切 需要加快轻质镁合金在国防军事上的研发，减轻兵器重量，进一步提高我国的国防和军 事实力。 ( 5 ) 在其他方面的应用 此外，镁合金的轻质性使其构件在日常生活和体育竞技领域也有广泛的应用，比如 高尔夫球杆、玩具、医疗器械等等。 虽然镁合金在很多领域都有发展和应用，但在航空航天，汽车，3 c 和军事等领域 用量最大，增长也较快。目前，镁合金凭借其自身的特点和资源优势，成为支撑社会可 持续发展的重要金属结构材料。 1 2 耐热镁合金的研究进展 1 2 1耐热镁合金的研发思路 尽管镁合金有很多优点，但目前并没有得到更为广阔的应用，其原因在于镁的熔点 低，镁合金的耐热性能较差。因此提高镁合金的高温性能是镁合金研究领域的主要课题。 目前新型耐热镁合金的研发，主要由以下三条思路【抛1 】： 4 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 研发不含a 1 元素的镁合金。因为m g l v a l i 2 在高温时性能较差，所以可用a g 、y 和z r 等价格较贵的元素来替代a l 元素，避免了m 9 1 7 a 1 1 2 的生成。目前已经研发了q e 、 z e 、w e 等高温性能较好的镁合金系。但由于合金成本较高，只在军事和航空等领域应 用。 ( 2 ) 对m g - a i 系合金进行微合金化。在m g - a 1 系合金中加入与舢亲和力较强的合金 元素，比如稀土元素、碱土金属、a g 、s n 等，形成的耐热性能较好的相，抑制或减少 m g l 7 a l l 2 相的生成，从而提高镁合金的耐热性能。 ( 3 ) 通过加入第二相粒子，起到针扎住晶界的作用，阻碍晶界的滑移。 1 2 2 耐热镁合金系 遵循上述研发思路，目前已经研发了多种耐热镁合金系列，比如a z 系、a e 系、 a c 系、a s 系、w e 系、q e 系、z e 系等。 ( 1 ) m g a 1 r e 系 a e 系镁合金通过生成熔点较高的a 1 l l r e 3 ，抑制了m g l 7 a 1 1 2 相的生成，提高了镁合 金的耐热性【2 2 1 。a e 系合金主要有a e 4 l 、a e 4 2 和a e 2 1 ，其中a e 4 2 的耐高温性能最好， 目前已经用于制造汽车的变速箱。但a e 系合金的工作温度不能超过1 5 0 ，高于此温 度合金的蠕变强度会大大下降。此外，由于元素含量偏低，使合金的铸造性能变差， 冷却速度较慢会产生粗大的a i r e 化合物，因此要采用压铸成型的工艺，且r e 元素较 贵重，使合金成本过高1 2 3 】。 ( 2 ) m g - a l c a 系 在m g a 1 合金中加入c a 元素可以提高合金的耐热性能，但是该合金在压铸时易产 生热裂。研究表明，m g a 1 c a 中c a 的添加量大约为1 0 时，热裂、粘模等铸造缺陷 比较少；当c a 的添加量增大至2 o 左右时，铸造缺陷几乎全部消失。此外，将0 1 s r 加入到m g a i c a 合金中，可以进一步的加强a x 合金的耐高温性能和抗腐蚀能力。在 a x 合金中，a 1 2 c a 或( m g ，a 1 ) 2 c a 等热稳定性好的化合物在晶界处生成，既抑制了相的 生成，又能够针扎晶界防止滑移，从而提高了a x 合金的耐热性【2 4 1 。目前常见的a x 系 合金牌号有a x 5 1 、a x 5 2 、a x 5 3 、a x 5 1 j 等，但是a x 系耐热镁合金制成的零部件尚 未在汽车领域有成功的应用。 ( 3 ) m g - a 1 一c a r e 系 m g - a i c a r e 系是通过添加c a 元素来替代较为贵重的r e 元素，a c m 5 2 2 合金是 该系镁合金的代表，其晶界上分布着a 1 c e 、m g - c a 、a 1 c a 等相，提高了合金的高温性 能，该合金目前已经用于制造汽车发动机的油盘，可以减轻3 5 的重量。在1 5 0 时， a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 a c m 5 2 2 合金的0 1 蠕变强度为1 0 0 m p a ，大约是a z 9 1 合金的9 倍，比a e 4 2 合金高 6 7 左右，甚至可以与铝合金a 3 8 4 相媲美【2 5 1 。但是a c m 5 2 2 合金的成本仍然偏高，延 展性能较差，冲击强度偏低，铸造时缺陷较多，使得该合金未能进一步广泛的应用。 ( 4 ) m g - a 1 - s i 系 m g a 1 s i 系可通过压铸工艺生成细小弥散的m 9 2 s i 相，提高镁合金的耐热性能。 m 9 2 s i 相的熔点高达1 0 8 5 c ，硬度也较高，对镁合金的强化作用非常明显【2 6 】。该系合金 主要的牌号有a s 4 1 、a s 2 1 等，已经应用于汽车发动机曲轴箱、风扇壳体等零部件。a s 2 1 合金的铝元素的含量低，生成的m g l 7 舢1 2 相的数量也比较少，所以a s 2 1 合金的抗蠕变 性能比a s 4 1 合金更好，但是a s 2 1 的室温综合性能和铸造性比a s 4 1 要差。a s 合金必 须通过快冷的方式成型，否则会生成粗大的汉字状的m 9 2 s i 相，易于产生应力集中，加 速显微空洞的扩张，使合金的常温力学性能大大降低【2 7 】。因此a s 系合金必须采用压铸 工艺。由于铝含量低，合金的耐蚀性较低，流动性较差，压铸成型较困难，易产生热裂 等铸造缺陷。 ( 5 ) m g z n - a 1 系 对m g z n a 1 系合金来说控制z n a 1 比很重要。选取合适的z r d a i 比，合金中能够 生成m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 或m g z n 等具有较高熔点的相，从而提高合金的耐热性。当舢的含 量低于8 时，z n 含量越高，合金的伸长率和强度越低；当灿含量高于8 时，z n 含 量越高，合金的伸长率越高，强度越低【2 引。z n a 1 比可决定合金的铸造性能。当z n 含 量小于1 o 时，合金处于可制造区；当z n 含量增加时，合金会进入热裂区：z n 含量 进一步增加合金进入可制造区和脆性区。因此，调整z n a 1 比对于m g z n a i 系合金的 常温力学性能、耐高温性能和铸造性能都有着重要的作用。但目前尚未确定出z r g a l 的 最佳比值，合金的铸造性能较差，对力学性能的兼顾也不能达到应用的标准，m g z n a 1 系合金目前的应用十分有耐驯。 ( 6 ) m g - z n 系 m g z n 系合金中不含灿元素，通过加入其他元素，提高合金的铸造性能和高温性 能。研究最多的是加入稀土元素，开发了铸造性能和耐热性较好的z e 4 1 和z e 3 3 镁合 金，其中，z e 4 1 合金的使用温度己达到2 0 0 ，而z e 3 3 则可以在2 5 0 的条件下使用 【刈。英国的m e l 公司专门研发不含砧的压铸镁合金，开发的m e z 合金在1 7 7 以上 的高温环境下，比a e 4 2 的抗蠕变性能更好。此外，还可以在m g z n 系合金中加入c u 元素，得到的z c 6 3 和z c 6 2 合金，可以在1 5 0 的环境下使用。 ( 7 ) m g - r e 系 6 西华大学硕士学位论文 稀土元素能够减小晶界扩散的渗透性，降低相边界的凝聚作用，析出相能够很好的 阻碍位错运动，使金属化合物的集中现象减少，改变结晶晶格参数，从而提高镁合金的 耐高温性能【3 。m g r e 系合金可以在2 0 0 3 0 0 的环境下工作，是重要的耐热镁合金系 1 3 2 o z r 元素能够显著的细化合金晶粒，有效的提高合金的力学性能【3 3 1 。将z r 添加到 m g r e 系合金中，研发的耐热镁合金e k 3 0 a ，是第一个以稀土元素为主要合金元素的 耐热镁合金，制造的零部件能够在2 0 5 的条件下工作，已经应用于航空发动机。在 m g r e z r 中再添加z n ，能够进一步的提高合金的高温性能。其中，z e 4 2 合金强度很 高，工作温度可达2 0 0 ；e z 3 0 合金的抗蠕变能力更强，可以承受最高2 5 0 的工作条 件，该合金将取代e k 3 0 a ，逐步应用于航空发动机。 将a g 元素添加到m g r e 系中，研发出e q 2 1 、q h 2 1 等镁合金。e q 2 1 合金高温性 能比较好，工作条件可达2 5 0 ，在飞机零部件和导弹领域已有广泛的应用。在m g r e z r 中再添加a g ，可以提高合金的抗拉强度，并且用富n d 稀土取代富c e 开发的q e 2 2 合 金，拉伸性能进一步提高，并且具有较好的铸造性能和焊接性能，用于制造直升机的齿 轮箱壳体、着陆轮和叶轮盖等。 从高温性能上来说，耐热镁合金中开发和应用较为成功的是m g r e 系。但是由于 稀土元素较贵重，使合金的成本过高，因此稀土镁合金目前只在航空航天和军事等领域 有所应用，民用工业上应用很少。 ( 8 ) m g - t h 系 n 元素具有天然放射性，是潜在的核燃料，所以m g t h 系合金现在应用的比较少。 但m g t h 系耐热镁合金曾经有广泛的商业应用，因为该合金可生成熟稳定性很高 m 9 2 3 t h 6 的平衡相，耐热温度可以高达3 5 0 ，并且具有较好的铸造性能，不易产生热 裂的铸造缺陷。代表性的牌号有h k 3 1 和h z 3 2 ，这两种合金不但铸造性能很好，而且 还有可焊性，在航空和军事领域都有广泛的应用【3 4 1 。 ( 9 ) 镁基复合材料 镁基复合材料常用的增强体为s i c 、a 1 2 0 3 、纤维等，合金体常用m g - a 1 z n 、 m g a 1 r e 、m g a 1 m n 等【3 5 1 。依靠增强体是镁基复合材料的强化机制。在a e 4 2 合金中， 加入3 0 的s i c ，其室温强度和高温性能都远远高于a e 4 2 合金。在3 0 0 时该复合材 料的抗拉强度是基体合金的7 倍，可达11 0 m p a 。但是目前镁基复合材料的研发处于起 步阶段，相关数据和文献资料很少，因此镁基复合材料的研发具有很大的潜力。 a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 1 3 镁合金高温塑性变形机理 1 3 1蠕变和蠕变速率 蠕变是指在温度0 5 t m 以上，且受恒定应力的作用下，材料发生缓慢的塑性变形的 现象。蠕变过程中系统的能量是下降的，整个过程是由能量驱动实现的。蠕变是个复杂 的现象，有很多种蠕变机制，且很多蠕变行为是受多种蠕变机制共同控制，蠕变机制是 由温度和应力共同决定的。蠕变在固体材料中都会发生。蠕变量占表示蠕变变化的大小， 蠕变速率毒表示蠕变变化的快慢，即单位时间的蠕变量，可表示为营= d 6 d t 。 人们常用蠕变曲线来表示蠕变的变形量，图1 1 是蠕变行为的典型曲线，表示的是 在恒定的应力和温度条件下，蠕变量占和时间t 的关系。图1 2 是在应变速率不变时， 应力与蠕变量的关系曲线。 图1 1 蠕变量占与时间t 的关系蚓 f i g1 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r e e pd e f o r m a t i o na n dc r e e pt i m e 8 口o=砖暑iojd口82u 西华大学硕士学位论文 c r e e pd e f o r m a f i o n 图1 2 蠕变量占与应力的关系【蚓 f i g1 2 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r e e pd e f o r m a t i o na n dc 嗍s t r e s s 从图1 1 蠕变量随时间的变化曲线可知，蠕变曲线可以分为三个阶段。第一阶段为 减速蠕变阶段，此阶段随着时间的变化蠕变速率舌不断的下降，即。舌o t o ，应变强 化作用明显，并且蠕变量占和时间t 的关系可用a n d r a d e 定律表示，即占= 厨l 3 ( b 是常 数) 。第二阶段蠕变，又叫稳态蠕变阶段，此阶段蠕变速率舌几乎不变，材料的硬化和 软化达到了动态稳定的状态，蠕变量占和时间t 为线性关系，即占= 幻( k 为常数) 。第 三阶段是加速蠕变阶段，蠕变速率舌随时间的变化而增大，在此过程材料的软化作用占 主导，蠕变曲线越来越陡，材料最终发生断裂。这三个过程中蠕变速率毒与时间t 的关 系如图1 3 所示【3 6 】。 t i m e 图1 3 蠕变速率与时间的关系蚓 f i g1 3 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r e e pr a t ea n dt i m e 9 8 扫 a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 稳态蠕变阶段是整个蠕变过程中持续时间最长的阶段，因此也是最重要的阶段。稳 态蠕变速率是稳态蠕变阶段最重要的参数，它与温度的关系可以用a r r h c n i u s 方程表示， 它与应力的关系符合诺顿方程，因此可以表达为【3 7 】： 童= a 仃“e x p ( - q c r t ) 方程中，a 是和材料成分、组织等有关的常数，g 是蠕变激活能，刀是应力指数， 仃是蠕变的应力，丁是蠕变温度，只是摩尔气体常数。 1 3 2 蠕变机制 蠕变机制可分为两类，即符合幂指数规律的位错蠕变，和具有黏性流动行为的扩散 蠕变。蠕变机制是由温度和应力所决定的。在高温时，通常是多种蠕变机制并存的，蠕 变的总速率等于各蠕变机制所控制的蠕变速率的总和【3 6 1 。在给定的温度和应力条件下， 蠕变的主导机制是蠕变速率最大、蠕变激活能最小的机制。 ( 1 ) 扩散蠕变 扩散蠕变分界面扩散和体扩散。扩散蠕变一般发生在温度较高应力较低的条件下， 从微观上看，材料内部由于受外力的作用引起浓度不平衡，导致原子和空位产生定向移 动，最终重新达到浓度平衡的过程。在压应力的作用下，材料的垂直于应力方向的晶界 上的空位浓度降低，平行于应力方向的晶界上的空位浓度升高。如果是拉应力的作用， 效果则相反。过饱和的空位浓度c 可以表示为【3 8 】： c = c r c x p ( c r b 3 k t ) - 1 j 其中，c y 是平衡状态时空位的浓度，b 是柏氏矢量，仃是作用的拉应力或压应力， 丁是热力学温度，k 是玻尔兹曼常数。通常情况下a 6 3 肛丁远小于1 ，所以上式可以变形 为 c = g ( 而3 k 丁) 图1 4 表示当受到应力作用时，方形的晶粒内部空位和原子的移动情况。图1 5 表 示材料内的第二相粒子的分布情况，在受拉应力作用时会平行于受力方向分布，在受压 应力的作用时会垂直受力方向分布。 1 0 西华大学硕士学位论文 空位流 动方 图1 4 空位在晶界或晶粒流动【3 6 】 f i g 1 4t h ef l o wo fv a c a n c i e sa l o n gg r a i n b o u n d a r yo ri ng r a i n s 粒 裸露区 图1 5 第二相粒子的分布情形【3 6 1 f i g1 5 t h ed i s t r i b u t i o no fs e c o n dp h a s ep a r t i c l e s 在高温条件下，镁合金的蠕变往往是多种蠕变机制并存的，扩散蠕变只作为辅助机 制，不起主导作用。 ( 2 ) 位错滑移蠕变 位错蠕变就是在热激活的作用下位错在晶粒内进行交滑移和攀移运动，从而引起了 材料的塑性变形。位错克服阻碍的方式是交滑移和攀移。滑移的本质是位错在晶粒内的 运动。温度比较低时，热激活作用较小，位错的运动一般不能够克服析出相和晶界的阻 碍。随着温度的升高，热激活作用增大，位错才能克服这些阻碍。因此，在高温度和较 大的应力条件下，位错滑移是材料蠕变的主导机制。位错滑移蠕变受内外两个方面的影 a z 系镁合金压入蠕变行为的研究 响。外因素为材料所受的温度和应力条件，内在因素为材料自身的性能，如扩散系数和 杨氏模量等。 在高温时，h a r p e r - d o m 位错蠕变是大多数镁合金的蠕变机制。h a r p e r - d o m 位错蠕 变的主要特点是：蠕变速率跟晶粒尺寸无关；应力指数n = l ，这是它最显著的特点；材 料的扩散激活能等于蠕变激活能g ；具有比较明显的减速蠕变阶段。h a r p c r - d o m 位错 蠕变的稳态蠕变速率叠舳可用下式表示【3 9 】： 宅 d = a m , ( d c b k r ) 婶 g ) 其中，a n d 是常数，b 是柏氏矢量，g 是材料的剪切弹性模量。 镁合金是密排六方结构，滑移系较少，在室温条件下，镁合金受到拉应力时只有三 个滑移方向，【0 0 0 1 基面为滑移面，