（材料学专业论文）高性能镁铝稀土系列镁合金的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 镁合金是最轻的实用工程金属材料，具有高的比强度、比刚度及良好的铸造性、减 震性、切削加工性和尺寸稳定性等，早已引起了航空工业和汽车工业的关注，但是镁合 金的强度、塑性总的来说均低于铝合金，此外高温性能差也是阻碍镁合金广泛应用的主 要原因之一。所以提高镁合金的室温和高温强度是镁合金研究中要解决的问题之一。 本文综合应用了金相分析、能谱分析、力学性能分析及断口形貌分析等手段研究了 添加不同含量稀土元素g d 的m g - 8 a 1 1 c a 及m g - 8 a l 一1 z n 两个系列镁合金的铸态、挤压 态和热处理状态下的微观组织及力学行为。其中对m g - 8 a 1 1 z n x g d 系列镁合金进行了 着重的研究。 研究结果表明：m g - 8 a j - l c a - x g d 系列镁合金及m g - 8 a l - 1 z n - x g d 系列镁合金的铸 态组织均由洳m g 基体、离异共晶相p - m g l 7 a l l 2 和球状a 1 2 g d 相组成；在m 争8 a l - l c a - x g d 合金中有a 1 2 c a 分布在晶界处；两个系列合金铸态下的平均晶粒直径分别小于7 0 岬及 l o o 岬。经t 4 处理后，两个系列的合金中的离异共晶相m 鄹7 a 1 1 2 和舢2 g d 相基本溶解； m g 8 a 1 1z 1 1 x g d 合金经t 6 处理后，第二相在晶晃和晶内同时析出。t 4 处理可提高两 个系列合金的室温抗拉强度和伸长率；对m g - 8 a l 一1 z n x g d 系列合金来讲，t 6 处理能更 显著地提高该系列合金的室温抗拉强度，而t 4 处理对于提高该系列合金的室温伸长率 更有效。m g 8 a 1 1 z n x g d 系列镁合金经热挤压之后，晶粒明显细化，综合力学性能显 著提高。随后的t 4 和t 6 处理并不能提高挤压态m g 8 a 1 1 z n x g d 系列镁合金的室温力 学性能。铸态和挤压态m g - 8 a 1 1 z n x g d 系列镁合金的抗拉强度和屈服强度均随试验温 度的升高而下降，伸长率随测试温度的升高而升高。 断口分析表明：室温拉伸时，铸态m g 8 a 1 1 c a - x g d 系列镁合金表现为脆性断裂， t 4 态m g 8 a 1 1 c a - x g d 合金则表现为混合断裂特征。室温拉伸时，铸态、挤压态、t 4 态、t 6 态m g - 8 a 1 1 z n x g d 系列镁合金均表现为混合断裂特征；高温下，铸态 m g 一8 a l 一1 z n - x g d 系列镁合金也呈现混合断裂特征，而挤压态m g 8 a l l z n - x g d 系列镁合 金则呈现韧性断裂特征。 关键词：镁合金，热挤压，固溶时效处理，显微组织，力学行为 高性能镁铝稀土系列镁合金的研究 1 1 1 es t u d yo nh i 曲p r o p e n i e sm g - a l - r em a g n e s i u ma l l o y s a b s t r l c t m a g n e s i 砌a l l o yi st h e1 i g h t e s tp r a c t i c a le i l g i n c c r i n gm a t e r i a l ，w h i c hs h o w sv e r yl l i g h s p l e c i f i cs t r e n g t h 觚ds t i f b l e s s ，g o o dc 雒t a b i l i t y 姐da b s o r p t i o na b i l i 哆o f “b r a t i o l l ，e x c e l l e n t m l l i i l i l l ga _ b i l 酊卸dd i i m m i o m ls 住i b i l i 班h a sa n r a c t e dl h e 删i o no fa v i a t i o n 锄d a u t o m o t i v ei n d u s t f yf 研al gt i l n e h o w e v 盯，i t s 鼬r e n g t l l 锄dp l a s t i c i t yi sl o w e rm a n a l 啪i n 啪a l l o y f u n l l e m o 把，i t sp o o rl l i 咖t 锄耻骶l n l b e l l a 啊o ri so n eo f t l l em o s ti m p o r t a n t w e a k n e s 辩sf o fi t sa 舳s i v eu s o “sr 圮c e s s a r yt 0i 1 1 c r e a 1 1 1 es 啪g t l lo fm a 毋砖s i 岫 a l l o y sa tm o m 锄di l i g l lt 咖p e 翔t i l 心s m e t a i l o g r a p l l i c 锄l y s i s ，e r g ys p e c 仇ma 1 1 a l y s i s ，m e c i l a i l i c a lp r o p c r t ) rt e s t 柚d 触c t i l 】陀 s u r f a c e so b s e n ，a t i o n sa r eu 靶l dt od e t e m i n et h em i c r o s l n l c = t i l r e 锄dm em e c h 姐i c a lb e h a v i o ro f 嬲- c a 踮h o t - e 栅d e d 锄d 撕c rh c a t 仃e a n i l e n tm g - 8 朋- l c a 锄dm g 8 灿- 1 z i la l i o y s 、 r i t h d i f r e r e n tc o i l t e n t so f r a r ee a n l le l e m e n tg da d d i n g t h es t u d yo f m g 8 a l l z n x g da l l o y si s e m p h 器i z e di nt h i sp 印e r t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h em i c r o s 由n l c t u r e s0 f a s c a s tm g 一8 a l - 1 c a - x g d 锄dm g - 8 a l - l z n - x g da l l o y si sc o n s i s t e do f 小m gs o l i ds o l u t i ，i n t e 肋e t a l l i cc o m p o u n dp m g l 7 a l l 2a n d a 1 2 g dp h a s e ；t h e r e 戤a 1 2 c ap h 嗽1 0 c a t e d i l lm eg r a i nb o l l i l d a r ) ，o f m g - 8 a l - l c a x g da l l o y s ； 1 1 忙a v e r a g e 孕a i ns i z c so f t l l et w os 甜e so f 船c a s ta l l o y sa r el e s sm a l l7 0 i m 锄d1 0 0p m p m g l 7 a 1 1 2m l da 1 2 g dp h a i l lb o t l lo ft h et w o 辩r i e sa l l o y sa p p r o x i m a t e l yd i s l v e d 啦e r s o l m i o n 骶砒m e m ( t 4 仃a n l l t ) ；a f t 钉t 6t r e a h n e n l ( a 百n g 衄枷e ma f b 盱l u t i o n 仃c a t i n t ) ，c o n d - p h a s ed i s p e f s e d l yp r e c i p i 诅t e di ni 璐i d eo fm eg r a i n 卸dg r a i nb o 锄d a r y t h eu h i m 咖t e l l s i i es 打即g t t i 锄de l o n g a t i o no fb o t l lo ft l l et w o f i 部o fa l l o y se l i t l 锄c e da r e r s o l u t i o n 仃e a t m e n t ；t 6 锨冶缸l e n tc o u l di m p f o v et l l eu l t i m a t et e n s i l e 蛐f c 】唱t hs i g n i f i c 舳t l yo f m g - 8 a l - lz i l x g d 枷o y s ，a i l dt l l a t ，t 4t r e a 恤衄ti sm o e 仃e c t i v ef o rt 1 1 er a i o fe l o n g a t i o n a “o t e x 仃u s i o np d 0 c e s s ，t l l eg m i ns i z eo fm g - 8 a l - l z n - x g da l l o y s 心d l | c e ds i 阴i f i c 锄t l y ， a sar e s u l t ，t l l em e c h a l l i c a lp r o p e n yi n c r e a do b v i o u s l y h e a t 仃e 咖e n ts h o w s h e l pf o rt h e i m p r o v e m e n to fm g _ 8 a l l z n x g da l l o y s t 1 l eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t l la n dt l 地y i e l dt c n s i l e 沈阳1 二业大学硕士学位论文 s t r e n 昏hr e d u c e d 船t 1 1 et e s tt e m p e r a t u r er i s i n g ，b u tt h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e d 嬲m et e s t t e m p e r a t u r er i s i n g f r a c t u r cs i l r f a c ea l l a l y s i sf e v e a l e dt h a t ：a tm o mt e m p e r a t i l r e ，a s c a s tm g 一8 a l - l c a x g d a l l o y ss h o wb r i m e 行a c t i l r ec h a r a c t e r ，t h e f a c t u r em o d ec h 锄g e da f t e rt 4 仃e a t m e m ，a c h a r a c t e ro fm i x e dd u c t i l ea n db r i 砌e 疗a c t u r e 印p e a r e d 1 1 1 e 舳c t o g r a p h yo fa s c a s t ， h o t - e x 协l d e d ，t 4t r e a t e da n dt 6t r e a t e dm g 一8 a l l z n - x g da l l o y se x h i b “e dm i x e d 胁c 嘶 c h a m c t e r sa tr o o mt e m p e 船t u s ；a te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，嬲一c 舔tm g - 8 a l - l z n - x g da l l o y s a l s os h o w sm i x e d 矗t u r cc h a r a c t e r s ，b u tt l l et e n s i l e 加c t i l r eo ft h eh o t - e x 仃u d ea l l o y s o c c u r r e di nad u c t i l em o d e k 呵w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ，h o te x t s i o n ，g m i nn n n e m e n t m i c r o s t n c t u n ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y 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：盈五日期：2 虹2 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 目前我国已初步形成镁合金高新技术产业。镁合金开发应用及产业化是“十五”国 家科技攻关重大项目之一，全国共有2 1 个省、自治区、直辖市及计划单列市的4 个研 究院所、7 所高校、2 0 多家企业直接参与了项目实施。目前已初步建立了从镁合金前沿 高科技研发到产业研发、技术开发的技术研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化 关键技术，并培育、组建了十几家有关镁合金及制品的股份制公司，建立了一批镁合金 产业化基地，已经形成从高品质镁合金生产、镁合金关键设备与工艺，交通领域( 汽车、 摩托车、列车) 和3 c 产品( 计算机、通讯、消费类电子) 镁合金应用产品开发生产到 产业化环境与示范基地建设的一条完整的技术创新产业链。我国金属镁的需求量每年以 2 0 的速度快速增长，原镁产量占全球产量的4 0 ，居世界首位【1 】。随着国家“十一五” 规划的出台以及对建设和谐社会、可持续性发展社会的整体规划的要求的深入，镁合金 的研究必将走入一个崭新的发展阶段。 1 1 镁合金的特点 纯镁的机械性能低，不能做结构材料使用【2 】。在工业上，纯镁除了少部分用于化学 工业，仪表制造及军事工作外，主要用于制造镁合金，及生产镁铝合金的合金元素。目 前世界上的原镁产量约有5 0 用于制造镁合金，3 3 用于制造铝合金，其余的用做生产 某些合金的还原剂，脱氧剂及变质剂等。 镁合金重量轻、吸震性能高、铸造性能良好、模铸生产率高，另外还具有良好的切 削性能、良好的可再生性、高散热性、高电磁扰屏障等特性p 卅。镁合金具有优良的力 学性能，特别适用于轻质结构件。镁的这些优点使其被誉为“2 l 世纪绿色工程金属结构 材料”，并将成为2 l 世纪重要的商用轻质结构材料【5 羽。 然而，镁合金也存在这一些缺点。比如，熔融状态下的高反应能力，相对于铝来说 的较低的疲劳和蠕变性能，还有极低的电化学腐蚀抗性【7 锕。 1 2 提高镁合金- 性能的方法 虽然镁合金具有以上的一些优点，但是其缺点却是不可忽视的，这些缺点的存在严 重地影响了镁合金在工业中的推广和应用，因此许多科学工作者致力于镁合金性能的改 高性能镁铝稀士系列镁合金的研究 进方法的研究。与普通的工程材料类似，大部分的材料改性方法对于镁合金来况都是适 用的。例如，常见的提高强度的方法：合金化强化、热处理强化、细晶强化、第二相强 化、形变强化等均可提高镁合金的强度，其中部分方法还可以提高镁合金的塑性。在这 些方法中，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 往都是建立在镁的合金化基础上的。 镁的合金化原理是通过加入合金元素，产生固溶强化和第二相强化，以提高合金的 力学性能、抗蚀性和耐热性等性能。通过加入不同的合金元素，镁合金形成了以下几个 主要的二元合金系列：m g a l ，m g z n ，m g m n ，m g - r e 、m g 一1 1 1 、m g a g 和m g l i 等。 这些合金化元素在镁合金中主要有以下作用：生成弥散沉淀相，起沉淀强化作用；起变 质作用，减小粗大相形成，细化晶粒等。对比各种合金元素在镁合金中的存在形式，考 虑二元镁合金的力学性能，镁中合金元素可以划分为以下3 类： 第l 类是同时提高镁合金的强度与塑性的元素 按强度递增顺序为：a l 、z n 、c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、t h ； 按塑性递增顺序为：t b 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、a l 、n i 、c u ； 第2 类合金元素是只提高镁的塑性，而对强度影响很小，有c d 、1 1 和l i ； 第3 类是牺牲塑性，而提高镁强度的元素，有s n 、p b 、b i 和s b 。 热处理也是提高镁合金性能的主要方法之一。常见的镁合金热处理方法有固溶处 理，人工时效处理，或者二者的结合。镁合金的强化直接来源于基体中合金元素引起的 固溶强化和中间相的弥散强化，经固溶处理后的弥散强化效果比单纯的过饱和固溶强化 要好。近年来也出现了一些新的镁合金热处理方法，如半固态等温热处理1 9 】。 1 3 高性能镁合金的研究进展 虽然镁合金具有非常高的比强度，但是总的来说镁合金的强度均低于铝合金，此外， 高温性能差也是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一。当温度升高时，它的强度和抗蠕 变性能大幅度下降，大大限制了其应用。所以提高镁合金的室温强度和高温强度是镁合 金研究中要解决的首要问题。目前国内外主要从稀土元素合金强化、镁基复合强化和快 速凝固粉末冶金法等方面进行研究，以期提高镁合金的室温强度和高温强度【l0 1 。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 1 稀土镁合金 我国的稀土资源及其丰富。稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料 领域中有其独特的作用。它可以净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及高温力 学性能、增强合金耐蚀性能等。因此，稀土作为主合金元素或微合金化元素，被广泛应 用在钢铁及有色金属合金( 铜、铝、锌等合金) 中。在镁合金领域，稀土优异的净化、 强化性能不断被人们认识和掌握，开发出一系列含稀土的镁合金，它们具有特有的高强、 耐热、耐蚀等性能，可以拓展镁合金的应用领域【1 1 1 2 】。在镁合金中一般含有稀土2 1 1 ，目前世界各国的含稀土铸造镁合金牌号占镁合金总数5 0 以上。研究稀土在镁合 金中的作用机制，加强应用研究，伴随镁合金在结构材料领域的高速发展，将大大促进 稀土的应用，提升镁合金产品附加值，有利于我国资源综合利用，将我国的资源优势转 化为经济优势1 1 3 】。 从上世纪7 0 年代就开始了添加稀土元素强化镁合金的广泛研究和应用。2 0 世纪7 0 年代，p e t t e r s o ng 【1 4 埂出在m g m 合金中加r e ，得到了较好的效果。后来d o w 化学 公司开发了实用的址4 2 合金。9 0 年代有研究指出【1 5 】，在m g a l 合金中加入l 左右的 r e 会形成含r e 的化合物，如a l l 4 r e 、a l l l r e 3 或a 1 2 r e 相，而没有发现m g r e 相或 m 哥r e a l 相化合物，说明在i 也加入量较少时，稀土与镁难以结合生成化合物。但由 于r e 与a l 结合生成r e - a l 化合物，减少了a l 形成低熔点相m 勖7 a l l 2 的数量，有利于 提高m g m i 通合金的蠕变性能，因此具有很高的热稳定性。 经过许多科学工作者的共同努力，许多稀土镁合金已经实现了商业化，其中主要包 括：q e 2 2 、z e 4 l 、e q 2 l 、e z 3 3 、w e 5 4 和w e 4 3 ，还有a e 系列镁合金等。他们均已 在航天器上得到了应用。近年来，稀土镁合金的研究是镁合金研究中一个热点。其中研 究较多的稀土元素主要有：n d 、y 、c e 、g d 、s c 、e r 等。 宁夏华兴有色合金铸造有限公司的黄伯杰【1 6 】等以前苏联飞机机轮样件为依据，试制 出含钕耐热高强m g n d ，z n z f 系铸造镁合金。所研制合金的最佳成分( 质量分数) 为： 2 5 n d ，o 2 z n ，o 5 z r ，余为m g 。经过固溶处理后，对该合金的力学性能进行测试， 其抗拉强度为2 8 1 m p a ，伸长率为8 9 ( 5 4 5 。c 固溶，淬水) 。夏长清等f 1 7 】对m g - n d z n z r 稀土镁合金在温度为2 5 0 4 5 0 。c 、应变速率为o 0 0 2 o 1 0 0 s 一、最大变形程度为6 0 高性能镁铝稀士系列镁合金的研究 的条件下，进行了高温压缩模拟实验研究。分析了该合金在高温变形时的流变应力和应 变速率及变形温度之间的关系，计算了变形激活能和应力指数，并研究了在热压缩过程 中组织的变化，为确定该稀土镁合金的挤压温度提供了实验依据。哈尔滨理工大学【1 8 】 也对该合金进行了研究，结果表明：n d 添加量的增加提高了合金的2 5 0 0 c 高温抗拉强 度，但当n d 添加量超过2 8 时，合金的高温强化作用并不十分显著。m g n d z n z r 合 金在2 5 0 。c 时的拉伸断裂方式主要是韧性断裂。 b s m o l a 等指出，m g g d 二元合金具有优异的力学性能，其较高的蠕变抗力达到 或者超过了w e ( m g y n d z r ) 系列合金。s c 、m n 和特殊稀土元素的加入对改善低稀 土含量的m g - r e 合金的蠕变行为有利。它们通过析出稳定相m n 2 s c 来保持高温下的较 高蠕变抗力 1 9 】。文献1 2 川研究了m g r e ( c e ，n d ，y ) z n z r 合金显微组织及力学性能， 揭示了实验合金在不同稀土元素作用下的结构特点及断裂行为。实验合金在挤压和t 2 ( t 6 ) 热处理后的拉伸力学性能分别为2 5 1 3 m p a ，2 7 5 5 m p a 和2 5 3 3 m p a 。部分合金在 2 5 0 。c 拉伸时强度分别1 8 7 3 m p a 和2 1 9 6 m p a 。东北轻合金加工厂在上世界9 0 年代初 研究了m g y m n 合金板材【2 l 】。成分为m g ( 3 4 ) y 2 m n 的新型镁合金是高强、高 耐、抗蚀、可焊的板材合金，综合性能较为满意。其抗拉强度在室温下达到了3 1 1 m p a ， 2 0 0 。c 下的抗拉仍然可以保持在3 0 0 m p a 以上。他们还研究了m g y 二元合金板材的拉 伸性能，当y 含量达到8 1 3 5 时，该二元合金的室温抗拉强度达到了3 5 2 m p a ，伸长率 为4 9 。还有人对m g y 合金的电子理论进行了研究【2 2 1 。他们认为，添加稀土元素y ， 可以显著提高镁合金的力学性能特别是高温力学性能。对比m g a l 合金，阐明了y 优 于a l 在镁合金中的固溶强化作用的电子理论依据是键能得到增强；同时用电子理论解 释了m 9 2 4 y 5 中间相在镁合金中具有显著强化作用的原因是y 原子占据八面体中心位 置，m g y 键有效强化了合金基体。 s l l l l 曲a l 【l e e 等【2 3 】研究了y 、s r 、n d 的加入对四种a z 9 1 挤压铸造镁合金的微观组 织和微观断裂机制的影响。微观组织分析表明，添加少量的合金化元素就可以细化合金 晶粒，但是非连续析出的m 1 7 a l l 2 相在晶界仍然可见。对a z 9 1 s r 合金的原位断裂测试 表明，粗大的针状第二相颗粒和m 1 7 a l l 2 相在晶界的分布，是低应力水平下晶阳j 断裂的 原因，从而导致了韧性的降低。另外，a z 9 1 y 和a z 9 l n d 合金的断裂韧性却有所提高， 4 沈阳工业大学硕士学位论文 因为变形和断裂的路径是向晶内进行的而不是朝向晶界，这是由于在晶内发生了面滑移 和孪生。研究表明，在面滑移和孪生有效地进行的基础上，加入y 或者n d 对提高所研 究的合金的断裂韧性是极其有效的。 很多研究1 2 们6 1 都表明：i 也的加入可以改变镁合金晶界上三元相的形态，细化合金 的铸态组织，提高镁合金的强度和显微硬度；合金强度的提高主要得益于组织中析出相 的弥散强化作用。y 与合金中的a l 元素形成块状金属间化合物a 1 2 y ，n d 与合金中的 a l 元素形成条状金属间化合物a 1 2 n d 。二者均属于热稳定相，在合金的凝固过程中，它 们首先析出，并成为合金凝固的异质形核剂，促成晶核的形成，从而细化了m g a l 合金 的铸态组织。m g 6 0 z n 1 5 a l 合金中同时加入s i 和y 时，合金的细化效果更加明显。 高熔点s i y 颗粒相和m 9 2 s i 颗粒相对合金有更强的弥散强化作用，合金的室温、高温强 度以及硬度得到明显提高，并能保持良好的韧性。 由于高纯度的稀土价格较高，往往稀土镁合金中又需要加入含量较高的稀土来提高 其性能，所以会导致合金成本较高。为了降低合金的成本，很多科学工作者研究了混合 稀土对镁合金性能的影响。王立世等2 刀在a z 9 1 镁合金基础上添加不同含量的混合稀土， 对其铸态和固溶时效的组织及性能进行了研究。结果表明，混合稀土显著改变a z 9 l a 合金的铸态组织，使m g l 7 a l l 2 相细化，并出现针状相，从而使硬度、强度提高，但冲击 韧度值及伸长率下降；进一步的固溶时效证明该针状相并不固溶于基体中；m m 的加入， 推迟了a z 9 l 的时效硬化过程。还有人研究了镁镧、镨、铈混合稀土合金的微观组织。 结果表明，添加的混合稀土，只有少量固熔在镁基体中，绝大部分形成了稀土化合物， 沿晶界呈网状分布【堋。 1 3 2 快速凝固镁合金 快速凝固镁合金是未来镁合金的研究方向之一。快速凝固是利用快速凝固可以研究 凝固过程的基本原理，制备超高性能的非平衡材料。通常情况下，快速凝固制各的镁合 金强度大5 0 0 m p a ，比强度大于2 5 0 m p a ，( g c n l 3 ) ，因此被称为超高强度镁合金【柳。 近年来，快速凝固应用于镁合金方面取得可喜成绩，超高强度镁合金抗拉强度已经 达到了9 3 5 m p a ，比强度达到了4 8 0 m p a ，( g c m 3 ) 1 3 0 1 。研究发现f 3 1 】m g 合金中加入y 和重稀土合金元素可以获得3 0 0 0 c 以下稳定存在的亚稳相。该类合金在保证了工艺性能 高性能镁锅稀十系列镁合金的研究 不变条件下，通过亚稳相强化后具有优异的室温、高温性能和耐腐蚀性能，如 m g g d n d z r 、m g d y - n d z r 和m g g d y - z r 等；发现了m g 合金中稳定准晶相的存在， 确定了准晶的结构【3 2 】：从理论上研究了包括o m w a i l 、固溶、弥散和细晶等强化机制。 表1 1 是经快速凝固并挤压成形后的m g c a 系合金的力学性能【3 3 j 。从表中可以看出， m g c a 系列合金室温下的强度很高。随着强度的升高，材料的伸长率大幅度降低。随着 温度的升高，材料的强度降低。当温度升至2 0 0 。c 时，与室温相比，强度下降幅度超过 了5 0 。由此可见，m g c a 系列超高强度材料可以应用于室温工作环境，而无法应用于 2 0 0 3 0 0 0 c 工作环境。 表1 1m g - c a 系超高强度镁合金性能 t a b 1 1p r o p e r t i e so f m g ah i 曲s 讹n g t l lm a g n e s i u ma o y s a 厶 极限抗拉强度帆伸长私 弹擎 密度 口 m ，- - - - - - - - - - - - - 二二- - - - - - - - - - - - - - - - 一 室温2 0 0 。c3 0 0 。c室温2 0 0 。c3 0 0 。ce g p a p ，( m g 佃一3 ) m 2 c a 3 8 0 7 34 4 21 7 2 3 m 5 c a 4 5 8 o 94 7 81 7 1 5 m 2 1 2 c a 6 91 3 7 6 41 0 1 11 7 0 0 m 5 c a - 5 z n 4 8 32 1 31 4 2 04 7 92 0 2 05 1 11 8 0 6 m 2 3 c a _ 5 c c 4 1 91 7 32 9 0 44 4 49 4 54 6 41 7 8 9 1 1 ! 鱼堂墅! 盟! ! ! i ：! ! ：!；! ：；! ! ：! ：! 箜 m g a l 系超高强度镁合金的研究结果也表明1 3 0 】，该合金系可以获得超高强度，但是， 同m g c a 系列超高强度材料一样，只能应用于室温工作环境。此外，s s c h o 等发现， 快速凝固状态的硬度，抗拉强度和腐蚀抗力都比铸造状态的高，这是因为快速凝固合金 的微观组织细小，而且均匀度也较高【3 4 1 。另外，随着a l 含量的增加，合金的硬度、力 学性能、腐蚀抗力均增加。他们得到的快速凝固m g a l 合金轧制片的抗拉强度达 2 9 4 m p a ，伸长率达到了1 9 。另外还有关于m g n i l o c e l o 、m g n i l 5 y 5 、m g c u 5 y 1 0 和 m 配1 1 2 c e 3 等快速凝固镁合金的研究的报道，他们的极限抗拉强度分别达到了7 5 0 m p a 、 8 3 0 m p a 、8 0 0 m p a 和9 3 5 m p a 【2 9 】。日本熊本大学采用快速凝固粉末冶金法( r s p ，m ) 于 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 0 0 1 年成功开发出屈服强度为6 1 0 m p a ，伸长率达到5 以上的m 9 9 7 z n l y 2 和 m 9 9 6 z n l y 3 镁合金，这种合金的镁具有长周期有序结构的特性【3 5 l 。 1 3 2 变形镁合金 、 虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高 的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。 因此，开发变形合金，是其未来更长远的发展趋势。在2 8 种镁合金系列中，变形镁合 金的系列有m g a l 系、m g - z n 系、m g - h 他系、m 哥r e 、m g - n 系、m g - l i 系等【3 6 1 。 在变形镁合金中，常用的合金系是m g a l 系与z k 系列。m g - a l 系变形合金一般属 于中等强度、塑性较高的变形材料，铝在镁中的含量为0 8 ，典型合金为a z 3 1 、a z 6 1 、 和a z 8 0 合金，由于m g - a l 合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能，而且价格较 低，因此是最常用的合金系。z k 系合金一般属于高强度材料，其变形能力不如m g 一灿 系合金，一般采用挤压工艺生产，典型合金为z k 6 0 合金。 很多的研究都表明，通过挤压、轧制等塑性变形手段可以提高镁合金的性能，这其 中包括了强度和塑性的改善。挤压变形可显著地细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学性 能3 7 。3 3 】，挤压后的组织以绝热剪切条纹和细小的a 再结晶等轴晶为基本特征。对于m b l 5 的研究p 川也得出了类似的结果。而细化晶粒是有利于提高合金的强度和塑性的。有人【删 也研究了a z 3 1 热轧片在不同温度下的拉伸行为，其室温下的屈服强度和抗拉强度分别 达到了2 3 0 m p a 和3 4 3 m p a 。挤压比对镁合金挤压产品性能的影响很大，随挤压比的增 大，晶粒细化程度增加；强度、硬度也随挤压比的增大而增大，而伸长率却降低了。温 度对挤压镁合金产品性能的影响也很大。m n a i 【柚i s h i 【4 l 】等研究了挤压态z k 6 0 镁合金 的拉伸性能，其结论之一就是，随挤压温度的升高，挤压产品的屈服强度和抗拉强度降 低，伸长率提高。目前主要认为对镁合金进行挤压，轧制等高温塑性变形时，发生了动 态回复再结晶和孪生【4 2 书l ，这有利于提高镁合金在高温下的变形能力。在挤压变形的镁 合金中也发现了超塑性【4 6 j 。 挤压态镁合金的抗拉强度高于铸态镁合金是因为铸态镁合金经挤压加工后晶粒破 碎变细，在镁合金受力时有效承载面积较铸态大的多；并且铸态镁合金中容易产生缩松、 气孔、夹杂等缺陷，而挤压后缺陷数量减少，使金属的强度增大。挤压态镁合金伸长率 高性能镁铝一稀十系列镁合金的研究 明显优于铸态镁合金是因为挤压使晶粒细化，晶粒的大小反映滑移距离的大小，因而影 响障碍前位错塞积的数目。细化晶粒，裂纹不易形成，并且裂纹形成后也不易扩展，因 为裂纹扩展时要多次改变方向，将消耗更多的能量。因此，具有细晶粒组织的金属，其 脆断性能优于粗晶粒组织的金属，有利于提高塑性。 1 3 4 其他高性能镁合金 ( 1 ) 镁基复合材料 对镁合金进行复合材料化也是提高镁合金性能的方法之一。镁基复合材料密度小， 仅为铝或铝基复合材料的2 3 左右，具有高的比强度和比刚度以及优良的力学和物理性 能，在新兴高新技术领域中比传统金属材料和铝基复合材料的应用潜力更大。自2 0 世 纪8 0 年代末，镁基复合材料已成为金属基复合材料领域的研究热点之一。过去对该材 料的大量研究工作主要针对国防和航天应用的需要，随着新型制造工艺的研究发展，镁 基复合材料在航天航空、汽车、核工业、运动娱乐以及其他先进的工程方面得到了更广 泛的应用4 7 1 。 目前关于镁基复合材料的研究工作主要集中于材料组成、制备工艺和材料组织及性 能等方面。镁基复合材料主要由镁合金基体、增强相和基体与增强相间的接触面界 面组成。常用基体合金目前主要有：m g - m n ，m g ，m g - z n ，m g z r ，m g l i 和m g r e ， 此外，还有于较高温度下工作的2 个合金系m g a g 和m g - y 。增强相选择要求与铝基 复合材料大致相同，都要求物理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承受能力强，尽量 避免增强相与基体合金之间的界面反应等。常用的增强相主要有c 纤维、t i 纤维、b 纤维，2 0 3 短纤维，s i c 晶须，b 4 c 颗粒、s i c 颗粒和a 1 2 0 3 颗粒等【4 引。 ( 2 ) 耐热镁合金 镁合金高温力学性能较差，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能往往大幅度下降， 因而它难以作为高温长时间使用的部件。提高镁合金的高温性能是最近3 0 年镁合金研 究的重要课题。已开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土( r e ) 、硅( s i ) 、 钍( t h ) 和银( a g ) 。从2 0 世纪8 0 年代以来，国外致力于利用c a 来提高镁合金的高 温抗拉强度和抗蠕变性能【4 9 1 。目前常用的耐热镁合金系列有m g a l 、m g z n 、m g r e 系 沈阳工业大学硕士学位论文 等，其中m g r e 系合金耐热性能最好。镁基复合材料和快速凝固镁合金是较新的研究 领域，它们也具有良好的高温力学性能【铷。 ( 3 ) 超轻m g l i 合金 m g 中以“为主要添加元素，即构成了m g - l i 合金，又称超轻m g 合金。这种合金 由于轴比c a 的降低或晶体结构的改变，使其可加工性提高。m g “合金是迄今最轻的 金属结构材料，其密度只有1 3 0 1 6 5 9 c i n 3 ，仅为合金的1 ，2 ，传统m g 合金的3 4 。 这种合金还有一系列的优点和特点：弹性模量高，抗压屈服强度超出普通m g 合金的 2 ，3 1 倍，各向异性不明显，塑性好，冲击韧性好，对缺口不敏感，低温韧性好，良好 的阻尼性能等；同时还具有m g 合金抗高能粒子穿透能力强的优点。因此，超轻m g - l i 合金不仅能满足航空、航天工业对轻质材料的需求，而且可以减小振动，降低宇宙射线 对电子仪器设备的干扰，在航空、航天、电子、军事等领域将具有广阔的应用前景【引1 。 1 3 5 高性能镁合金的发展趋势 从上世纪5 0 年代始，镁合金汽车零部件表现出明显的优越性，在汽车制造业的推 动下，众多合金元素对镁合金力学性能与工艺性能的影响已得到较系统的研究，尤其是 稀土及碱土金属元素对镁合金高温性能的影响引起了材料工作者的重视，镁合金的种类 和产量均得到空前发展。另外，镁合金良好的电磁屏蔽能力及减振性能，也受到电子、 通讯行业的青睐。近年来，镁合金在电子、通讯行业中的需求量正以每年2 5 的幅度增 长，主要用来生产笔记本电脑、移动电话、摄影器材以及数码视听产品的壳体。目前的 研究方向主要是以固溶强化、细晶强化以及析出强化为基础，采用合金元素优化、热处 理、形变强化、机械合金化以及一些先进的铸造加工技术等手段来进一步提高镁合金的 常温和高温力学性能【5 2 】。 目前，镁合金的合金化主要朝着两个方向进行【5 3 】： 1 ) 以高强高韧为目标：m g m g a l m n 系一m g - a l z n 系一m g - 砧- c a ( i 江) 及m g - s i 系一m g - l i x 系一m 哥z n z 卜r e ； 2 ) 以提高抗蠕变性能为目标：m g m g a l - s i 系( 最高温度1 5 0 。c ) 一m 哥a 1 r e ( 最 高温度1 7 5 。c ) 一m g - a l - c a x 及m g - i 汪- z n m n 系( 最高温度2 0 0 。c ) 一m g - a g - r e z r 9 一 高性能镁铝稀十系列镁合金的研究 系( 最高温度2 0 0 2 5 0 。c ) 一m g - y r e z r 系( 最高温2 5 0 一3 0 0 。c ) 一m g s c - x - y 系 ( 3 0 0 0 c ) 。 1 4 课题的提出 我国有丰富的稀土资源( 占世界已探明的稀土储量的8 0 以上) ，稀土的应用与 开发对合理利用稀土资源十分重要。因此，开发含稀土的高品质镁合金材料在我国有独 特的优势。稀土镁合金的高强、耐热、耐蚀性能不但能进一步增加镁合金材料在现有的 汽车工业、通讯电子业等行业领域中的应用，也可促进镁合金材料在新领域中的迸一步 开发和利用，同时还为稀土材料的应用开辟出一个十分广阔的领域。不断改进完善现有 的稀土镁合金，同时开发成本低、性能好的新型稀土镁合金，对镁合金材料和稀土材料 领域的发展将具有极大的推动作用。 本课题将主要以m g a l 系列合金作为基体材料，添加稀土元素g d 以及元素c a 、 z n 来提高其室温和高温力学性能，研究其规律和机理，并通过挤压和不同类型的热处 理来进一步提高其综合性能，为开发高强度，高韧性，高热强性的镁合金奠定坚实的理 论基础。在试验过程中着重研究以下内容： 1 1 所加入的合金元素对所研究的合金的微观组织和力学行为的影响； 2 ) 挤压工艺对该新型镁合金力学行为和微观组织的影响； 3 ) 不同的热处理工艺对该新型镁合金的力学行为和微观组织的影响； 4 ) 该镁合金的挤压变形行为及机制； 5 ) 组织形貌对该新型镁合金的力学行为的影响。 6 ) 力图通过以上的试验、研究，开发出一种高性能的新型变形镁合金，找出该新 型合金的强韧化机制，并且确定进一步提高其力学行为的塑性加工方法和热处理工艺。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 试验材料及方法 2 1 实验材料 本课题所用的合金包括m g a 1 z i l 系a z 9 l 镁合金，其化学成分( 重量百分比，以 后在没有特殊说明的情况下，此百分比均指重量百分比) 为9 0 舢、o 9 5 z n 、0 2 m n 、 余量为m g ，a z 9 l 镁合金铸锭由宁夏华源冶金实业有限公司提供。此外还采用含 g d 2 0 1 5 的m g g d 中间合金，由长春应用化学研究所提供。另外，实验中还用到了工 业纯m g 、工业纯z n 、工业纯c a 以及工业纯a l 。 2 2 试验设备 本试验的全过程可大致分为：试样的制备、拉伸试验、组织观察、断口扫描和数据 处理共四个阶段，在试验过程中使用的设备如表2 1 所示： 表2 1 试验所用设备列表 t a b 2 1e q u i p m e n 协吣e di nt h j se x p e r i m e n t 试验用途设备名称 镁合金热挤压 时效处理 拉伸试样的加工 拉伸试验 金相组织观察 断口及试样表面分析 国产6 5 0 吨卧式挤压机 s x - 4 1 0 箱式热处理炉 国产j 0 7 0 8 0 - 4 型线切割机 国产c s s 5 5 1 0 0 型电子万能试验机 n e o 曲o t