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原文传递 Mg-Sm-Zn-Zr合金的微观组织、力学性能和蠕变机制研究

论文题名：	Mg-Sm-Zn-Zr合金的微观组织、力学性能和蠕变机制研究
关键词：	镁合金;显微组织;蠕变机制;力学性能;汽车动力系统
摘要：	为了使镁合金能够在汽车动力系统得到广泛应用，人们开发了大量压铸耐热镁合金，但均难以满足汽车工业对压铸镁合金力学性能优良、铸造性能好和成本低等三方面的要求。对耐热镁合金蠕变变形机制缺乏系统的研究，是限制其发展的主要因素。　　本文旨在开发一种综合性能优良的低成本压铸耐热镁合金，研究其在蠕变过程中的微观组织演化规律。重点探讨耐热镁合金的蠕变变形机制，以期为低成本耐热镁合金的发展提供理论和实践基础。　　选择稀土元素钐(Sm)为主要添加元素，以实现晶界强化和晶内强化，提高合金的力学性能。Sm在镁中的最大固溶度为5.8wt.％，比钇(Y)、钆(Gd)等稀土元素的最大固溶度小。在镁合金中添加少量Sm（≤5wt．%），就可以形成较多晶界共晶相，强化晶界。此外，Sm的最大固溶度较铈(Ce)、镧(La)等稀土元素大，在铸态合金的晶粒内部能固溶一定量的稀土原子，蠕变过程中将析出大量强化相，强化基体。此外，镁稀土合金中加入少量锌(Zn)，有助于提高镁合金的力学性能，尤其是高温抗蠕变性能。　　为此，以Mg-Sm-Zn-Zr合金(Zr为晶粒细化剂)为基础，开发了一种低成本压铸耐热镁合金。采用电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)、光学显微镜(0M)、金相图像分析仪、X射线衍射仪(XRD)、带能谱分析(EDAX)的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段，通过室温和高温拉伸、高温拉伸蠕变试验，系统研究了重力铸造Mg-xSm-O.5Zn-O.4Zr(x=0.4，0.7，1.5，3，5)和Mg-3Sm-yZn-O.4Zr(y=0，0.5，1)（wt．%）合金的微观组织、室温和高温拉伸性能以及高温抗蠕变性能，获得了最佳合金——Mg-3Sm-O.5Zn-O.4Zr合金。在此基础上进行了压铸试验，分析了铸造工艺（重力铸造和压铸）对合金组织和力学性能的影响。观察了重力铸造和压铸Mg-3Sm-O.5Zn-O.4Zr合金在蠕变过程中的组织演变规律，据此探讨了典型铸态耐热镁合金（包含晶界共晶相和晶内强化相）的蠕变变形机制。　　研究结果表明，Sm和Zn合金化能够改善重力铸造Mg-O.4Zr合金的微观组织，提高合金的拉伸性能。当x=3，y=0.5时，重力铸造合金中的第二相主要由非连续晶界共晶相和大量晶内弥散析出相组成，析出相为Mg41Sms相，与基体之间存在共格关系：(0002)Mg//(220) MgalSms，[-211O]Mg//[1-10]M941Sms，该析出相与基体的基面垂直，有利于阻碍位错的基面滑移，同时晶界共晶相能钉扎晶界，合金具有最好的室温和高温拉伸性能。　　由压铸试验结果可知，因为冷却速度较快，压铸Mg-3Sm-O.5Zn-O.4Zr合金晶粒细小，晶内没有出现细小强化相，而是形成了溶质过饱和区。该合金具有优良的抗蠕变性能，在200℃/70MPa经100小时的蠕变量仅为0.08%；其室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为:205MPa、121MPa和18.3%，较AM-HP2压铸合金有显著提高。通过对压铸试样表面质量的分析发现，采用Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金压铸的试样表面质量良好，没有出现冷隔、热裂等缺陷，说明合金具有良好的流动性和较低的热裂倾向，铸造性能良好。　　以重力铸造和压铸Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金为研究对象，利用OM、SEM和TEM观察了合金的蠕变组织，并结合蠕变激活能和应力指数，探讨了典型铸态耐热镁合金（包含晶界共晶相和晶内强化相）的蠕变变形机制。依据实验数据提出随温度和应力的变化规律，合金在200～250℃/60～100MPa的蠕变变形机制可分为三类：　　 I类为温度或应力较低的区域(200℃/60～100MPa和225℃/60～80MPa)。在该区域位错基面滑移是主要变形机制，位错以割阶形式攀移为蠕变速率控制机制。　　 Ⅱ类为中温高应力区域(225℃/80～1OOMPa)。在该区域除位错基面滑移外，非基面滑移和孪生在蠕变变形中也起到重要作用。蠕变速率受位错交滑移控制。　　 Ⅲ类为高温低应力区域(250℃/60～70MPa)。蠕变过程中有明显的晶界滑动，位错基面滑移和晶界滑动为主要变形机制，蠕变速率受位错攀移和晶界滑动等机制共同控制。　　通过TEM观察发现，在I类和Ⅱ类蠕变条件下，重力铸造Mg-3Sm-0.5Zn-O.4Zr合金的晶粒内部发生动态析出，蠕变稳态阶段析出相尺寸小、密度高，能够阻碍位错滑移，是合金蠕变速率低的主要原因。而随着时间的延长，析出相过度粗化导致蠕变抗力下降，蠕变速率增加。　　压铸Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金在I类和Ⅱ类蠕变条件下，晶内溶质过饱和区析出大量弥散强化相，密度较重力铸造合金更高，因此压铸合金具有更好的抗蠕变性能。　　在Ⅲ类条件下，晶界滑动在蠕变变形中起到重要作用，提高晶界第二相的高温强度，有效钉扎晶界，是增强合金抗蠕变性能的关键。　　从优化微观组织的角度出发，耐热镁合金的开发，可以从调整合金成分，形成有效的第二相，以强化基体和晶界，抑制蠕变过程中位错滑移、孪生和晶界滑动等方面考虑。
作者：	郑江
专业：	材料加工工程
导师：	王渠东
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文