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Mg-5Li-3Al-2Zn-X(RE,Cu,Sn)镁合金显微组织及力学性能的研究

作　者: 李廷取
导　师: 刘勇兵
学　校: 吉林大学
专　业: 材料学
关键词: 镁合金 显微组织 力学性能 蠕变性能 晶粒细化 强韧化机理 Portevin Le Chatelier
分类号: TG146.22
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


镁锂合金是最轻的金属结构材料,它具有密度小、比强度和比刚度高、减震性好、易切削加工等优点,被认为是航天器和汽车轻量化的最佳材料。当镁合金使用温度超过120℃时,由于合金中相的软化导致高温力学性能大幅度下降,这极大地阻碍了镁锂合金大规模地应用。最近几年,国内外对于耐热镁合金的开发给予了高度重视。目前,主要通过降低合金中A1元素的含量,引入高熔点的第二相,减少或抑制低熔点相的形成。已研究和开发的合金体系主要包括：Mg-Al-Sr、Mg-Al-RE和Mg-Al-Ca-Sr系等。因此稀土、铜和锡元素同样可以应用在镁锂合金中,提高合金的耐高温性能。此外,Mg-Zn-Al系合金由于成本相对较低,是一种有发展前途的高温抗蠕变镁合金。该体系合金的力学性能和热裂倾向对成分非常敏感,而且组织中通常存在大量网状的共晶相,导致合金的塑性较差。除少数合金可用于装饰外,关于该体系商业化应用的报道非常少。本论文把RE、Cu和Sn作为合金强化元素添加到Mg-Li-Al-Zn体系合金中,对于已设计优化出的LAZ532-2RE、LAZ532-2Cu和LAZ532-1Sn合金分别进行了热挤压变形加工,研究了合金热挤压变形后的组织和力学性能。挤压态LAZ532-2RE合金在150℃以下,高温拉伸变形机制是孪晶和位错协调的变形机制,当温度升高到200℃左右时,晶粒发生软化,发生的是位错和晶界滑移协调的变形机制,但温度继续升高时,固溶在a-Mg中的Li脱溶析出形成p相,在高温条件下软化的β相变形能力强,它与α相协调发生较大的变形,此时的高温拉伸变形机制是以晶界滑移机制为主要机制,并伴随着脱溶析出的第二相协调变形机制。挤压态LAZ532-2RE合金,在398K、423K和448K温度蠕变测试时,应力指数n值分别为4.25、4.98和6.23,蠕变激活能Qc值在60MPa、80MPa和100MPa的应力条件时分别为104kJ/mol、118kJ/mol和134kJ/mol,其对应的蠕变机制,应力指数在4.25～4.98之间时,蠕变机制是位错攀移型蠕变。当n大于6时,属于受非基面位错运动控制的蠕变,稀土相在高温蠕变过程中阻碍了位错运动,提高了该合金的高温蠕变性能。挤压态LAZ532-2Cu合金在150℃以下时仍然具有较高的强度,当温度达到200℃时强度下降很多,但是在应变速率1×10-2时延伸率高达44%。挤压态LAZ532-2Cu合金,在125℃～175℃温度范围,应力在60MPa-100MPa范围蠕变测试时,应力指数n值分别为3.72、4.8和6.1,蠕变激活能Qc值在60MPa、80MPa和100MPa的应力条件时分别为94.8kJ/mol、123.9kJ/mol和128kJ/mol,其对应的蠕变机制,在125℃～150℃之间时,蠕变机制是位错攀移型蠕变。当温度达到175℃时,属于受非基面位错运动控制的蠕变,铜化合物相在高温蠕变过程中阻碍了位错运动,该合金在蠕变过程中发生了时效强化作用,使得挤压态LAZ532-2Cu合金的蠕变性能与挤压态LAZ532-2RE合金非常接近。挤压态LAZ532-1Sn合金在150℃以下时仍然具有较高的强度,当温度达到200℃时强度下降很多,应变速率1×10-2时延伸率达到75%。挤压态LAZ532-1Sn合金,在125℃～175℃温度范围,应力在60MPa～100MPa范围蠕变测试时,应力指数n值分别为2.5、3.7和5.8,蠕变激活能Qc值在60MPa、80MPa和100MPa的应力条件时分别为104kJ/mol、118kJ/mol和135kJ/mol,其对应的蠕变机制,在应力指数n≈2,蠕变激活能在100kJ/mol左右,为晶界滑移型蠕变。当温度达到150℃时,当应力指数n≈3～4时,为位错滑移型蠕变,当温度继续升高,应力指数n≈6时,此时蠕变激活能Qc=135kJ/mol,为受非基面位错运动控制的蠕变。挤压态LAZ532-2RE合金拉伸曲线中出现了两种塑性失稳现象：第一种小锯齿形波动的失稳现象是由固溶原子与位错相助作用引起的,即是“动态应变时效”机制；第二种大锯齿形波动的失稳现象是由切变变形孪晶诱发的,这种稳态塑性失稳现象的机制是由变形孪晶所造成的“孪晶稳态塑性失稳”机制。挤压态LAZ532-2RE合金常温拉伸出现的异常应变速率敏感现象可以解释为,正应变速率敏感是应变硬化作用引起,负的应变速率敏感是稳态塑性失稳导致的。锂元素的加入降低了镁合金中镁的晶格常数c值,根据X射线步进式扫描计算结果得出LAZ532-2RE合金中a-Mg的晶轴比c/a值从1.624降低到了1.6074,这会导致该合金在常温拉伸时产生较多的变形孪晶,从而大幅度的提高了该合金的延伸率。挤压态LAZ532-2RE合金拉伸变形时产生的切变变形孪晶主要是｛1012｝和｛1011｝孪晶。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第1章 绪论  12-30
  1.1 镁锂合金概述  12-14
    1.1.1 镁锂合金的发展历程  12-14
  1.2 镁锂合金的应用  14-16
    1.2.1 镁锂合金中在航空航天领域的应用  14-15
    1.2.2 镁锂合金在军民领域的应用  15
    1.2.3 镁锂合金展望  15-16
  1.3 二元及多元镁锂合金  16-19
    1.3.1 镁锂二元合金  16-17
    1.3.2 多元镁锂合金  17-19
  1.4 镁锂合金熔炼方法  19-20
  1.5 镁合金塑性成型工艺  20-23
    1.5.1 镁合金的锻造成型技术  20-21
    1.5.2 镁合金的轧制成型技术  21
    1.5.3 镁合金挤压成型技术  21-22
    1.5.4 镁合金半固态成型技术  22-23
  1.6 镁合金的变形机制  23-27
    1.6.1 镁合金的滑移  23-26
    1.6.2 镁合金的孪生形变  26-27
    1.6.3 晶界滑动  27
    1.6.4 镁合金的动态再结晶  27
  1.7 选题依据和研究内容  27-30
第2章 合金制备和实验方法  30-38
  2.1 合金成分设计  30-31
  2.2 合金制备工艺  31
    2.2.1 合金选材  31
    2.2.2 铸造态合金熔炼  31
    2.2.3 铸造态合金均匀化处理  31
    2.2.4 合金的挤压变形  31
  2.3 合金实际成分分析  31-32
  2.4 显微组织观察和分析  32-33
    2.4.1 金相显微组织  32
    2.4.2 X-射线衍射物相分析  32
    2.4.3 扫描电镜显微观察和能谱分析  32
    2.4.4 透射电镜显微观察  32-33
  2.5 性能测试  33-38
    2.5.1 拉伸性能试验  33
    2.5.2 高周疲劳性能试验  33-36
      2.5.2.1 疲劳试验方法  33-35
      2.5.2.2 疲劳强度的测试及计算方法  35-36
    2.5.3 抗蠕变性能  36-38
第3章 Mg-5Li-3Al-2Zn-2RE合金显微组织和力学性能  38-56
  3.1 LAZ532-2RE合金的显微组织  38-40
  3.2 挤压态LAZ532-2RE合金疲劳性能  40-42
    3.2.1 挤压态LAZ532-2RE合金疲劳试验  40-41
    3.2.2 疲劳断口  41-42
  3.3 挤压态LAZ532-2RE合金高温力学性能  42-46
    3.3.1 挤压态LAZ532-2RE合金高温拉伸性能  42-45
    3.3.2 合金断裂分析  45-46
  3.4 挤压态LAZ532-2RE合金高温蠕变性能  46-50
  3.5 分析与讨论  50-53
    3.5.1 稀土对LAZ532-2RE合金显微组织的影响  51-53
  3.6 稀土对LAZ532-2RE合金力学性能的影响  53-54
  3.7 本章结论  54-56
第4章 Mg-5Li-3Al-2Zn-2Cu合金显微组织和力学性能  56-64
  4.1 挤压态LAZ532-2Cu合金的力学性能  56-57
  4.2 挤压态LAZ532-2Cu合金高温蠕变性能  57-60
  4.3 分析与讨论  60-62
    4.3.1 铜对Mg-5Li-3Al-2Zn-2Cu合金显微组织的影响  61
    4.3.2 铜对Mg-5Li-3Al-2Zn-2Cu合金力学性能的影响  61-62
  4.4 本章结论  62-64
第5章 Mg-5Li-3Al-2Zn-1Sn合金显微组织和力学性能  64-72
  5.1 Mg-5Li-3Al-2Zn-1Sn合金的组织  65-69
    5.1.1 挤压态LAZ532-1Sn合金的高温拉伸性能  65-66
    5.1.2 挤压态LAZ531-1Sn合金高温蠕变性能  66-69
  5.2 分析与讨论  69-70
    5.2.1 锡对LAZ532-1Sn合金显微组织的影响  69-70
    5.2.3 锡对LAZ532-1Sn合金力学性能的影响  70
  5.4 本章结论  70-72
第6章 稀土挤压态LAZ532-2RE合金稳态塑性失稳现象  72-82
  6.1 挤压态LAZ532-2RE合金的稳态塑性失稳现象  72-73
  6.2 挤压态LAZ532-2RE合金分段拉伸测试  73-74
  6.3 失稳现象分析讨论  74-80
    6.3.1 失稳现象模拟分析  74-76
    6.3.2 塑性失稳导致异常应变速率敏感现象  76-77
    6.3.3 塑性失稳过程中的孪晶分析  77-80
  6.4 本章结论  80-82
第7章 主要结论和创新点  82-86
  7.1 主要结论  82-83
  7.2 创新点  83-84
  7.3 展望  84-86
参考文献  86-98
作者简介及在学期间所取得的科研成果  98-100
致谢  100

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 镁
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