高强度铸造Mg-Gd-Y-Zr合金的成分设计、固溶强化及沉淀强化机理研究

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	高强度铸造Mg-Gd-Y-Zr合金的成分设计、固溶强化及沉淀强化机理研究
	高磊
学位类型	博士
导师	韩恩厚 ; 陈荣石
	2010
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料学
关键词	Mg-gd-y-zr合金强化机制显微组织半固态成形热力学相图
摘要	"镁合金是最轻的金属结构工程材料之一，它具有密度低、高比强度、高比刚度、电磁屏蔽性和阻尼性好等特性。但镁合金强度偏低，高温性能差，限制了它们的广泛应用，因此提高镁合金的室温和高温强度是镁合金领域要解决的重要问题之一。Mg-Gd系合金作为一种新型高强度耐热镁合金在航空航天和国防军工等领域具有潜在的应用前景。本文以Mg-Gd-Y-Zr合金为研究对象，综合运用实验测定、热力学相图计算和第一性原理计算等手段系统研究了Mg-Gd-Y-Zr合金的强化机理。研究了二元Mg-Y和Mg-Gd单相合金室温和高温下的固溶强化行为。结果表明室温下Mg-Y和Mg-Gd合金的固溶强化效果与合金成分(C)呈Cn幂指数关系，其中n = 1/2或2/3。在此基础上，进一步建立了三元Mg-Gd-Y固溶体合金的屈服强度与溶质原子数量之间的定量模型，该模型能够较为准确地描述三元Mg-Gd-Y合金的固溶强化规律。在Mg-Y和Mg-Gd二元单相合金中，在150-250 oC温度区间内观察到动态应变时效(DSA)现象，由于发生动态应变时效，室温下建立的Mg-Y和Mg-Gd合金固溶强化规律在DSA温度区间内失效。同时发现，Y和Gd原子的固溶强化效率远大于Al和Zn原子的强化效率，表明Y和Gd在镁中具有用传统弹性交互作用理论无法解释的反常高的固溶强化能力。运用第一性原理计算，从原子和电子尺度上研究了不同固溶原子，Y、Gd、Al和Zn对Mg固溶体合金的晶体结构、弹性常数、电子结构以及成键特性的影响。结果表明Y和Gd进入Mg基体中不仅增强了Mg-Y和Mg-Gd共价键，而且增强了Y和Gd原子周围的Mg-Mg共价键，阐明了RE元素Y和Gd在Mg中反常高的固溶强化效率的电子起源。运用热力学相图计算研究了Mg-Gd-Y合金的平衡相组成、凝固路径、成形性能，并进行了高强度铸造合金的成分设计。结果表明Mg-9Gd-4Y (wt.%)是潜在的可热处理强化镁合金。研究了铸造Mg-9Gd-4Y-0.5Zr (wt.%, GW94)合金在不同热处理状态下的微观组织演变规律、力学性能、断裂机制和强化机理。结果表明该合金具有明显的时效硬化特征。225 oC峰值时效后，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为370 MPa、277 MPa、4.5%。高温性能研究表明，从室温到250 oC，GW94合金的强度保持在310 MPa以上，显示了良好的耐热性；高于250 oC，由于析出相发生了粗化和回复现象，组织软化，合金的力学性能明显降低。合金的断裂机制由低温下的穿晶断裂为主转变为高温下的沿晶断裂为主。综合考虑合金在不同热处理状态下的固溶强化、沉淀强化以及晶界强化等强化机制，获得了GW94合金的多重复合强化规律，同时指出亚稳beta'相具有非常好的沉淀强化能力，在峰值时效状态下，由其导致的沉淀强化约占合金总屈服强度的65%。运用第一性原理计算，研究了beta'相的晶格参数、电子结构及其弹性模量。结果表明，beta'与基体之间的晶格错配决定了其形貌，根据沿各个方向的晶格错配的相对大小，解释和预测了析出相沿cbeta'晶轴方向的尺度最大，沿abeta'晶轴方向的尺度最小的形貌特征。获得了beta'相所有的弹性常数和弹性模量，并从化学键的角度解释了其力学性能，揭示了beta'相强化的本质因素。综合运用实验测定和热力学相图计算，选择液相分数的温度敏感系数、成形温度窗口和凝固温度区间等冶金参数对Mg-Gd-Y-Zr合金的半固态成形性能进行了预测和评估。结果表明，Gd和Y的加入有利于Mg-Gd-Y合金半固态成形性能的提高，且Mg-Gd-Y系合金的触变成形性能优于其流变成形性能。其中，高强度GW94合金的触变成形性能优于A356铝合金和AZ91镁合金，是适合半固态成形的潜在合金。研究了该合金在液固两相区的显微组织演变规律。分别采用定量金相分析、热力学相图计算、差示扫描量热分析(DSC)以及冷却曲线热分析(CCA)等方法获得了GW94合金的液相分数-温度曲线，并分析了不同方法之间结果差异的原因。对比研究了金属型重力铸造和半固态触变成形条件下GW94合金的显微组织和力学性能，结果表明半固态触变成形可以显著提高该合金的力学性能。"
其他摘要	Magnesium alloys are one of the lightest metallic structural materials, which possess many advantages, such as low density, high specific strength and rigidity, good electromagnetism shield, and good damping capacity, etc.. However, the relatively low strength and poor high temperature performances limit their extensive applications. Therefore, one of the most important problems is to improve the strength of magnesium alloys at both room and elevated temperatures. High strength and heat-resistant Mg-Gd system alloys have great potential to be used in the aerospace and national defence. The present dissertation systematically investigates the strengthening mechanisms of Mg-Gd-Y-Zr alloys by using a combination of experimental approaches, thermodynamic phase diagram calculations, and first-principles calculations.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64190
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	高磊. 高强度铸造Mg-Gd-Y-Zr合金的成分设计、固溶强化及沉淀强化机理研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2010.