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《重庆大学》 2012年
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稀土Nd对ZM61合金组织与性能影响研究

段作衡  
【摘要】:Mg-6wt.%Zn-1wt.%Mn(ZM61)合金是一种高锌含量的新型变形镁合金,经过T4+双级时效后,强度能达到商业高强变形镁合金ZK60的水平,但双级时效工艺复杂,时效时间较长,大大降低了合金生产效率。稀土作为一种重要的合金化元素,能够细化合金晶粒,改变第二相形貌及性质,这些优点使得稀土变形镁合金的研究成为近年来镁合金的研究热点。 本文利用金相显微镜(OM)、扫描电镜及能谱分析(SEM+EDS)、X射线衍射分析(XRD)、差热分析(DSC)等分析手段研究了不同含量的稀土Nd(wt.%=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%)对ZM61合金铸态、均匀化态、挤压态、直接时效态、固溶态以及单双级时效态组织的影响规律,并测试了合金不同状态的力学性能,分析了稀土Nd的存在形式以及Nd对不同状态合金力学性能的影响规律和作用机理,得到的结果如下: ①稀土Nd能细化合金铸态组织,随Nd含量的增加,细化效果愈明显;铸态ZM61合金由α-Mg基体、Mg_7Zn_3以及MgZn_2组成,当加入稀土Nd后,Nd与Mg、Zn生成了稀土三元相T_2,化学式为(Mg,Zn)11.5Nd;DSC分析可知稀土T_2相熔点在467℃左右,具有良好的热稳定性;330℃/16h+420℃/2h双级均匀化退火能很好的消除ZM61合金中的枝晶偏析,但随Nd含量的增加,均匀化效果逐渐减弱,当Nd含量为0.8%时,合金中的第二相体积百分比达到了7.35%。 ②挤压态ZM61合金由α-Mg、MgZn_2和单质Mn组成,当Nd含量较低时(0.2%、0.4%),发现挤压态合金中的稀土相为T1,说明在均匀化及热挤压过程中稀土相有从铸态时的T_2向T1转变的倾向;当Nd含量逐渐升高时,稀土相T_2向T1转变的倾向减弱,当Nd含量为0.8%时,合金中没有检测到T1相,稀土相仍为T_2相;合金在热挤压过程中均发生了动态再结晶,生成了大量细小的再结晶晶粒,但挤压态ZM61合金组织中仍有尺寸巨大的未再结晶变形晶粒,并且晶粒尺寸也不均匀;当加入稀土Nd后,合金晶粒尺寸得以细化的同时组织也变的更加均匀,合金平均晶粒尺寸由最大的25μm细化到10μm;添加Nd后,由于细晶强化和第二相强化共同作用使得挤压态合金强度升高,其中ZM61-0.4Nd具有最佳的综合力学性能,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分为247Mpa、312Mpa和7.0%;直接时效态(T5)合金相对于挤压态合金抗拉强度没有明显变化,但屈服强度和延伸率都有一定程度的上升。 ③ZM61、ZM61-0.2Nd和ZM61-0.4Nd合金经过420℃/2h固溶后,能保证晶粒细小的同时也有较好的固溶效果,而ZM61-0.8Nd合金420℃下分别固溶2h、6h、10h、14h后仍残留较多的未溶稀土相。当Nd含量从0.2%增至0.8%时,合金中第二相的体积百分比由0.43%增至5%;420℃/4h+460℃/2h双级固溶处理也不能溶解ZM61-0.6Nd和ZM61-0.8Nd合金中大量的稀土相,进一步提高双级固溶温度(420℃/4h+480℃/0.5h)后,ZM61-0.6Nd和ZM61-0.8Nd合金中的稀土相能全部溶入基体,但此时合金晶粒已严重粗化,并发生了过烧。 ④ZM61-xNd合金在180℃单级时效时维氏硬度随时间变化的规律极其相似,在最初的10小时,合金硬度快速上升,当时效时间为16h时,合金都达到了峰值硬度,其中ZM61-0.2Nd硬度值最高(84HV),ZM61-0.8Nd硬度值最低(76HV);加入Nd能显著提高单级时效态合金的强度,单级时效态合金中ZM61-0.4Nd具有最佳的综合力学性能,屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为338Mpa、359Mpa和7.6%,相比ZM61合金,屈服强度和抗拉强度分别提升了61Mpa、38Mpa,而延伸率几乎没有变化;当Nd含量继续增加时,由于三元稀土相Mg-Zn-Nd吸收了基体中Zn原子,使得合金析出相减少,合金强度不如低Nd含量(0.2%,0.4%)合金强度;双级时效(90℃/24h+180℃/16h)能够进一步提升ZM61、ZM61-0.6Nd和ZM61-0.8Nd合金强度,但却不能提高ZM61-0.2Nd和ZM61-0.4Nd合金的强度。双级时效后ZM61-0.4Nd合金力学性能最优,但与单级时效态ZM61-0.4Nd合金力学性能相相差不大。综合考虑,单级时效态ZM61-0.4Nd合金具有最佳的力学性能和经济价值,这是因为ZM61-0.4Nd合金经单级时效处理后就能达到最佳的力学性能并且省去了双级时效中的低温预时效处理过程,提高了生产效率。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG146.22

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