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? 收錄于合集#結(jié)構(gòu)材料前沿359個(gè) ![]()
導(dǎo)讀：本文通過熱擠壓、熱軋和時(shí)效聯(lián)合工藝成功開發(fā)了一種具有高強(qiáng)塑性協(xié)同作用的低稀土含量 Mg-3Y-2Gd-1Nd-0.5Zr (wt%) 合金。該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性平衡（UTS 為 345 ± 2.0 MPa，TYS 為 301 ± 5.0 MPa，EL 為 9.2 ± 1.9%），優(yōu)于許多 稀土元素 濃度較高的 Mg-RE 變形合金，甚至可與 6061 鋁合金鍛造合金相媲美。熱擠壓和熱軋的聯(lián)合過程促進(jìn)了變形晶粒和小角度晶界的形成，使變形晶粒在合金強(qiáng)化中占主導(dǎo)地位。在這種情況下，隨后的時(shí)效產(chǎn)生了一種新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括具有寬顆粒間距的長程鏈狀結(jié)構(gòu)和變形晶粒中寬敞的無析出物區(qū)，這對強(qiáng)化和增韌起關(guān)鍵作用。本研究表明，具有長程鏈狀結(jié)構(gòu)和無沉淀區(qū)的變形晶粒是用于低稀土含量的鎂合金理想的微觀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用。
鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，在過去的幾十年里引起了相當(dāng)大的關(guān)注。它們的競爭特性，例如低密度、高比強(qiáng)度、高鑄造性和出色的阻尼性能，使它們成為汽車和航空航天工業(yè)中許多應(yīng)用的有吸引力的候選者。與鋁合金等結(jié)構(gòu)金屬材料相比鎂合金的強(qiáng)度和延展性較差以及成本上的劣勢限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用。為了解決這些問題，國內(nèi)外已經(jīng)做出了許多努力來開發(fā)具有高強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用的低成本鎂合金。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)出一些商用鎂合金，如AZ系列、AM系列和ZK系列合金。盡管這些不含稀土（RE）的鎂合金成本較低，但它們在高溫下較差的機(jī)械性能仍然在一定程度上阻礙了它們的工業(yè)應(yīng)用。與不含稀土的鎂合金相比，含稀土的鎂合金通常在室溫和高溫下都表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能。
北京工業(yè)大學(xué)杜文博教授團(tuán)隊(duì)采用純Mg、Mg-30Gd（wt%）、Mg-30Y（wt%）、Mg-20Nd（wt %) 和 Mg-30Zr (wt%) 中間合金在 CO 2 /SF 6下的電爐中(99:1) 保護(hù)氣氛。Mg 的純度為 99.99 wt%。當(dāng)純鎂在 760 °C ± 3 °C 熔化時(shí)，添加 Mg-30Gd (wt%)、Mg-30Y (wt%)、Mg-20Nd (wt%) 和 Mg-30Zr (wt%) 中間合金到融化。通過熱擠壓、熱軋和時(shí)效聯(lián)合工藝成功開發(fā)了一種具有高強(qiáng)塑性協(xié)同作用的低稀土含量 Mg-3Y-2Gd-1Nd-0.5Zr (wt%) 合金。該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性平衡（UTS 為 345 ± 2.0 MPa，TYS 為 301 ± 5.0 MPa，EL 為 9.2 ± 1.9%），優(yōu)于許多 稀土元素 濃度較高的 Mg-RE 變形合金，甚至可與 6061 鋁合金鍛造合金相媲美。相關(guān)研究成果以題“Development and characteristics of a low rare-earth containing magnesium alloy with high strength-ductility synergy”發(fā)表在鎂合金頂刊Journal of Magnesium and Alloys上。 鏈接：https://www./science/article/pii/S2213956722000421#fig0001 ![]()
圖 1。示意圖和真實(shí)照片顯示了所研究合金的加工路線、研究中使用的相應(yīng)鑄造、擠壓和軋制設(shè)置以及最終產(chǎn)品。
AC和AC-T4合金的顯微組織使用OM觀察如圖2所示。AC 合金主要由等軸晶粒和分布在晶界的共晶相組成，圖 2 a 和 b。在 T4 處理后，大部分共晶相顆粒溶解到基體中，圖 2 c 和 d。AC 和 AC-T4 合金的平均晶粒尺寸分別為 22 ± 0.5 μm 和 27 ± 0.8 μm。為了分析相組成，對 AC 和 AC-T4 合金進(jìn)行了XRD ，如圖 3 所示。XRD結(jié)果表明AC合金由Mg和Mg 5 RE相組成，而AC-T4合金僅含有Mg相。根據(jù)圖中的結(jié)果。2如圖3和圖3所示，AC合金中的共晶相可以識別為Mg 5 RE相，大部分Mg 5 RE相在T4處理后溶解到基體中。AC-T4合金的顯微組織表征進(jìn)一步通過TEM和HAADF-STEM進(jìn)行圖4。a 和 b 在 AC-T4 合金的晶粒內(nèi)部顯示出大量的堆垛層錯 (SFs)。這些 SFs 在 n (0001) α - Mg上形成?基面，間距范圍為 60-100 nm。原子尺度觀察表明，SFs 是內(nèi)在缺陷，具有 ABABABCACACA 的堆疊序列?？梢韵胂螅?dāng) SFs 在 Mg 固溶體中形成時(shí)，會在斷層面附近立即產(chǎn)生無序區(qū)域。RE原子傾向于偏析到無序區(qū)域并降低彈性應(yīng)變。因此，預(yù)計(jì)與堆垛層錯平面相鄰的區(qū)域富含這些原子。然而，HAADF-STEM 結(jié)果表明，SF 處沒有合金元素的偏析。該結(jié)果與 Mg-Y-Zn 合金中的結(jié)果相同，其中 SF 沒有合金元素的偏析[29] 圖 5。顯示了 AC-T6 合金的時(shí)效硬化曲線?？梢钥闯觯珹C-T6 合金在 96 h 時(shí)達(dá)到了 98 ± 3.7 HV 的峰值硬度，增量為 27 HV。圖 4 c 和 d中峰值時(shí)效 AC-T6 合金的顯微組織表明，大量的 β' 相在基體中析出，這是提高硬度的原因。圖 2。(a 和 b) AC、(c 和 d) AC-T4、(e) E 和 (f) E+R 合金合金的 OM 圖像。
圖 3。研究合金在不同條件下的XRD結(jié)果。注：用于鑒定Mg的JCPDS卡號為00-035-0821(*)，鑒定Mg 5 RE的JCPDS卡號為03-065-7133(C)。圖 4。AC-T4合金中SF的TEM-BF圖像和HAADF-STEM圖像（a和b）和AC-T6合金中的（c和d）β'p hase。
在熱擠壓和熱軋之后，對 E 和 E+R 合金進(jìn)行時(shí)效處理。圖 5的時(shí)效硬度曲線表明，E-T5 合金在 96 h 時(shí)達(dá)到峰值硬度 99±2.3 HV，而 E+R-T5 在 24 h 時(shí)達(dá)到峰值硬度 90±2.1 HV。與 E-T5 合金相比，E+R-T5 合金具有更快的時(shí)效硬化響應(yīng)，但峰值硬度更低（圖 11）。顯示了 E-T5 和 E+R-T5 合金在峰值時(shí)效條件下的顯微組織。在 E-T5 合金中，大量尺寸在 10-20 nm 范圍內(nèi)的 β' 相離散地分布在晶粒內(nèi)部。一些尾狀結(jié)構(gòu)由βH相、βM在 β' 相周圍觀察到相和鋸齒形 RE 原子柱。這些細(xì)顆粒濃縮了 Y、Gd 和 Nd 合金元素，圖 12 a 和 b。在 E+R-T5 合金中，除了細(xì)顆粒外，在晶界處還觀察到了幾個(gè)球形顆粒，圖 12C。這些球形顆?？赡苁菬彳堖^程中動態(tài)析出形成的。相應(yīng)的選區(qū)電子衍射(SAED)圖表明它們是Mg 5 RE相。圖 5。AC-T6、E-T5 和 E+R-T5 合金的時(shí)效硬化曲線。
圖 6。(a 和 b) E 和 (c-f) E+R 合金的TEM結(jié)果。除了通過熱擠壓和熱軋進(jìn)行的顯微組織改性外，由于眾所周知的β'相沉淀強(qiáng)化，時(shí)效處理對改善本合金的力學(xué)性能起著重要作用。與 E 和 E+R 合金相比，時(shí)效處理使 E-T5 和 E+R-T5 合金的拉伸屈服強(qiáng)度分別增加了 108 MPa 和 40 MPa。顯然，與E+R-T5合金相比，E-T5合金具有更明顯的析出強(qiáng)化效果。這些合金的時(shí)效硬化行為也與其機(jī)械性能一致。雖然E-T5合金達(dá)到峰值硬度的時(shí)間比E+R-T5合金長，但前者的峰值硬度比后者高。機(jī)械性能和時(shí)效硬化行為的這種差異與 E-T5 和 E+T-T5 合金中 β' 相的不同析出行為有關(guān)。圖 7。(a-d) E 和 (e-g) E+R 合金的EBSD反極圖 (IPF) 圖。圖像 (a) 顯示了全晶粒的 IPF 圖，而圖像 (b)、(c) 和 (d) 顯示了 E 合金的變形晶粒、細(xì) DRX 晶粒和粗 DRX 晶粒的 IPF 圖。圖像 (e) 顯示了全晶粒的 IPF 圖，而圖像 (f) 和 (g) 顯示了 E+R 合金的變形晶粒和 DRXed 晶粒的 IPF 圖。圖 8。取自 (a) E 和 (b) E+R 合金的全晶粒、DRX 晶粒和變形晶粒的反極圖 (IPF)。圖 10。(a-c) E 和 (d-f) E+R 合金的EBSD結(jié)果。(a 和 d) 晶界圖；(b 和 e) 雙地圖；(c 和 f) 局部方向錯誤圖。ETs是指伸展雙胞胎，CTs是指收縮雙胞胎，STs是指繼發(fā)雙胞胎。圖 12。(a 和 b) E-T5 和 (c) E+R-T5 合金的TEM結(jié)果。
圖 13。研究合金在 (a) AC、AC-T4 和 AC-T6 條件和 (b) E、E+R、E-T5 和 E+R-T5 條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。熱擠壓產(chǎn)生由少數(shù)變形晶粒和大量再結(jié)晶晶粒組成的雙峰微觀結(jié)構(gòu)。熱擠壓和熱軋的聯(lián)合工藝促進(jìn)了變形晶粒和小角度晶界的形成，使變形晶粒在合金中占主導(dǎo)地位。因此，變形晶粒的強(qiáng)化貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于其他強(qiáng)化因素。時(shí)效導(dǎo)致形成密集分布的β'相，這導(dǎo)致E-T5合金的強(qiáng)度-塑性折衷。對于 E+R-T5 合金，時(shí)效產(chǎn)生了一種新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括具有寬顆粒間距的長程鏈狀結(jié)構(gòu)和變形晶粒中寬敞的無析出區(qū)，這在同時(shí)發(fā)生的過程中起關(guān)鍵作用。E+R-T5合金的強(qiáng)化和增韌。在所研究的合金中首次觀察到由β′相、βH相、βM相和鋸齒形原子柱組成的長程鏈狀結(jié)構(gòu)。圖 14。各種 (a 和 b) 鎂鑄造合金和 (c 和 d) 鎂鍛造合金的機(jī)械性能。還包括所研究合金和 6000 系列鋁鍛造合金的機(jī)械性能。圖像（a 和 c）總結(jié)了 TYS 作為這些鎂合金的斷裂伸長率的函數(shù)，而圖像（b 和 d）總結(jié)了 TYS 作為這些鎂合金的 RE 含量的函數(shù)。圖 15。(a) AC、(b) AC-T4、(c) E 和 (d) E+R 條件下研究合金的斷裂表面。具有長程鏈狀結(jié)構(gòu)和無沉淀區(qū)的變形晶粒是低稀土含量鎂合金實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用的理想微觀結(jié)構(gòu)。 |
