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随着汽车和航空器材轻量化和高性能的发展,迫切需要轻质材料的使用。镁合金以其密度低,比强度高,导电导热性好,而且无毒,对环境无污染,易回收利用等优点在汽车、电子产品和航空航天等领域得到越来越广泛的应用。与其它镁合金相比,Mg-Zn-Y-Zr系稀土镁合金因具有较高的室温和高温力学性能而倍受关注。本文以不同Zn/Y比的Mg-Zn-Y-Zr系镁合金为研究对象,系统地研究了热处理条件、织构、主要合金相(W-phase和I-phase)和Zn/Y比对合金力学性能的影响,揭示出Mg-Zn-Y-Zr系合金微观组织变化与其强化机理的关系,为镁合金材料设计、开发和应用提供了实验参考。
研究了不同热处理条件下锻造态Mg-Zn-Y-Zr镁合金中主要相(I-phase和MgZn析出相)对合金室温拉伸性能和疲劳行为的影响,揭示出具有较小尺寸的I-phase颗粒和细小MgZn析出相的T5态(180℃进行24小时人工时效)是该合金最佳热处理状态,可以使该合金的力学性能达到最优。利用超声疲劳实验方法研究和比较了T5退火态Mg-Zn-Y-Zr锻造态镁合金和ZK60挤压态镁合金在高周和超长疲劳寿命条件下(106-109周次)的疲劳行为。结果表明,T5退火态Mg-Zn-Y-Zr锻造态镁合金具有确定的疲劳极限,其值为85±SMPao对于ZK60挤压态镁合金,其S-N曲线在5×106~108周次范围内存在一平台,而在108~109周次范围内,疲劳强度逐渐降低,对应于109周次的疲劳强度为90±5MPa。
通过对不同Y含量挤压态Mg-5.65%Zn-xY-0.8%2r镁合金的力学性能进行研究,揭示出Mg-Zn-Y-Zr系镁合金的强化机制。XRD相分析表明,当Zn/Y比大于4.38时,合金中的主要相为准晶相I-phase和α-Mg基体。当Zn/Y比在1.10和4.38之间变化时,合金中的主要相为I-phase、W-phase和α-Mg基体。当Zn/Y小于1.10时,合金的主要相为W-phase和α-Mg基体。拉伸试验结果表明,当Y含量在0到1.72wt%之间变化时,合金的强度随着I-phase数量的增加而增加。由于Y含量在1.17到1.72wt%之间变化时,合金中I-phase的体积分数达到最大值,故具有较高的强度。相反,当Y含量在1.72和3.69wt%之间变化时,随着合金中W-phase体积分数的增加.合金的力学性能不断降低。因此,Mg-Zn-Y-Zr镁合金强度的提高主要依赖于I-phase颗粒的强化作用。
研究了挤压过程对Mg-5.5%Zn-xY-0.8%Zr镁合金(Y含量分别为0,1.08,1.97和3.08wt%)的相分布和室温力学性能的影响。XRD分析表明,元素Y对合金的{0002}基面织构影响不大。然而,合金仍存在明显的力学各向异性。而且,随着Y含量的增加,纵向和横向抗拉强度(UTS)的差异显著增加。
通过研究含I-phase的Mg-Zn-Y-Zr合金微观组织、拉伸性能和疲劳行为,揭示出高低Zn/Y比(10和5)对合金微观组织和力学性能的影响。
利用I-phase对Mg-Zn-Y-Zr系镁合金的强化作用,研制出了具有低密度、高强度、较好塑性的Mg-Li-Zn-Y镁合金,解决了镁锂合金强度较低等问题。该含锂镁合金材料是处于两相区的α+β双相合金,其组分及其含量为:锂(Li)含量为5.5~11.5%;锌(Zn)含量为0.5~15%;钇(Y)含量为0.1~8%和余量的镁(Mg)组成,所有百分数为重量百分数。该合金的抗拉强度为Ob=200~300MPa,屈服强度为σ0.2=150~260MPa,延伸率为δ=17~65%,密度为1.34~1.83 g/cm3。