镁锂合金力学性能及LPSO构筑

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镁锂合金是目前最轻的金属结构材料,具有轻质、高比强度、高比刚度、导电导热性好、电磁屏蔽性能好等优点,使得其在航空航天、武器装备、交通装备、便携电子等领域具有很好的应用前景。在这些应用中往往涉及到合金材料的焊接加工,在合金制成器件后的服役过程中也经常会遇到动态冲击等状况,而目前对于镁锂基合金焊接性能和动态力学性能的研究较少。此外,镁锂合金目前的绝对强度不高、高温力学性能不好等缺点也是制约其广泛应用的关键问题。本论文针对镁锂合金的这一研究现状,对镁锂基合金进行钨极惰性气体保护焊,研究多种具有不同相组成的镁锂合金的焊接组织和性能,以及镁锂合金和铝合金进行异种材料连接时的焊接组织和性能;采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)测试系统对不同应变率下Mg-8Li-1Al和Mg-8Li-1Al-1Ce合金的力学行为进行了研究,通过对比在准静态和动态下材料的不同力学反应,得到该种材料的应变率效应等信息;此外,为提高镁锂合金的强韧性和高温性能,在镁锂合金内首次尝试在铸态和热处理态制备了具有长周期堆垛有序结构(LPSO)的超轻镁锂合金。并采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电镜、能谱仪、力学拉伸仪等测试了合金的微观组织结构和性能。获得了如下研究结果:1.在对不同锂含量的镁锂合金的焊接接头进行研究中发现,镁锂基合金均具有很好的焊接性能,其中含有双相组织的镁锂合金(锂含量8wt.%左右)的焊接性能最好。在TIG焊过程中,虽然可能产生焊接裂纹和焊接缩孔两种焊接缺陷,但这些缺陷可以通过采用适当速度添加母材本体材料的焊丝的方法来避免这些缺陷的产生;对镁锂合金与5083铝合金异种材料焊接接头的组织和性能的研究表明,镁锂合金可以通过TIG焊接方法实现和5083铝合金很好的连接,在焊缝中存在硬脆的Mg-Al相。2.在对挤压态Mg-8Li-1Al合金进行的准静态压缩试验(≤10-3/s)表明,此合金在压缩过程中表现为应变强化效应,而且,在应变率发生变化时,该合金表现出较强的应变率敏感性,即为应变率效应,合金在压缩过程中的流变应力会随着应变率的增大而增大;但当压缩试验的应变率在900/s-1700/s范围内时,此合金的应变率效应变得不明显。在对此合金分别在准静态和高应变率下压缩后的应力应变曲线进行对比后发现:此合金具有较敏感的应变率效应;在不同应变率的条件下对不同方向的试样进行压缩测试并对比其应变率敏感系数后发现:挤压态Mg-8Li-1Al合金有压缩变形行为方面具有较强的各向异性,沿着挤压方向上的试样对应变率的敏感性低于垂直于挤压方向的试样,在平行于挤压方向的力学性能要优于垂直于挤压方向的力学性能。在对Mg-8Li-1Al-1Ce合金进行不同加载速率下的动态压缩试验表明,随着应变速率的增加,此合金的整体应力应变曲线先升高后降低,各个应力应变曲线对应的屈服强度也是随着应变率的增加先升高后降低的,这一转折区间对应的应变速率范围为2300/s-2700/s,分别这一转折的原因是因为在这一应变速率区间试样变形过程中发生了变形局部化,导致了屈服强度的降低。应用Hollomon经验公式,并结合试验结果,得出此合金的应变硬化指数在4.6左右,且该材料的强度系数随应变率的升高先升高后降低。3.通过铸造、热挤压、热处理分别制备了铸态、挤压态和热处理态的Mg-8Li-6Y-2Zn合金,对其组织和结构进行测试表明,在铸态条件下,合金组织中不存在LPSO结构,在对铸态试样进行热挤压后,仍然不存在LPSO结构,铸态合金进行固溶处理后,原来合金内的(Mg,Zn)24Y5发生了相转变,生成18R类型的LPSO结构相。相比铸态合金室温拉伸性能,固溶态合金抗拉强度提高35MPa左右,延伸率提高了近1倍,相比铸态合金高温拉伸性能,其强度提高了30MPa左右,延伸率也有一定提高。合金性能的提高主要归因于长周期结构相的形成。4.在制备Mg-5Li-6Y-2Zn合金时发现,在铸态条件下,合金即存在LPSO结构(以精细条纹的形式存在于α-Mg相内),但这种合金性能不太理想,主要是因为合金内存在着大量分布于枝晶边界的脆性相((Mg,Zn)24Y5),进一步对此合金进行挤压加工把脆性相细化后有望提高合金的性能。
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