镁合金由于强度低、变形能力弱和耐腐蚀性能差,至今未得到大规模的工业应用。最新研究表明,镁及镁合金中加入一定量的重稀土元素(Gd、Dy和Sm等)后具有显著的时效强化效应,可大幅度提升镁合金常规力学性能和高温耐热性能,应用前景广阔。本文将系统研究一个新的镁合金体系—Mg-Dy-Nd-(Gd)系合金不同加工状态下的组织、结构、力学性能和断裂行为,重点研究清楚合金的相形貌、结构、转变规律及强化机制,为研制高性能镁稀土合金提供实验和理论依据。Mg-Dy-Nd-(Gd)系合金铸态组织和性能研究结果表明,DN73K、DN103K、DN103K和DGN443K合金铸态组织均由初生基体相、存在于晶界的骨骼状Mg5RE(f.c.c., a=2.24nm)相、以及位于骨骼状Mg5RE相内部或者边缘的块状相RE17Mg3(f.c.c., a=0.526nm)组成。Mg-Dy-Nd合金中Dy含量增加或者用Gd替换部分Dy后,合金中骨骼状相均有所增加,拉伸强度增加,塑性降低,解理断裂特征更加明显。Mg-Dy-Nd-(Gd)系合金固溶态组织和性能研究结果表明,经固溶处理后,DN73K、DN103K、DN123K和DGN443K合金晶粒尺寸增加,晶界骨骼状Mg5RE相基本消失,沿晶界分布的块状RE17Mg3相有长大趋势。同时,合金的强度和塑性均较铸态合金有明显的提高,其断口解理面大部分由撕裂棱连接起来,表现为穿晶断裂。Mg-Dy-Nd-(Gd)系合金时效硬化曲线和时效析出行为研究结果表明,该系合金具有明显的时效硬化效应。Mg-Dy-Nd系合金中Dy含量较低的DN73K合金时效析出序列为β″、β1和β相;Dy含量较高的DN103K和DN123K时效析出序列依次为β″、β′、β1和β相;Gd代替部分Dy的DGN443K合金的时效析出序列依次为β″、β1和β相。其中,沿{ 112 0}面形成的β″相(DO19, a=2aMg=0.64nm,c=cMg=0.52nm)和椭球状β′相(b.c.o., a=0.640nm, b=2.223nm, c=0.521nm)均与基体完全共格,它们和基体的取向关系分别为:<0001>β″//<0001>α, { 11 00}β″//{ 11 00}α和<001>β′//<0001>α, {100}β′//{ 112 0}α;沿{ 11 00}面形成的板条状β1相(f.c.c., a=0.74nm)可形核于β′相,也可由β″相直接转变而来,其与基体的取向关系为:<110 >β1//< 0001>α, { 11 1}β1//{ 112 0}α;β1相经共格转变形成稳定的β相(f.c.c., a=2.223nm),β相为面心立方超结构,且与β1相具有相同的形貌及取向关系。Mg-Dy-Nd-(Gd)系合金时效态力学性能和强化机制研究结果表明,时效初期,合金的强度随着时效时间而增加,峰时效过后,合金的强度有迅速下降的趋势,高温长时间时效处理后,合金的强度随时效时间的变化不明显。峰时效态合金中的β″相及β′相为主要强化相,强化机制为共格强化;当位错遇到早期过时效态形成的β1相时,位错可穿过该相;当位错遇到过时效态形成的β相时,位错则绕过该相,从而形成Orowan强化。峰时效态合金经室温变形后形成大量的{ 101 2}型和一定的{ 101 1}型形变孪晶。随着拉伸温度的升高,流变应力的降低使得诱发孪晶的能力降低,从而使得合金形变孪晶的数量明显降低。高温变形过程中(高于250℃),β″和β′相的消失及β1和β相的形成使得位错更容易沿基面及非基面滑移,从而使得合金的拉伸强度明显降低,塑性增加。其中,合金峰时效态断口解理面光滑,解理断裂特征明显,早期过时效态和过时效态合金断口均为解理断裂,断口有一定撕裂棱存在;随着实验温度的升高,合金峰时效态断口由解理断裂向韧性断裂转变。DN123K合金挤压态组织与性能研究结果表明,未均匀化处理的合金经350℃挤压变形后,粗大的铸态骨骼状相得以破碎,合金的强度和塑性均有所提高;均匀化处理后的合金经350℃和450℃挤压后,发生了动态再结晶,过饱和固溶体内析出球状相,其结构与铸态骨骼状相的完全相同,合金的强度和塑性均得到明显的提高,实验范围内挤压温度对合金组织性能的影响并不明显。挤压态合金的断裂方式为韧性断裂。