稀土含量与挤压工艺对Mg-Gd-Er-Zn合金组织及其力学性能的影响

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镁合金作为目前最轻的金属结构材料,具有密度小、比强度和比刚度高、减振性能优异等优点,在航空航天、国防军工、交通运输等对轻量化要求越来越高的领域具有十分广阔的应用前景。但由于镁合金的绝对强度低、室温塑性差极大地限制了镁合金的工业化应用。因此,研发具有优异综合力学性能的变形镁合金并了解其室温塑性变形行为,对开发新型高强韧变形镁合金和促进变形镁合金的大规模应用具有重要的学术意义和应用价值。本文主要以Mg-1.5Zn(wt.%)合金为基础,通过添加等质量的稀土Gd与Er制备了Mg-Gd-Er-Zn合金。研究了双稀土(Gd,Er)含量以及挤压工艺对Mg-Gd-Er-Zn合金组织与性能的影响,最终制备出了综合力学性能优异的变形镁合金,并对其室温塑性变形行为进行了讨论。铸态Mg-Gd-Er-Zn合金主要由α-Mg和W相(Mg3Zn3(Gd,Er)2)组成;当双稀土(Gd,Er)含量超过4wt.%时,铸态合金中形成了LPSO相。经过450℃热处理后,铸态Mg-4Gd-4Er-1.5Zn(GEZ41)和Mg-6Gd-6Er-1.5Zn(GEZ61)合金中的骨骼状W相转变为LPSO相;当温度提高至500℃,骨骼状W相直接熔断发生球化。随着稀土(Gd,Er)含量的增加,挤压态Mg-Gd-Er-Zn合金获得了均匀细小的动态再结晶组织,基面织构显著弱化,并且晶粒的c轴逐渐向挤压方向偏转,形成了<0001>∥ED的“稀土织构”;挤压态Mg-Gd-Er-Zn合金的综合力学性能与拉压屈服不对称性均得到明显改善,主要与固溶强化、细晶强化和织构弱化有关。第二相形貌对挤压态GEZ41合金的组织与性能有重要影响。块状LPSO相可以促进动态再结晶并获得弱的基面织构,有利于获得良好的塑性;而层状相会严重抑制动态再结晶并形成强烈的基面织构,有利于提高合金的强度;而引入较为细小弥散的第二相可以获得细小均匀的再结晶组织并弱化基面织构,有利于获得良好的综合力学性能。在此基础上,通过提高挤压比获得了更加均匀细小的再结晶组织,含层状LPSO相挤压成12mm棒材的GEZ41合金表现出最优异的综合力学性能:抗拉/压强度分别为335MPa、513MPa,拉/压屈服强度分别为295MPa、309MPa,拉/压延伸率分别为27.6%、16.0%。晶粒尺寸与织构对挤压态Mg-Gd-Er-Zn合金对拉伸与压缩过程的应变硬化行为有重要影响。随着基面织构的弱化,合金的孪生被抑制,基面滑移作为主导变形机制,使应变硬化率的下降速度减慢;而随着晶粒尺寸的减小,促进了合金的非基面滑移,导致应变硬化率减小。含层状LPSO相挤压成12mm棒材的GEZ41合金在拉伸过程中主要的变形机制是柱面滑移和基面滑移;随着拉伸应变的增加,柱面滑移得到进一步激活,并形成更加强烈的基面纤维织构。压缩过程中主要的变形机制是柱面滑移、基面滑移以及拉伸孪生;随着压缩应变的增加,由于滑移与拉伸孪生的共同作用,晶粒的c轴向压缩方向偏转,形成了比较强烈的<0001>织构。
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