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镁合金以其低密度、比强度高、抗电磁干扰能力强等优点,而日益成为生活应用和研究重点,如取代交通工具中的部分钢结构部件,达到减轻自重,从而减少能耗的目的。商业用镁合金目前的应用主要包括电子产品外壳、汽车仪表盘、座椅支架、方向盘等非承力室温部件,下一步人们预期将镁合金应用于汽车的发动部件及动力传动系统,如变速箱、发动机缸体、活塞等高温部件。这些应用要求合金具有优良的耐高温性能,而镁合金的高温性能不佳一直是制约着镁合金应用的因素,所以凸显出开发耐高温镁合金的重要性和急迫性。现在商业中应用的高温镁合金主要是WE系列镁合金(Mg-Y-RE),通过添加稀土元素,增加合金的沉淀强化效果,提高合金室温及高温强度。但是WE系列镁合金维持强度的温度不超过200°C,而汽车中的发动机部件往往要求材料的工作温度要达到300°C甚至以上,因此急需研发新的耐高温镁合金。近年来,以Mg-Gd系为基础镁稀土合金成为开发新型耐高温镁合金的关注热点,文献中报道Mg-Gd系合金具有比WE系列更加优良的高温性能(拉伸和抗蠕变性能),而在此基础上,添加Y元素或/和Zn元素,形成Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Zn、Mg-Gd-Y-Zn等合金,这些合金都较Mg-Gd二元合金有更好的抗蠕变性能。但是,至今为止,关于Gd、Y、Zn等元素关于Mg-Gd(-Y-Zn)-Zr系合金的高温蠕变性能(尤其是250-300°C区间)的影响规律与作用机制,以及蠕变过程中的微观组织演化及其对合金高温蠕变行为的影响,还没有系统地研究和报道过。因此,本课题按照稀土元素摩尔浓度固定的原则,设计了四种合金成分:Mg-2.5Gd-0.1Zr、Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr、Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr和Mg-2.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr(at.%),通过高温拉伸蠕变试验、背散射电子扫描显微镜(BSE)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)及相场模拟等技术手段,系统地研究这些合金的蠕变性能以及表征这些合金蠕变前后的微观组织结构,从而揭示Zn、Y、Gd元素对Mg-Gd合金高温蠕变行为的影响机制,以及合金微观组织(析出相及晶界无析出带)在蠕变过程中的演化规律,以期为今后耐高温镁合金的设计与开发提供一定的理论指导。在第三章中,通过测试以上四个合金在250°C和300°C下的不同应力状态的蠕变曲线,以及对比分析了蠕变前后的微观组织结构变化,系统研究了蠕变性能随着合金成分的变化规律。发现Mg-2.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr合金始终表现出最好的抗蠕变性能,如250°C/80 MPa条件下所测得的最小蠕变速率为1.7×10-9 s-1,100 MPa条件下的最小蠕变速率为4.5×10-9 s-1,120 MPa条件下的最小蠕变速率为1.3×10-8 s-1,而对比之下,Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr合金的抗蠕变性能最差,即最小蠕变速率值最高。通过比较Mg-2.5Gd-0.1Zr和Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr合金的蠕变性能和组织结构,发现添加1.0 at.%的Zn元素会降低合金的抗蠕变性能,可归因于晶内的强化析出相β′相的减少;通过比较Mg-2.5Gd-1.0Zn-0.1Zr和Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr合金,发现用1.0 at.%的Y元素取代Gd元素可以提高合金的抗蠕变性能,这是因为Y元素的扩散速率比Gd元素低;通过比较Mg-1.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr和Mg-2.5Gd-1.0Y-1.0Zn-0.1Zr合金,发现提高Gd元素的含量可以提高合金的抗蠕变性能,因为增大了β′相的密度。在第四章中,以Mg-2.5Gd-0.1Zr合金为代表,重点分析了蠕变过程中晶内析出相的晶体结构、形貌以及变体取向的演变规律,通过对比不同蠕变时间、不同蠕变应力、不同蠕变温度对析出相演变的影响,探讨析出相变体在蠕变过程中形成与外加应力方向相关的择优方向生长的物理本质。研究发现β′相由蠕变前的三种变体,在蠕变过程中,两种变体逐渐消失,只剩下一种变体并不断形核长大,排列成串,这些析出相串大致与外力方向垂直。蠕变时间越长,蠕变应力越大,这个现象就越明显。成串的析出相中交错排列着β′相和βF′相,而βF′相从未在Mg-Gd中被报道过,在这章的最后讨论了产生这种现象的原因。在第五章中,系统研究了Mg-2.5Gd-0.1Zr合金蠕变过程中产生的晶界无析出带现象,并在实验表征与理论分析基础提出了镁合金高温蠕变晶界无析出带的位错流动模型。研究表明,这些无析出带都分布在与外力方向垂直的晶界两旁。实验中观测到两种类型的较宽的晶界无析出带:一种位于晶界析出相的一侧,并与其所在的晶粒有取向差。另一种位于两列晶界析出相之间,与晶内没有取向差,且晶界来回折返于这两列析出相之间。这些晶界无析出带形成的原因与晶界附近位错的流动有关,而不同类型的晶界无析出带主要是由于晶界两侧晶粒取向不同,即两侧晶粒变形难易程度不同,导致的位错在两侧移动的能力不同所致。