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含Nd耐热镁合金显微组织和性能的研究
中文名称: 含Nd耐热镁合金显微组织和性能的研究
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论文编号: 3116888收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Investigation on Microstructures and Properties of Magnesium Heat Resistant Alloys with Nd Additions
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 材料加工工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: Nd 镁合金 N2 L2 AN4x 析出相 惯析面 蠕变 激活能 位错攀移 晶界滑动 解理断裂 沿晶断裂 韧窝断裂
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论文简介:稀土元素是改善镁合金高温性能最有效的元素,在耐热镁合金中,稀土镁合金占有特殊的地位,目前世界各国含稀土铸造镁合金牌号已占镁合金总数50﹪以上。中国是镁、稀土资源大国,研究和开发价格适中和高性能的稀土镁合金具有非常有利的条件。本文以Mg-Nd二元合金和Mg-Al-Nd三元合金为主要研究对象,运用光学金相分析(OM),扫描电子显微分析(SEM),电子束微区分析(EDAX),X射线衍射分析(XRD),等离子耦合光谱(ICP),透射电子显微分析(TEM)等多种分析和测试手段,系统研究了不同稀土元素La和Nd以及Nd含量的变化对:Mg-Nd二元合金和Mg-Al-Nd三元合金的显微组织、力学性能和抗蠕变性能的影响。 在Mg-La和Mg-Nd二元铸态合金中,La和Nd在合金中的分布形式明显不同。La主要存在于沿枝晶间界形成连续粗大的网状分布的共晶相(Mg+Mg<,17>La<,2>)中;而 Nd 则以部分存在于离异共晶Mg<,12>Nd相中,其余则过饱和固溶于基体中。随着Nd含量的增加,Mg<,12>Nd离异共晶的数量也逐渐增加,分布方式也从沿晶界上的点状逐渐过渡到网状分布。 利用SEM和TEM研究了N2合金固溶(525℃/8小时)时效(250℃)后的显微组织。结果表明,时效1小时后,带状排列的β′相和片状的p相先后从α-Mg基体中析出,β′相、β相和α-Mg基体都有一定的共格关系,其中β′相和α-Mg基体共格关系为(110)<,β’>//(0001)<,Mg>和[112]<,β’>//[1100]<,Mg>;β相和α-Mg基体的共格关系为(011)<,β>//(2110)<,Mg>和[100]<,β>//[0001]<,Mg°>两者的惯析面分别(1100)Mg和(2110)Mg面。时效6小时后,介稳的带状排列的β′相消失,平衡β相沿[0001]<,Mg>方向长大。同时对N2合金的XRD分析表明,时效6小时后合金中的析出相只有β(Mg<,12>Nd)。对时效合金的硬度测试表明,随时效时间的延长,合金的硬度先升高,达到峰值后随时效时间的延长,硬度下降。通过计算析出相β′相和β相与α-Mg基体在惯析面和底面上的原子错配程度,解释了两相形貌形成的原因。结果发现在惯析面上两相和基体之间有非常好的原子匹配,特别是β′相在惯析面上和Mg之间几乎没有错配度。通过析出过程中的热力学和动力学分析,分析了β′相和β相形成过程中的形核和长大的过程。 铸态Mg-Nd二元合金的室温拉伸性能相比Mg-Al基合金稍差,但是在高温下显示了优异的拉伸性能,而L2合金不论在室温和高温下,拉伸性能都非常差。固溶时效处理使Mg-Nd二元合金在室温和高温下的拉伸性能大大提高。热挤压后的N2合金具有非常优异的综合拉伸性能。 对断口的显微组织研究表明,在室温下铸态合金L2属于典型的沿晶脆性断裂;随着Nd含量的增加,Mg-Nd二元铸态合金从典型的解理断裂向沿晶断裂转化。在高温下,各铸态合金的断裂机理基本没有改变。而挤压后的N2合金的断裂为典型的塑性韧窝断裂,随着温度的提高,韧窝的深度加深,塑性增强。 对Mg-Nd二元合金在175℃/70MPa、200℃/70MPa和225℃/70MPa的蠕变性能研究表明,Mg-Nd二元合金具有良好的抗蠕变性能,而且随着Nd含量的增加,:Mg-Nd合金的抗蠕变性能增强。系统测试了在不同温度范围内(150℃~250℃)和不同应力条件下(30MPa~110MPa)N2铸态合金的蠕变性能。结果发现,在相同的蠕变温度下,合金随蠕变应力的提高,稳态蠕变速率和蠕变延伸率增大。在高温低应力和低温高应力下的蠕变曲线有明显的不同。在相同的蠕变条件下,N2合金的抗蠕变性能远远优于L2合金的抗蠕变性能。对T6态N2合金和挤压态。N2合金在175℃/70MPa、200℃/70MPa和225℃/70MPa的蠕变性能进行了测试并和铸态的蠕变性能进行了比较。结果显示,T6态N2合金的抗蠕变性能在175℃/70MPa优于铸态;而在225℃/70MPa低于铸态的抗蠕变性能。挤压态N2合金则不论在175℃/70MPa还是在225℃/70MPa都优于铸态合金的抗蠕变性能。通过对蠕变激活能Q和应力指数n值的计算和不同温度下蠕变后显微组织的观察得出N2合金蠕变过程中是受位错的攀移机制控制的,而L2铸态合金则受晶界滑动机制控制。通过模型分析了两种蠕变回复机制的机理。系统研究了Mg-Nd二元合金低温蠕变断裂后v型裂纹形成和高温蠕变后O型裂纹形成的原因,通过模型分析了裂纹形核和长大的机制。 微量Ti元素的加入大大细化了N2铸态合金的组织,使铸态合金N2在室温和高温的强度和塑性都得到改善。Ti的微合金还使N2合金在175℃/70MPa条件下的抗蠕变性能相比铸态略有提高。通过二维点阵错配度模型,计算了α-Ti作为α-Mg异质形核核心的可能性,系统研究了a-Ti对Mg-Nd二元合金的细化机理。 铸态Mg-Al-La三元合金和Mg-Al-Nd三元合金的显微组织明显不同。AL42合金中的显微组织中中间相为两种:数量较多的呈树枝状分布的Al<,11>La<,3>相和数量较少的点块状Al<,2>La相。而铸态AN4x系列合金中的中间相为:呈菊花瓣状聚集在一起的长杆状相Al<,11>Nd<,3>和块状的Al<,2>Nd相,随着Nd含量的增加,铸态AN系列合金的两种中间相的数量也增加。 Mg-Al-Nd(La)三元合金具有较高的室温拉伸强度,但是随着温度的升高,Mg-Al-Nd(La)三元合金的强度下降很快。随着Nd含量的增加,合金在各温度下的抗拉强度和屈服强度都提高,同时延伸率下降。比较AL42和AN42在每个温度下的拉伸性能可以看出,不论抗拉强度、屈服强度和延伸率,AN42均稍高于AL42。 测试了铸态AN4x系列合金和AL42合金在175℃/70Mpa、150℃/70Mpa和150℃/50Mpa下抗蠕变性能。相比Mg-Nd二元合金,Mg-Al-Nd(La)三元合金在高温或者高载的蠕变条件下的抗蠕变性能较差。在相同的蠕变条件下,随着Nd含量的增加,AN4x合金的抗蠕变性能增加。对蠕变后的显微组织研究表明,第二相Al<,11>RE<,3>蠕变后发生分解是Mg-Al-Nd(La)三元合金高温抗蠕变性能差的主要原因。
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