AZ31-04Nd镁合金组织与性能研究;材料科学与工程;王宝

共3页第1页AZ31-0.4Nd镁合金组织与性能研究材料科学与工程王宝明（089024227）指导教师：丁汉林副教授摘要AZ31镁合金是工业中应用最为广泛的变形镁合金之一，但其综合力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高，因此我们研究合金元素对AZ31镁合金组织和性能的影响有特殊的意义。在镁合金中添加稀土元素可有效改善镁合金综合性能,本文选用Nd作为合金元素制备AZ31-0.4Nd镁合金，利用XRF分析测试、金相组织分析、室温拉伸性能测试、硬度测试、EBSD分析技术等手段，研究了AZ31-0.4Nd合金的熔炼、铸造工艺以及稀土元素Nd对AZ31镁合金组织和力学性能的影响，分析了挤压态AZ31-0.4Nd合金中晶粒取向分布以及织构对其室温拉伸性能的影响。研究表明：AZ31-0.4Nd合金熔铸造过程中，Mg、Zn、Nd因烧损而使质量分数稍有降低，Al质量分数升高；Nd在铸态AZ31合金中主要以颗粒和针状化合物形式存在，挤压过程中，铸态时富集在晶界上或溶解在α-Mg基体中的化合物以细小颗粒重新析出，并均匀、弥散分布，并且Nd可明显细化AZ31合金的晶粒；Nd能够提高挤压态AZ31合金的室温拉伸性能，可以使AZ31合金的抗拉强度和伸长率均有所提高，第二相强化和细晶强化的共同作用是提高挤压态AZ31-0.4Nd合金室温拉伸性能的主要强化机制；挤压态AZ31-0.4Nd合金的晶粒取向差主要分布在0-5°、30°、86°左右；AZ31合金中加入Nd后，基面织构明显弱化，但弱化后织构的存在仍然会导致合金拉伸各向异性：沿TD方向拉伸，塑性比ED方向好，但强度较ED方向低些。关键词：AZ31镁合金；Nd（钕）；显微组织；拉伸性能；织构共3页第2页StudyofthemicrostructureandpropertiesofAZ31-0.4NdmagnesiumalloyAbstractAZ31magnesiumalloy,asoneofthemostwidelyusedwroughtMgalloys,usuallyexpressarelativelylowermechanicalproperties,especiallythestrength,toughnessandductilityareexpectedtobefurtherenhanced.Therefore,itismoresignificanceforustostudythealloyingelements’effectontheAZ31alloy’sstructureandproperties.TheadditionofrareearthelementsintoMgalloyshasbeenreportedtoimprovetheoverallperformanceofMgalloyeffectively.Inthispaper,NdisselectedasthealloyingelementtomakeAZ31-0.4Ndmagnesiumalloy.ThroughX-RayFluorescenceSpectrometry(XRF)analysis,microstructureanalysis,tensiletestsatroomtemperature,hardnesstests,ElectronBack-ScatteredDiffraction(EBSD)analysisandotheranalysismethods,weinvestigatedthemeltingandcastingprocessofAZ31-0.4NdmagnesiumalloyandstudiedtheeffectofNdonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofAZ31magnesiumalloy.WealsoanalyzetheeffectoftexturecharacteristicsonSchmidfactorandthetensilepropertiesatroomtemperature.Theresultsshowthatduringthemeltingandcastingprocess,theburningofthealloyelementsofMg,ZnandNdresultsinthereductionofthemassfractionoftheseelements.However,themassfractionofAlelementisincreased.Ndexistsinas-castMgalloyintheformofparticleorneedle-likecompounds.Duringthehotextrusion,thesecompounds,whichareenrichedongrainboundariesordissolvedinα-Mgmatrixofas-castMgalloy,re-precipitatesasfineparticlesandareuniformlydispersedintheextrudedstructure.ItwasfoundthatNdcansignificantlyrefinethegrainofAZ31alloy.TheadditionofNdcanimprovetheroomtemperaturetensilepropertiesofas-extrudedMgalloy,suchasenhancethetensilestrengthandelongationofAZ31alloy.Thesecondphasestrengtheningandfine-grainstrengtheningarethemainreasonsfortheimprovementofthetensilepropertiesofAZ31-0.4Ndalloy.Thegrainmisorientationofas-extrudedAZ31-0.4Ndalloyaremainlydistributedaround0-5°or30°or86°;AfteraddingNd,thebasalplanetextureofthepresentalloyisweakenedobviously.However,theanalysisoftheSchmidfactorshowsthattheweakenedtexturecanstillleadtotheanisotropyoftensilepropertiesinAZ31-0.4Ndalloy.Thatis,whenstretchingalongthedirectionofTD,theplasticityofthisalloyisbetterthanstretchingalongthedirectionofED,butaccordingly,thestrengthislower.Keywords:AZ31magnesiumalloy;Nd(Neodymium);Microstructure;Tensile共3页第3页properties;Texture共48页第1页1文献综述1.1引言当今人类科学技术不断进步,科学技术是一把双刃剑,它也对人类生存环境产生极大污染,在此情况之下,走在世界发展前端的各个国家竭力开发新型材料。镁合金具有独特的优越性能,如高的比强度和比刚度、良好的机加工性能、减振性好、可回收循环利用等,是目前最轻的金属结构材料,正在成为研究的热点[1],在航空、航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业已有多年的应用历史和广阔的应用前景[2-3]。同时，镁合金也成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”[4]。镁合金按成形工艺可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金具有较好的铸造性能，使目前的镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多。变形镁合金是未来空中运输、陆上交通以及军工领域的重要结构材料，许多板材、棒材、管材等变形镁合金是无法用铸造产品来替代的，而目前仅有很少量的镁合金用于变形制品[5]。因此，变形镁合金的研究已成为世界镁工业发展中的重要方向之一。AZ31变形镁合金具有良好的强度和延展性，可挤压成棒材、管材、型材，轧制成薄板、厚板，加工成锻件，是一种重要的商用镁合金。然而，由于其综合力学性能较低，很大程度上限制了其广泛应用[6-7]。改善AZ31合金的性能已成为镁合金的一项重要研究课题。研究表明[8-10]：镁合金的微观组织与性能有着密切的关系。通过改变镁合金的微观组织可大大改善其性能，如细化镁合金晶粒，会使镁合金材料的力学性能，特别是伸长率显著提高，尤其对变形镁合金材料，细小均匀的铸锭组织可以大大提高合金的后续加工能力和力学性能，添加稀土元素Nd即可达到此目的。但是，目前主要是通过挤压、轧制变形、优化加工工艺参数、生产加工配套工具等方法来改善AZ31镁合金的力学性能，对AZ31合金的研究主要集中在加工过程的变形方面，而通过稀土元素合金化的方法改善其组织及性能方面的报道较少，为此，本研究选用Nd作为合金元素制备AZ31-0.4Nd镁合金，力求改善AZ31镁合金的组织和性能，研究了稀土Nd对AZ31镁合金组织和力学性能的影响，探讨了稀土Nd对AZ31镁合金的作用机理，以获得提高AZ31合金性能的新途径，为进一步开发稀土镁合金和扩大变形镁合金的应用范围提供一定的理论和实验依据[11]。共48页第2页1.2镁及镁合金概述1.2.1镁的性质1.2.1.1镁的物理化学性质及晶体结构镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其蕴藏量约为2.35%。在元素周期表中属ⅡA族碱土金属，块状金属镁在室温下呈银白色。它是一种轻质金属，其主要物理化学性质如表1.1所示。表1.1镁的主要物理化学性质[12-13]性能单位量值性能单位量值密度g·cm-31.738蒸发潜热KJ·mol-1127.40熔点K922-924开始再结晶温度K423原子序数-12在固态下的收缩率%2.0原子价-2弹性模量（E）MPa45000原子量-24.305切变模量（G）MPa18000原子体积cm3·g-1·atom-113.99磁导率10-6+0.55熔化潜热KJ·mol-18.954导热率J·K-1·mol-124.89沸点K1380熵J·K-1·mol-132.68纯镁及大部分镁合金的晶体结构为密排六方（hcp），其轴比（c/a）值为1.6236，接近理想的密排值1.633，其晶体结构如图1.1所示。可见，纯镁和大部分镁合金的最密排面为（0001）面，最密排晶向为112-0方向。图1.1金属镁的晶体结构[14]1.2.1.2镁的力学性能及其变形能力共48页第3页纯镁的力学性能很低，如表1.2所示，不能直接用作结构材料。而镁的塑性变形主要是通过滑移和孪生实现，镁中的滑移可分为基面滑移、棱柱面滑移和锥面滑移，其中最基本的滑移系为{0001}112-0基面滑移，而基面滑移只有三个滑移系。当基面滑移受阻时除了激活非基面（棱柱面或锥面）参与滑移外，形变孪晶便是另一重要形变机制，常见孪生模式有{101-2}、{101-1}、{112-1}，后两种孪生模式的CRSS较高[2]。镁的塑性变形在低于498K时仅限于基面{0001}112-0滑移及{101-2}101-1孪生。在较高温度下，滑移可在晶体中{101-1}面112-0方向上进行，从而使镁在高温下的塑性增加[5]。与其它常用金属比较，如铝（fcc结构)、铁((bcc结构)、铜(fcc结构)，镁的滑移系少是使其塑性变形能力差的主要原因[15]。表1.2工业纯镁的力学性能[16]材料处理状态σb/MPaσ0.2/MPaδ/%ψ/%HB铸造状态115258.09.030变形状态2009011.512.5361.2.2镁合金的性能特点镁合金的性能优点[16-19]如下：比强度、比刚度较高。镁合金的强度虽然比铝合金和钢低，但由于比