稀土Nd對(duì)ZM61合金組織與性能影響研究.pdf

1、Mg-6wt.％Zn-1wt.％Mn(ZM61)合金是一種高鋅含量的新型變形鎂合金，經(jīng)過(guò)T4+雙級(jí)時(shí)效后，強(qiáng)度能達(dá)到商業(yè)高強(qiáng)變形鎂合金ZK60的水平，但雙級(jí)時(shí)效工藝復(fù)雜，時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)，大大降低了合金生產(chǎn)效率。稀土作為一種重要的合金化元素，能夠細(xì)化合金晶粒，改變第二相形貌及性質(zhì)，這些優(yōu)點(diǎn)使得稀土變形鎂合金的研究成為近年來(lái)鎂合金的研究熱點(diǎn)。
　　 本文利用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡及能譜分析(SEM+EDS)、X射線(xiàn)衍射分析(XR

2、D)、差熱分析(DSC)等分析手段研究了不同含量的稀土Nd(wt.％=0，0.2％，0.4％，0.6％，0.8％)對(duì)ZM61合金鑄態(tài)、均勻化態(tài)、擠壓態(tài)、直接時(shí)效態(tài)、固溶態(tài)以及單雙級(jí)時(shí)效態(tài)組織的影響規(guī)律，并測(cè)試了合金不同狀態(tài)的力學(xué)性能，分析了稀土Nd的存在形式以及Nd對(duì)不同狀態(tài)合金力學(xué)性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理，得到的結(jié)果如下：
　　 ①稀土Nd能細(xì)化合金鑄態(tài)組織，隨Nd含量的增加，細(xì)化效果愈明顯；鑄態(tài)ZM61合金由α-Mg基體、M

3、g7Zn3以及MgZn2組成，當(dāng)加入稀土Nd后，Nd與Mg、Zn生成了稀土三元相T2，化學(xué)式為(Mg，Zn)11.5Nd；DSC分析可知稀土T2相熔點(diǎn)在467℃左右，具有良好的熱穩(wěn)定性；330℃/16h+420℃/2h雙級(jí)均勻化退火能很好的消除ZM61合金中的枝晶偏析，但隨Nd含量的增加，均勻化效果逐漸減弱，當(dāng)Nd含量為0.8％時(shí)，合金中的第二相體積百分比達(dá)到了7.35％。
　　 ②擠壓態(tài)ZM61合金由α-Mg、MgZn2和單質(zhì)

4、Mn組成，當(dāng)Nd含量較低時(shí)(0.2％、0.4％)，發(fā)現(xiàn)擠壓態(tài)合金中的稀土相為T(mén)1，說(shuō)明在均勻化及熱擠壓過(guò)程中稀土相有從鑄態(tài)時(shí)的T2向T1轉(zhuǎn)變的傾向；當(dāng)Nd含量逐漸升高時(shí)，稀土相T2向T1轉(zhuǎn)變的傾向減弱，當(dāng)Nd含量為0.8％時(shí)，合金中沒(méi)有檢測(cè)到T1相，稀土相仍為T(mén)2相；合金在熱擠壓過(guò)程中均發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，生成了大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，但擠壓態(tài)ZM61合金組織中仍有尺寸巨大的未再結(jié)晶變形晶粒，并且晶粒尺寸也不均勻；當(dāng)加入稀土Nd后，合金晶粒

5、尺寸得以細(xì)化的同時(shí)組織也變的更加均勻，合金平均晶粒尺寸由最大的25μm細(xì)化到10μm；添加Nd后，由于細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化共同作用使得擠壓態(tài)合金強(qiáng)度升高，其中ZM61-0.4Nd具有最佳的綜合力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分為247Mpa、312Mpa和7.0％；直接時(shí)效態(tài)(T5)合金相對(duì)于擠壓態(tài)合金抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，但屈服強(qiáng)度和延伸率都有一定程度的上升。
　　 ③ZM61、ZM61-0.2Nd和ZM61-0.4Nd

6、合金經(jīng)過(guò)420℃/2h固溶后，能保證晶粒細(xì)小的同時(shí)也有較好的固溶效果，而ZM61-0.8Nd合金420℃下分別固溶2h、6h、10h、14h后仍殘留較多的未溶稀土相。當(dāng)Nd含量從0.2％增至0.8％時(shí)，合金中第二相的體積百分比由0.43％增至5％；420℃/4h+460℃/2h雙級(jí)固溶處理也不能溶解ZM61-0.6Nd和ZM61-0.8Nd合金中大量的稀土相，進(jìn)一步提高雙級(jí)固溶溫度(420℃/4h+480℃/0.5h)后，ZM61-0.

7、6Nd和ZM61-0.8Nd合金中的稀土相能全部溶入基體，但此時(shí)合金晶粒已嚴(yán)重粗化，并發(fā)生了過(guò)燒。
　　 ④ZM61-xNd合金在180℃單級(jí)時(shí)效時(shí)維氏硬度隨時(shí)間變化的規(guī)律極其相似，在最初的10小時(shí)，合金硬度快速上升，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為16h時(shí)，合金都達(dá)到了峰值硬度，其中ZM61-0.2Nd硬度值最高(84HV)，ZM61-0.8Nd硬度值最低(76HV)：加入Nd能顯著提高單級(jí)時(shí)效態(tài)合金的強(qiáng)度，單級(jí)時(shí)效態(tài)合金中ZM61-0.4Nd具

8、有最佳的綜合力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率分別為338Mpa、359Mpa和7.6％，相比ZM61合金，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升了61Mpa、38Mpa，而延伸率幾乎沒(méi)有變化；當(dāng)Nd含量繼續(xù)增加時(shí)，由于三元稀土相Mg-Zn-Nd吸收了基體中Zn原子，使得合金析出相減少，合金強(qiáng)度不如低Nd含量(0.2％，0.4％)合金強(qiáng)度；雙級(jí)時(shí)效(90℃/24h+180℃/16h)能夠進(jìn)一步提升ZM61、ZM61-0.6Nd和ZM61-0.8N