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Nd和Y對ZK60合金微觀結構和力學性能的影響
H.T.周,Z.D.張,C.M.劉,Q.W.王
中國 中南大學 材料科學與工程學院,長沙410083
中國 上海交通大學 材料科學與工程學院,上海200030
2005年7月26日收到,2006年3月29日在經修訂的形式收到,2006年4月12日接受。
摘要
neodium(釹)和釔(Y)對ZK60合金微觀組織和拉伸性能的影響進行了研究。實驗結果表明,neodium(釹)和釔的添加產生了另外一個新的Mg41Nd5 和Mg3Zn6Y(I)析出和細化鑄態(tài)晶粒,通過熱擠壓后,添加了Nd和Nd與Y的合金通過動態(tài)再結晶大大細化顆粒或達到了沉淀效果的手段,因此,含有Nd和Y的合金獲得了4-8 um的非常細小顆粒,然而,釹合金的晶粒尺寸相對比較大。這表明,Nd和Y的添加組合對在動態(tài)再結晶晶粒細化的影響較大,??并導致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強度增加,也增加了Nd和Y合金在室溫下的拉伸強度。與此相反,ZK60和添有Nd(釹)的合金的伸長率比Nd和Y合金還高。
關鍵詞:ZK60合金;Neodium;釔;擠壓型材;拉伸性能;
1.介紹
鎂合金是最輕的合金結構,因此他們很可能適用于汽車和航空業(yè)的許多結構件,由于高比強度,高比剛度和良好的阻尼性能[1,2],然而,最新的鎂合金由于某些不良性質的作用,無法滿足一般結構的強度要求,因此,鎂合金結構件的應用仍然十分有限。為了克服這些挫折和拓寬鎂合金的應用領域,研究人員正在嘗試任何類型的方法,它已經證明,通過添加晶粒細化稀土金屬(RE)和熱加工[3,4],鎂合金的力學性能顯著提高。眾所周知,在室溫和高溫下[5]所有鎂合金的力學性能都很高,但是,ZK60合金的力學性能最高。然而,相對鋁合金而言,它在室溫和高溫下的強度仍然是比較低的。從這個角度來看,許多研究人員致力于努力改善其力學性能。最近據報道,擠壓稀土鎂合金具有優(yōu)良的力學性能[6,7]。例如,Ma等人研究了擠壓稀土ZK60合金并建議可以提高熱擠壓擠壓變形ZK60 - RE[8]的拉伸性能。Singh 和 Tsai [9] 和Zhang 等人[10]研究了Y對ZK60合金顯微組織和力學性能的影響。他們指出Y增強了屈服強度和高溫強度摩擦,通過形成新相(W–Mg3ZnY2) 和 (I–Mg3Zn6Y),它具有較高的抗寒性,熱穩(wěn)定性,耐腐蝕性強,低系數的新階段,低界面能等[11,12]。隨后,這些新的階段,可以有效地阻礙位錯滑移時熱變形,雖然ZK60合金的力學性能可以由Y的加入提高,預期性能是無法估計的,因此,在這項研究中,我們首次發(fā)表這篇文章研究neodium(釹)和釹與Y的組合對ZK60合金微觀結構和拉伸性能的影響。此外,通過拉伸性能與微觀結構的關系研究了熱擠壓合金。
表1
化學組成成分(wt%)
2.實驗程序
合金的化學成分見表1。該合金爐下編寫了一個混合的SF6氣體環(huán)境(1 vol.%)和二氧化碳(BAL)的保護。當熔化的合金達到780?C,它是沸騰為大約300秒后打呼嚕,熔融合金為15分鐘進行,讓夾雜物沉淀在坩堝底部,接著,金屬被倒進一個中型爐。在680?C時,將熔化的金屬倒入為?90毫米大小的錠中,該錠放入溫度為420?C18小時,之后,在390?C將他們擠壓成棒?20毫米長,擠壓比為20:1。從這些擠壓棒中加工成直徑為5毫米和66毫米長度的拉伸試樣,該拉伸試件尺寸為10毫米寬,66毫米長。該組織的標本使用輕型顯微鏡(OM,LEICA MEF4M)進行分析,相位分析是由一個D / MAS的IIIA部X射線衍射儀(XRD)分析方法進行,所有這些標本是蝕刻有4%硝酸酒精溶液中。
3.結果
3.1.微觀結構鑄合金ZK60組織圖
圖1分別顯示了顯微組織鑄態(tài)A,B和C合金。從圖1a中可以看出,A(ZK60)合金是初級(Mg)組成的矩陣和共晶(Mg2Zn3)相,作為網絡的相位不連續(xù)顆粒為主晶界,當有添加釹的命名為B合金,多個第二階段析出,如圖所示1b,與此同時,釹、Y加入到ZK60合金中一起叫做C合金,它似乎有更多的化合物出現,而這些化合物的大小比A和B合金還小,如圖1c,因此,不同的晶粒尺寸A,B和C合金分別按順序為90,60和40毫米,因此,可以得出結論,Nd和Y對ZK60合金細化具有效果。這與Luo[13]的結果不變。
圖2顯示了掃描電鏡對B和C合金的微觀結構圖像。結果發(fā)現,有一些化合物在三重晶界看到了圖簇,如圖2a。 EDAX分析表明,其化學??成分配方。這是符合X射線衍射如圖3,當Nd和Y加入到ZK60合金中,更多原子簇化合物一起出現在三重晶界,其中有一些平行的板條。他們使用X射線衍射C合金,可以看出存在Mg41Nd5相位和I相(Mg3Zn6Y),進一步確認C合金具有I相(Mg3Zn6Y, 準晶結構),除了Mg41Nd5之外。原子簇化合物的形成可以歸因于對Nd和Y [14]總數量的增加,然而,W相(Mg3Zn3Y2)和Z相(Mg12ZnY)不能通過X射線衍射和能譜分析實驗發(fā)現,顯然,在合金C中,釔的添加除了帶來對I相的形成外,并超過了W相(Mg3Zn3Y2)和Z相(Mg12ZnY)的形成。
圖4顯示了B和C合金中Nd和Y分布圖,發(fā)現Nd和Y都在晶界和基體存在。但是,在某些領域,ND或Y含量非常高,正如如圖4a和c,它表明第二相很可能含有更多的釹或釔比基體。這可能是用來解釋現象,一定量的第二相存在于合金帶B和C,這進一步符合與X射線衍射結果一致。
圖5顯示了DTA分析合金B(yǎng)和C的結果,第一吸熱峰出現在了合金B(yǎng)溫度約463.3?C和合金C溫度為485.7?C,而第二個峰值出現在617.5用于合金B(yǎng)和615?C合金C,第一峰可以被認為是共晶相的熔融溫度,第二個峰可以作為合金(合金溶液溫度)熔化溫度。我們可以得出這樣的結論Nd和Y的添加組合大大增加了ZK60合金共晶溫度,這與釔的添加相同,大大增加了Mg - Zn二元合金(340?C)[10,15]的共晶溫度。對本實驗DTA結果進一步分析表明,Nd和Y總含量的增加會同時增加鎂鋅鋯(Mg-Zn-Zr)合金的共晶溫度。
3.2。微觀結構演化的熱擠壓合金
圖6顯示了在390?時光學微合金A,B和C被擠壓的三結果,研究發(fā)現三種合金發(fā)生動態(tài)再結晶(再結晶)。然而,晶粒尺寸和第二階段的數量分布是不同的,在熱擠壓合金A如圖6a所示中,沒有第二相位矩陣。動態(tài)再結晶晶粒尺寸比合金B(yǎng)和C的大,甚至在此溫度下,似乎一個小的晶粒也在生長,在合金B(yǎng)和C中,再結晶晶粒尺寸很小,和DRX也相同。關于矩陣的詳情,可在第二階段的一些特點中發(fā)現。合金的C晶粒尺寸是三者中最小的合金,這表明,釹和Y組合過程中除了扮演一個重要作用動態(tài)再結晶過程外,另一方面,平均規(guī)模約4微米的動態(tài)再結晶晶粒合金C是非常細而均勻的。這可能涉及到的事實,都打破了第二相粒子和細小析出的釘扎作用可以抑制再結晶晶粒的生長,它可以得出結論,即使在ZK60合金溫度下,通過動態(tài)再結晶晶粒細化是非常有效的。
3.3。擠壓合金的力學性能
圖7顯示了三個擠壓合金在390?C下的力學性能,數據顯示,能夠提高合金A,B和C的抗拉強度和屈服強度,而其中的延性降低(A合金:σ0.2= 270.2 MPa時,抗拉強度= 320.5 MPa時,δ= 12%;B合金:σ0.2 = 316.2 MPa時,σb = 373.2 MPa時,δ= 8%; C合金:σ0.2 = 376.2 MPa時,σb = 389.0 MPa時,δ= 6%)。顯然,在0.2%的強烈壓力證明下晶粒尺寸在很大程度上依賴于鎂合金[16]和服從Hall-Pet??ch關系為,其中σy為屈服應力,σ0作用摩擦應力與移動單個位錯,K是常數,d是晶粒尺寸。因此,這可以解釋為什么合金B(yǎng)和C的拉伸性能比A(ZK60組織)合金高。此外,合金B(yǎng)和C的極限抗拉強度和屈服強度增加可能會涉及到第二階段的加強。
4.討論
合金A,B和C都在鑄態(tài)和擠壓態(tài)下有不同的微觀結構。隨后,它帶來不同的拉伸性能,首先,在鑄態(tài),合金A由Mg和(Mg2Zn3)相組成,當將Nd加入到合金A中,和Nd與Y一起加入合金A中會形成合金C,除了(Mg2Zn3)相外,在合金B(yǎng)中新相Mg41 Nd5出現,和Mg41 Nd5與Mg3 Zn6在合金C中出現 ,這是X射線衍射和掃描電鏡確定的。在凝固過程中,首先應該發(fā)生包晶反應,由于分布不均衡的鋅和再溶質原子被推到了沿晶界形成的液/固界面前面,在晶粒內部只有鋯富區(qū)(Zr-rich)存在,這驗證了圖1至圖4,我們得出這樣的結論:在鎂合金中存在Nd和Y元素的晶粒細化作用。通過實驗觀察這是一個好結論[17,18],其次,在擠壓狀態(tài)下,在合金B(yǎng)中Mg41Nd5,和在合金C中Mg41Nd5+Mg3Zn6Y都破碎成小顆粒,在熱擠壓作用下,許多細小顆粒均勻分布在整個矩陣中,這些具有較高的熔點溫度穩(wěn)定的第二階段可以針晶界,阻礙熱變形過程中晶粒生長,尤其是I相。由于低界面能的I相/矩陣接口,在I相/界面結合較強[12],因此,I相析出相對難以在熱變形移動。第三,應變集中在附近的第二階段可以引進高位錯密度區(qū)和大的方向梯度(粒子變形區(qū))可以測試到附近的位錯密度高,這些網格是再結晶晶粒形核的理想選擇。據了解,一個粒子變形區(qū)可以擴展到一個連一個的粒子直徑其外表面的距離,并可由幾十度轉向其外鄰接矩陣。
在這些變形帶中,二次粒子可以激發(fā)再結晶晶粒的形核[19,20],因此,再結晶成核可以通過促進在ZK60合金形成的第二相中增加Nd和Y,此外,第二相可以在再結晶過程中阻礙[20] 形核增長,因此,合金C表現了非常細小的顆粒。這是由于分散微粒粒徑比合金A和B細得多,因此,合金B(yǎng)和C的強度要高得多,這表明第二相中,除了晶粒細化作用外,對Mg–Zn–Zr合金的強度具有強化效果,特別是當第一相表現出加強效果明顯時[10],根據著名的Hall-Pet??ch關系,屈服強度的晶粒尺寸取決于如下[16]:
其中σ0.2是由于晶粒細化增加屈服壓力,K是常數,d是晶粒尺寸,因此,晶粒細化在再結晶過程中對合金B(yǎng)和C的影響比ZK60合金更高。
5.綜述
這篇文章是研究Mg–6Zn–0.5Zr–2Nd , Mg–6Zn–0.5Zr–2Nd–1.5Y和ZK60合金的擠壓變形及其力學性能。neodium(釹)和釔的添加產生了一個新的Mg41Nd5 和Mg3Zn6Y(I)析出和細化鑄態(tài)晶粒,通過熱擠壓后,添加了Nd和Nd與Y的合金通過動態(tài)再結晶大大細化顆?;蜻_到了沉淀效果的手段。這表明,Nd和Y的添加組合對在動態(tài)再結晶晶粒細化的影響較大,??并導致雙方的共晶相的熔融溫度和熔融溫度或合金的屈服強度增加,也增加了Nd和Y合金在室溫下的拉伸強度。與此相反,ZK60和添有Nd(釹)的合金的伸長率比Nd和Y合金還高。
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