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铸造态、挤压态、半固态Mg-Li-Al系合金组织和力学性能研究

程丽任

  随着现代工业领域对轻量化材料和器件的迫切需求不断增加,镁锂合金在汽车、医疗器械、IT产业等领域逐渐受到关注,并成为最具发展潜力的结构材料之一。但实现镁锂合金的广泛应用存在诸多尚待解决的问题。强度的提高一直是镁锂合金急需解决的问题之一。现有的商业合金主要以Mg-Li-Al、Mg-Li-Al-Zn合金系为主,但铝、锌等元素的添加不能够产生明显的时效强化效果。例如Mg-Li-Al合金中的亚稳析出相MgLi2Al,在室温条件下即可产生过实效现象分解为AlLi相。因此,研究如何通过有效的成分设计在镁锂合金中获得具有较好强化效果的稳定强化相是十分必要的。而相应加工工艺上的创新性突破也是该领域不断追求的目标。此外,锂含量的变化能够直接影响α-Mg相的晶格参数和β-Li相体积含量的多少,从而间接影响合金的力学行为。因此,了解与晶格参数和体积分数相关的α-Mg基体和β-Li基体各自微观变形机制以及二者之间的协调变形机制显得尤为重要,但目前针对于这类问题的研究少见报道。 本论文通过实验,研究了首先考察了铸造态α-β双相Mg-7Li-3Al-1Ca合金、Mg-9Li-3Al-1Ca合金以及β-Li单相Mg-12Li-3Al-1Ca合金的组织和力学性能,并对相变转换点(Mg-Li二元相图中α-Mg相消失处)的Mg-11Li-3Al-1Ca合金进行了关注;研究了挤压变形对合金组织和室温力学性能及部分合金的高温力学性能的影响;考虑到合金的塑性加工性能,研究了四种合金室温条件下的应变速率敏感性及变形机理。此后,以α-β双相Mg-Li-Al-Ca合金基础,添加Ce(1wt%)元素,对不同Li含量的α+β双相Mg-xLi-3Al-1Ca-1Ce(x=6.5,8.5,10.5)合金组织和室温力学性能进行了研究,并对高温变形行为进行了初步探讨,结果表明,稀土Ce的添加使得合金中形成化合物固溶体Al2(Ca,Ce)目。此后,采用已有的挤压态Mg-xLi-3Al-1Ca(x=7,12)合金,针对不同的保温温度和保温时间,通过参照Mg-12Li-3Al-1Ca合金中β-Li相的组织演变规律,对α-β双基Mg-Li合金的组织演变规律进行研究,分析应边诱发激活法制备半固态浆料的组织形成机理,为Mg-Li合金的半固态加工工艺寻找理论依据。本论文的研究工作结论如下: 1.铸造态Mg-7Li-3Al-1Ca、Mg-9Li-3Al-1Ca合金由α-Mg相、β-Li相、颗粒状MgLi2Al相和针状Al2Ca相组成。Mg-11Li-3Al-1Ca合金基体由β-Li相成,晶界处存在少量细小α-Mg组织,大尺寸β-Li晶粒中的中心区域化合物分布密度较低,而接近晶界处的化合物分布密度则较高。Mg-12Li-3Al-1Ca合金晶界处不存在α-Mg组织,其它组织特征与Mg-11Li-3Al-1Ca合金相同。挤压成形后合金组织显著细化,沿挤压方向呈纤维状均匀分布。合金中出现了大量的等轴晶。由于挤压过程中的应力场分布不均匀致使β-Li基Mg-11Li-3Al-1Ca、Mg-12Li-3Al-1Ca合金中不同区域晶粒尺寸存在较大差异。合金中出现了沿挤压方向呈线状分布的MgAl2Li化合物。 2.拉伸过程中合金屈服强度随Li含量的增加而增加。α+β双基体Mg-7Li-3Al-1Ca、Mg-9Li-3Al-1Ca合金表现出应变硬化现象。随着Li含量的增加,合金流变现象明显。挤压成型后Mg-7Li-3Al-1Ca、Mg-9Li-3Al-1Ca合金屈服强度、抗拉强度、延伸率均显著提升。Mg-11Li-3Al-1Ca合金屈服强度和抗拉强度提高明显,明显优于其它三种合金,但延伸率未发生明显变化。Mg-12Li-3Al-1Ca合金屈服强度和抗拉强度并未改变,延伸率明显提高。β-Li基Mg-Li合金展现出沿晶断裂断口形貌。Mg-7Li-3Al-1Ca、Mg-9Li-3Al-1Ca合金断口附近组织中α-β相界处出现大量微裂纹。α-Mg相与β-Li相之间存在协调变形关系。α+β双相Mg-7Li-3Al-1Ca、Mg-9Li-3Al-1Ca合金表现出双段应变速率敏感性。当拉伸速率超过10-3S时,应变速率敏感性上升。Mg-11Li-3Al-1Ca合金应变速率敏感性最高,达0.078。高温拉伸的Mg-9Li-3Al-1Ca、Mg-11Li-3Al-1Ca合金强度随拉伸的提高而显著下降,延伸率并未提高。高温拉伸的Mg-9Li-3Al-1Ca合金因α-Mg相与β-Li相的协调变形失效而发生断裂,不同温度下的延伸率均维持在50%~60%之间。Mg-11Li-3Al-1Ca合金延伸率随拉伸温度的提高而显著下降。 3.铸造态Mg-6.5Li-3Al-1Ca-1Ce、Mg-8.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金由α-Mg、β-Li双基体组成,铸造态Mg-10.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金由β-Li基体组成。三种合金中包括了颗粒状MgLi2Al相化合物、针状和块状的Al2(Ce,Ca)化合物。就几何尺寸因素而言,针状和颗粒状化合物强化效果最佳,块状稍差。TEM结果表明,合金晶界处存在少量由于不平衡凝固产生的Mg2Ca化合物。Al2(Ce,Ca)化合物与基体存在特定的位相关系:[112]//[7253]α,(111)//(0111)α+绕化合物[112]晶向的0.5度倾角。挤压成型后合金组织沿挤压方向呈带状分布,组织得到显著细化,出现了细小的等轴晶。Mg-10.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金铸造态组织中无法明显观测到的α-Mg相出现在挤压组织中,沿挤压方向呈细小的带状分布。 4.拥有Ce元素的Mg-xLi-3Al-1Ca-1Ce(x=6.5,8.5,10.5)合金,其强度与Mg-xLi-3Al-1Ca(x=7,9,11,12)合金相比略有提升,但延伸率出现下降。挤压成型后Mg-6.5Li-3Al-1Ca-1Ce、Mg-8.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金屈服强度、抗拉强度和延伸率显著提高;Mg-10.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金屈服、抗拉强度变化不明显,延伸率提高显著,拉伸实样以沿晶断裂形式失效。Mg-8.5Li-3Al-1Ca-1Ce合金高温拉伸结果表明,Ce元素的添加对α+β双基体Mg-Li-Al-Ca合金高温力学性能影响不大。不同温度下的延伸率处在50%~60%范围内。323K~425K温度区间内存在相界软化和β相软化的双重作用。高温拉伸合金因为α-Mg相与β-Li相间的协调变形失效而产生断裂,裂纹依然源起始于α-β相界处。Mg-xLi-3Al-1Ca-1Ce(x=6.5,8.5,10.5)合金显微硬度随Li含量的增加而略有降低,挤压成形后略有增加。双基体合金中α-Mg相与β-Li相显微硬度接近,这是由于弥散的化合物均匀分布在基体中所致。 5.α+β双基体Mg-7Li-3Al-1Ca合金半固态组织演变过程为:挤压变形形成纤维状组织→加热保温过程中纤维状组织大部分消失,少量保留,基体中发生回复、再结晶→Li含量较高的低熔点区域部分溶解→固相线以上加热,低熔点区域熔化形成的液相渗透能量状态允许的再结晶晶界→合金中形成α-Mg相、β-Li相、α+β相三种固相颗粒→固相颗粒球化→固相颗粒通过原子扩散效应长大。除了再结晶颗粒以外,挤压变形后的保温组织中存在破碎α-Mg纤维状组织。液相无法有效渗透至该类组织与相邻β-Li相之间的非平滑相界。这类组织最终保留在β-Li相颗粒中而不单独参与固相颗粒的圆整化和长大过程。β-Li基Mg-Li合金在半固态保温过程中固相颗粒长大过快,颗粒中的液态熔池含量过高且长大迅速,使得合金等效固相率过高。延长保温时间或提高保温温度时,颗粒内部熔池因过分长大而致使固相颗粒破裂。因此,β-Li基Mg-Li合金不适合采用SIMA工艺获得半固态组织。固相颗粒与液向之间在长大过程中存在Li原子的扩散效应。固相颗粒中的α-Mg组织和β-Li组织间也存在着原子的扩散效应。扩散会致使大颗粒长大,小颗粒减小。挤压形变量为72%的挤压变形Mg-7Li-3Al-1Ca合金可在538~562℃的温度范围内保温10~30min获得固相率接近50%的半固态组织。……   
[关键词]:镁锂合金;Mg-Li-Al系;铸造;挤压;半固态;应变速率敏感;力学行为;显微组织
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:吉林大学2011年
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