复合添加Sm、Nd对AZ81镁合金组织和性能的影响

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全球性能源危机与环境污染日益严重的今天,人们对材料轻量化的追求更加紧迫。作为现今最轻的金属结构材料的镁合金,正引起人们越来越多的关注。AZ系镁合金是目前应用较为广泛的镁合金系之一,其中AZ81镁合金的Al含量低于AZ91,其室温抗拉强度稍低于AZ91,但其塑性明显提升。该合金室温力学性能良好,高温下的强度较低、抗蠕变性能较差。稀土合金化是目前镁合金常用的高效强化手段。稀土元素Sm和Nd具有合金效果强、密度低、经济等优点。所以本实验以AZ81镁合金为基体合金,用多种分析方法如,金相分析(OM)、X射线分析(XRD)、扫描电子显微(SEM)分析、透射电子显微分析(TEM)等,探索了加入Sm、Nd后合金的热处理工艺,研究了复合添加不同量的Sm、Nd对AZ81镁合金微观组织,力学和蠕变性能的影响。本文对铸态拉伸试验中表现最优的AZ81-1.0Sm-0.6Nd合金进行组织分析和热处理优化,发现加入Sm、Nd后的合金铸态组织明显得到细化,同时沿晶界生成新相Al2Sm、Al2Nd。通过差热分析确定合金固溶温度为410℃。经过金相分析判断,固溶12h较为合适;通过硬度测试及导电率测量,确定了合金的时效工艺为:200℃时效16h。对合金组织分析,得出添加适量的Sm、Nd元素对基体合金的组织有一定的细化作用。进一步的透射研究发现基体合金室温下强度高的原因是由于呈点状和杆状交错分布的β-Mg17Al12相有效的阻碍位错的基面滑移;生成的高温稳定的Al2Sm、Al2Nd新相,呈球状弥散分布于基体中,有效的起到了钉扎位错、阻碍晶界滑移的作用,而部分呈条状的Al2Nd、β-Mg17Al12的混合相则不利于基体的塑性提高。室温下,Sm、Nd的复合添加量为2.4%时,固溶时效态合金的抗拉强度达到283MPa,比基体合金高10.55%,并且延伸率也达到最高。在150℃、175℃下,稀土添加量为1.6%时,合金抗拉强度分别达到达到最大值208.8MPa,176.5Mpa,分别比基体合金的抗拉强度高10.01%、8.37%。在50MPa-70MPa、150-200℃条件下,AZ81-1.0Sm-0.6Nd合金的抗蠕变性能都优于基体合金。在150℃/50MPa条件下,AZ81-1.0Sm-0.6Nd合金的稳态蠕变速率达到8.82×10-7s-1,明显低于AZ81合金的1.95×10-6s-1的稳态蠕变速率。随着温度和应力的提高这种优势减小,并且温度对抗蠕变性能的影响较为明显。
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