【摘 要】
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镁合金在航空航天、轨道交通领域具有极大的应用前景,但镁合金高温性能及抗蠕变性能偏低,在一定程度上制约了镁合金在高温条件下的应用。如何提高镁合金材料的高温性能,一度成为重点和难点。根据之前的研究报道,镁稀土合金是迄今为止耐热性能最佳的镁合金体系,关于镁稀土合金的高温性能及抗蠕变性能的研究主要聚焦在析出相的强化效应上,对于溶质原子与位错、晶界之间的交互作用的研究较少,研究镁稀土合金高温拉伸及蠕变变形过
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镁合金在航空航天、轨道交通领域具有极大的应用前景,但镁合金高温性能及抗蠕变性能偏低,在一定程度上制约了镁合金在高温条件下的应用。如何提高镁合金材料的高温性能,一度成为重点和难点。根据之前的研究报道,镁稀土合金是迄今为止耐热性能最佳的镁合金体系,关于镁稀土合金的高温性能及抗蠕变性能的研究主要聚焦在析出相的强化效应上,对于溶质原子与位错、晶界之间的交互作用的研究较少,研究镁稀土合金高温拉伸及蠕变变形过程中溶质原子对位错的拖曳效应,讨论溶质拖曳效应对高温性能及抗蠕变性能的影响,可以为高强耐热镁合金的开发提供设计思路。本文以电子背散射衍射分析(EBSD)、高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、高温拉伸和拉伸蠕变为实验手段,以Mg-2wt.%Gd和Mg-0.5wt.%Ce、Mg-5Gd-3Y(GW53,wt.%)和Mg-8Gd-3Y(GW83,wt.%)合金为研究对象,探讨了高温拉伸变形过程中的溶质拖曳效应,并探究了溶质拖曳对二元及不同Gd含量镁稀土合金高温力学性能及抗蠕变性能的影响。研究结果表明:1)二元合金体系中,Mg-2wt.%Gd的抗拉及屈服强度均要显著优于Mg-0.5wt.%Ce。其在200℃下的抗拉和屈服强度分别为107MPa和90MPa,比Mg-0.5wt.%Ce分别高53%和35%。在200℃相同应力条件下,Mg-2wt.%Gd的最小蠕变速率比Mg-0.5wt.%Ce低三个数量级,Mg-2wt.%Gd合金的抗蠕变性能也明显优于Mg-0.5wt.%Ce合金。其中二者蠕变应力指数分别为3.3和4.3,表明两个合金中的主要的蠕变机制是位错蠕变模式。2)Mg-2wt.%Gd在150℃和200℃下的拉伸曲线出现了锯齿波动,这是典型的动态应变时效现象(DSA),而Mg-0.5wt.%Ce中并没有出现,这是由于Mg-2wt.%Gd中稀土溶质原子浓度比Mg-0.5wt.%Ce更高,稀土溶质原子与位错的交互作用,及溶质拖曳效应所致。正是由于Mg-2wt.%Gd中更强的溶质拖曳效应使得其高温力学性能及抗蠕变性能明显优于Mg-0.5wt.%Ce合金。3)比较含不同Gd含量的镁合金,Gd含量增加,合金高温强度更高。在100-400℃范围内,GW83合金的抗拉及屈服强度均要显著优于GW53合金和Mg-2wt.%Gd。其在200℃下的抗拉及屈服强度分别为235MPa和179MPa,分别比GW53合金高25%和36%,比Mg-2wt.%Gd高120%和101%。在200℃相同应力下,GW83合金的最小蠕变速率比Mg-2wt.%Gd低四个数量级,比GW53低一个数量级。GW83合金表现出最优异的抗蠕变性能。4)GW83在100℃-350℃,GW53在100℃-300℃,Mg-2wt.%Gd在150℃-200℃出现了DSA现象,GW83出现DSA现象的温度区间最宽,Mg-2wt.%Gd出现DSA现象的温度区间最窄,这主要是由于GW83中的稀土溶质原子浓度最高,钉扎位错的能力最强,即使在更高或更低的温度下也能产生溶质拖曳效应。5)与二元镁合金中的位错滑移模式的蠕变机制相比,GW83合金在蠕变过程中由于有大量的β’相(Mg7Gd)析出,其结构为底心正交点阵,与基体呈(100)′//(12?10)取向关系。β’相在GW83合金中的大量析出,会占据固溶体中空位,减少空位比率,阻碍位错攀移,从而提高其抗蠕变性能。
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