提高鎂合金高溫力學性能

1《AZ91鎂合金的抗高溫蠕變性能和腐蝕性能的研究近況》鎂合金的高溫抗蠕變性較差限制了其應用。鎂合金在高溫下，變形方式主要是位錯的運動和晶界的滑移，因此，提高鎂合金的高溫抗蠕變性能就要限制位錯運動和阻止晶界的滑移。具體的措施就是強化基體和晶界以及開發(fā)鎂基復合材料，前者是通過微合金化增加固溶強化、析出強化和細晶強化等的強化效果，或形成高熔點的化合物減少或阻礙Mgi7Ali2相的形成；而后者則是通過添加增強相來提高鎂合金的抗高溫蠕變性能。Ca主要是溶于中提高相的熔點，提高鎂合金的高溫性能；擔當加入量過大時，金合的晶界處會出現(xiàn)Al2Ca相從而惡化了合金的強拉強度和塑性。適量的加入Ca可以細化晶粒，提高合金的室溫和高溫拉伸性能，并且，隨著Ca加入量的增加，其細化效果越明顯，但合金的熱烈傾向增加。稀土在鋁鎂合金中與Al形成高熔點的Al-稀土中間化合物，正是這種化合物的形成提高了鎂合金的性能。鎂合金自身存在諸如高溫強度差、低的彈性模量、耐腐蝕性能差等缺點，因此人們把目光投向綜合性能相對較高的鎂合金復合材料研究上?！禔Z91鎂合金抗高溫蠕變性能的研究和發(fā)展》耐熱性主要是指材料在高溫和外載荷作用下抵抗蠕變及破壞的能力。鎂合金的高溫蠕變變形機制不僅包括滑移，而且晶界參與形變，且形變顯著，有時可以高達40%?50%。眾所周知，在高應力作用下，六方晶格的純鎂甚至在室溫下即易于發(fā)生蠕變變形。與鋁合金相比，鎂合金更易于發(fā)生晶界滑移。AZ91鎂合金高溫蠕變抗力低的原因在于：首先，合金中連續(xù)析出形成的時效析出相為Mgi7Ali2,90%以上的Mgi7Ali2通常呈板條狀而且平行于Mg基體的（0001）基面析出，且與基體之間無共格關(guān)系，不能為位錯運動提供大的阻力，時效硬化效果不明顯；另外，Mgi7Ali2的熔點低，僅為437c，在不高的溫度下即為一軟質(zhì)相，同時由于Mgi7Ali2與基體之間非共格，界面能高，因此在高溫下易長大粗化，故而隨溫度升高，Mgi7Ali2極易軟化、粗化，不能有效釘扎晶界。此外，近來的研究結(jié)果證實，高溫蠕變過程中過飽和Mg基體中Mgi7Ali2在晶界處的不連續(xù)析出是壓鑄AZ91鎂合金高溫蠕變抗力差的一個主要原因。晶界處不連續(xù)析出的Mgi7Ali2呈薄片狀并與晶界幾乎成直角，不僅為晶界滑移提供了更多的滑移面，同時為臨近晶粒的變形提供了額外的自由度，因而使晶界滑移和晶界遷移更易進行，不利于合金的抗蠕變性能。因此，從合金體結(jié)構(gòu)的強度觀點出發(fā)，AZ91鎂合金的抗高溫蠕變性能設(shè)計應從限制位錯運動和強化晶界入手，這意味著可以通過以下一種或多種手段來實現(xiàn)提高鎂合金熱強性和高溫蠕變抗力的目的。（1）添加RE（Ce、Nd、Y）、Sn、Si、Ca、Ag、Ba、Sb等元素，形成穩(wěn)定性較高的彌散相粒子，降低合金元素在鎂基體中的擴散速率，阻止晶界遷移i，從而提高合金的熱穩(wěn)定性和蠕變抗力；（2）增大晶粒尺寸，以增大擴散距離，使晶界擴散作用降低，改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)和組織形態(tài)；（3）減少或消除低熔點和高溫下容易粗化的B相Mgi7Ali2,因為Mgi7Ali2在高溫下容易軟化和粗化，不但起不到強化效果，反而會降低合金的抗蠕變性能。目前人們主要通過在合金中引入熱穩(wěn)定性高的第二相，如添加稀土和堿土金屬阻礙B相生成并形成熱穩(wěn)定的金屬間化合物來提高合金的熱穩(wěn)定性和抗蠕變性。其中，（1）（2）均可以通過適當?shù)暮辖鸹蛭⒑辖鸹瘜崿F(xiàn)。而（3）可以通過加入能形成穩(wěn)定的金屬間化合物的合金元素或直接引入彌散強化的第二相來實現(xiàn)?！陡邷罔T造鎂合金的研究與應用》鎂合金的室溫和高溫機械性能有三種強化途徑：固溶強化、析出強化、彌散強化。研究表明，影響鎂合金機械性能的合金元素主要可以分為三類：①同時增大強度和韌性的元素。其效果順序如下：Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th（強度增大）；②稍微增大塑韌性的元素：Cd、Tl、Li；③提高強度效果明顯，但使塑韌性降低的元素：Sn、Pb、Bi、Sb。提高鎂合金蠕變性能的主要途徑為：①在晶界析出細而彌散的析出相，阻止晶界滑移；②增大晶粒尺寸，以增大擴散距離，使晶界擴散作用降低；③通過固溶強化增大基體的彈性模量，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，RE（如Ce、Nd、Y、Tb、Si、Ba、Sb等能夠提高鎂合金的蠕變強度，加入這些元素的鎂合金具有良好的高溫性能的原因還在于：形成的析出相含有大量的Mg原子，所以對于給定的合金加入量，析出相的體積分數(shù)更高；這些析出相得熔點較高，其熱穩(wěn)定性更高；RE、Th、Y等元素的熔點相對更高，為798?1663c，它們在鎂基體中的擴散相對更慢，而鎂的常見強化元素Al、Zn的熔點則相對更低。通過固溶處理和時效處理能夠最大限度地發(fā)揮析出強化效應，但是，由于壓鑄件不可熱處理而受到限制，并且，隨溫度的升高，析出相要發(fā)生粗化、間距增大，最后溶于基體，彌散體的熱穩(wěn)定性更高，因此，近年來出現(xiàn)的彌散強化鎂合金的機械性能可以保持到更高的溫度。同時，同時由于位錯的阻礙，以及再結(jié)晶和晶粒生長造成軟化受到彌散體的釘扎作用而阻止，彌散強化鎂合金的蠕變性更高。《合金化提高鎂合金抗蠕變性能的研究進展》4.1鎂合金的蠕變機理蠕變是金屬在溫度和應力作用下發(fā)生緩慢和持續(xù)塑性變形的現(xiàn)象，特別是在高溫下，除隨變形產(chǎn)生的加工硬化外，還產(chǎn)生在低溫下或在其他變形機理中不太明顯的具有高激活能的恢復、擴散、相變等過程。對于耐熱鎂合金，影響其蠕變強度的因素有晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、固溶元素、析出物、熱處理等。與常溫變形過程相比，蠕變在微觀機制上不僅滑移系增多而且還包括晶界滑動。根據(jù)VonMises屈服準則，若多晶體材料產(chǎn)生塑性變形并在晶界上仍保持其完整性，則每個晶粒必須至少有5個獨立的滑移系。鎂合金是密排六方晶體，溫度低于498K時，塑性變形僅限于通過基面｛0001｝＜1120＞滑移和錐面｛1012｝＜1011＞孿生實現(xiàn)，僅有3個幾何滑移系和2個獨立的滑移系;溫度高于498K時，滑移也出現(xiàn)在錐面｛1011｝和柱面｛1010｝的＜1120＞方向上，滑移系增多，滿足VonMises屈服準則，合金就會發(fā)生高溫蠕變。此外，由于鎂合金滑移系很少，殘留的晶界位錯將有很大的泊氏矢量，于是在晶界處的應變水平將很高，所以在高溫應力作用下鎂合金比鋁合金更容易產(chǎn)生晶界滑動。4.2鎂合金的抗蠕變強度化方式針對鎂合金蠕變機制，鎂合金的抗蠕變強化應以限制位錯運動、阻止晶界滑移動為原則，到目前為止提高鎂合金蠕變抗力的途徑主要有固溶強化、析出強化、彌散強化和晶界強化。4.2.1固溶強化固溶強化是指合金中加入溶質(zhì)元素以提高其均勻化溫度和彈性模量，減慢擴散和自擴散過程，降低位錯攀移的速率，從而提高合金的高溫蠕變性能。固溶強化是溶質(zhì)原子和位錯之間交互作用的結(jié)果，就其性質(zhì)而言，可分為彈性的、化學的、電性的和幾何的等幾種類型。溶質(zhì)原子可以偏聚到位錯周圍形成各種氣團，也可以均勻不規(guī)則地分布在基體中。因此，向鎂合金中添加固溶度較高的合金元素，提高其時效硬化能力，可以明顯提高合金的抗蠕變能力。但在高溫時，原子擴散加快，同時位錯成為溶質(zhì)原子的擴散通道，溶質(zhì)原子不能有效地釘扎位錯。因此，固溶強化對提高鎂合金的蠕變抗力有限。析出時效強化是指在時效過程中合金元素的固溶度隨溫度降低而形成彌散分布的析出相，析出相與位錯之間的交互作用導致合金的屈服強度提高。由于鎂原子較大，通常形成與鎂基體非共格復雜析出相，其晶面能很高，在高溫下易粗化，難以對晶界起有效的釘扎作用。因此，提高鎂合金抗蠕變性的關(guān)鍵是用恰當?shù)暮辖鹪馗纳莆龀鱿嗟木w結(jié)構(gòu)以降低它與鎂基體的點陣常數(shù)錯配度，改善析出相的析出方式和形貌，并提高析出相的熱穩(wěn)定性以降低其擴散性。這樣就可以使析出強化機制在所需的服役條件下發(fā)揮作用，從而提高鎂合金的蠕變性能。4.2.3彌散強化彌散強化受溫度變化的影響遠小于析出強化。彌散相熔點高、熱穩(wěn)定性好，在基體中溶解度很小并彌散分布在晶界、晶內(nèi)，可有效控制晶粒變形、晶界的滑移和位錯的運動，因此可通過在合金中生成彌散強化相來提高合金在不同溫度區(qū)間的適應能力和合金的各項力學性能，尤其是鎂合金的蠕變抗力。4.2.4晶界強化晶粒大小對金屬材料高溫性能的影響很大，通過控制合金的制備方式、凝固過程和加入適當?shù)暮辖鹪?，可以控制鎂合金的晶粒度。一般而言，在低溫高應力下的蠕變由于主要受晶內(nèi)位錯攀移的影響，晶界會成為位錯攀移的障礙，所以較小的晶粒尺寸對鎂合金抗蠕變有利；但在等強溫度以上，晶界的滑動加劇，適當?shù)販p少晶界的數(shù)量，增大晶粒的尺寸，則可以提高鎂合金的抗蠕變性能。但過大的晶粒在鑄造過程中易形成微孔和微觀缺陷，同時晶界也可能成為材料的弱化部分；過長晶界的晶面結(jié)合力薄弱，有利于空穴的產(chǎn)生，對高溫性能有害，因此必須避免過大晶粒對合金綜合性能造成不良的影響。晶界強化主要是通過凈化和微合金化方法來實現(xiàn)。凈化的目的是降低有害雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，微合金化是通過微合金元素在晶界的偏析來改善合金的熱強度性能。其主要措施有：①在晶界處形成大量細小析出硬化相，阻止晶界滑動；②增大晶粒尺寸以增大原子擴散距離，降低晶界擴散作用；③加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界處的晶格空位，改善晶界附近的組織形態(tài)。以上4種強化方式，任何單一方式對提高鎂合金的抗蠕變性能都是有限的，在實際強化過程中往往需要綜合運用固溶強化、彌散強化、析出強化和晶界強