提高鎂合金高溫力學(xué)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(yīng)用。鎂合金在高溫下，變形方式主要是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)和阻止晶界的滑移。具體的措施就是強(qiáng)化基體和晶界以及開發(fā)鎂基復(fù)合材料，前者是通過微合金化增加固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等的強(qiáng)化效果，或形成高熔點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)，提高鎂合金的高溫性能；擔(dān)當(dāng)加入量過大時(shí)，金合的晶界處會(huì)出現(xiàn)Al2Ca相從而惡化了合金的強(qiáng)拉強(qiáng)度和塑性。適量的加入Ca可以細(xì)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(xì)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(diǎn)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(qiáng)度差、低的彈性模量、耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)，因此人們把目光投向綜合性能相對(duì)較高的鎂合金復(fù)合材料研究上。《AZ91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(jī)制不僅包括滑移，而且晶界參與形變，且形變顯著，有時(shí)可以高達(dá)40%?50%。眾所周知，在高應(yīng)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(shí)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(wú)共格關(guān)系，不能為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供大的阻力，時(shí)效硬化效果不明顯；另外，Mgi7Ali2的熔點(diǎn)低，僅為437c，在不高的溫度下即為一軟質(zhì)相，同時(shí)由于Mgi7Ali2與基體之間非共格，界面能高，因此在高溫下易長(zhǎng)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(shí)，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(gè)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(shí)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(jìn)行，不利于合金的抗蠕變性能。因此，從合金體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度觀點(diǎn)出發(fā)，AZ91鎂合金的抗高溫蠕變性能設(shè)計(jì)應(yīng)從限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)化晶界入手，這意味著可以通過以下一種或多種手段來實(shí)現(xiàn)提高鎂合金熱強(qiáng)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(kuò)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(kuò)散距離，使晶界擴(kuò)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(diǎn)和高溫下容易粗化的B相Mgi7Ali2,因?yàn)镸gi7Ali2在高溫下容易軟化和粗化，不但起不到強(qiáng)化效果，反而會(huì)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(dāng)?shù)暮辖鸹蛭⒑辖鸹瘜?shí)現(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(qiáng)化的第二相來實(shí)現(xiàn)?！陡邷罔T造鎂合金的研究與應(yīng)用》鎂合金的室溫和高溫機(jī)械性能有三種強(qiáng)化途徑：固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化。研究表明，影響鎂合金機(jī)械性能的合金元素主要可以分為三類：①同時(shí)增大強(qiáng)度和韌性的元素。其效果順序如下：Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th（強(qiáng)度增大）；②稍微增大塑韌性的元素：Cd、Tl、Li；③提高強(qiáng)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(xì)而彌散的析出相，阻止晶界滑移；②增大晶粒尺寸，以增大擴(kuò)散距離，使晶界擴(kuò)散作用降低；③通過固溶強(qiáng)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(qiáng)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(duì)于給定的合金加入量，析出相的體積分?jǐn)?shù)更高；這些析出相得熔點(diǎn)較高，其熱穩(wěn)定性更高；RE、Th、Y等元素的熔點(diǎn)相對(duì)更高，為798?1663c，它們?cè)阪V基體中的擴(kuò)散相對(duì)更慢，而鎂的常見強(qiáng)化元素Al、Zn的熔點(diǎn)則相對(duì)更低。通過固溶處理和時(shí)效處理能夠最大限度地發(fā)揮析出強(qiáng)化效應(yīng)，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(qiáng)化鎂合金的機(jī)械性能可以保持到更高的溫度。同時(shí)，同時(shí)由于位錯(cuò)的阻礙，以及再結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)造成軟化受到彌散體的釘扎作用而阻止，彌散強(qiáng)化鎂合金的蠕變性更高?！逗辖鸹岣哝V合金抗蠕變性能的研究進(jìn)展》4.1鎂合金的蠕變機(jī)理蠕變是金屬在溫度和應(yīng)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(jī)理中不太明顯的具有高激活能的恢復(fù)、擴(kuò)散、相變等過程。對(duì)于耐熱鎂合金，影響其蠕變強(qiáng)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?cè)谖⒂^機(jī)制上不僅滑移系增多而且還包括晶界滑動(dòng)。根據(jù)VonMises屈服準(zhǔn)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(gè)晶粒必須至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系。鎂合金是密排六方晶體，溫度低于498K時(shí)，塑性變形僅限于通過基面｛0001｝＜1120＞滑移和錐面｛1012｝＜1011＞孿生實(shí)現(xiàn)，僅有3個(gè)幾何滑移系和2個(gè)獨(dú)立的滑移系;溫度高于498K時(shí)，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(zhǔn)則，合金就會(huì)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(cuò)將有很大的泊氏矢量，于是在晶界處的應(yīng)變水平將很高，所以在高溫應(yīng)力作用下鎂合金比鋁合金更容易產(chǎn)生晶界滑動(dòng)。4.2鎂合金的抗蠕變強(qiáng)度化方式針對(duì)鎂合金蠕變機(jī)制，鎂合金的抗蠕變強(qiáng)化應(yīng)以限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、阻止晶界滑移動(dòng)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(qiáng)化、析出強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。4.2.1固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)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(kuò)散和自擴(kuò)散過程，降低位錯(cuò)攀移的速率，從而提高合金的高溫蠕變性能。固溶強(qiáng)化是溶質(zhì)原子和位錯(cuò)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(xué)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(cuò)周圍形成各種氣團(tuán)，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(shí)效硬化能力，可以明顯提高合金的抗蠕變能力。但在高溫時(shí)，原子擴(kuò)散加快，同時(shí)位錯(cuò)成為溶質(zhì)原子的擴(kuò)散通道，溶質(zhì)原子不能有效地釘扎位錯(cuò)。因此，固溶強(qiáng)化對(duì)提高鎂合金的蠕變抗力有限。析出時(shí)效強(qiáng)化是指在時(shí)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(cuò)之間的交互作用導(dǎo)致合金的屈服強(qiáng)度提高。由于鎂原子較大，通常形成與鎂基體非共格復(fù)雜析出相，其晶面能很高，在高溫下易粗化，難以對(duì)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(dāng)?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(diǎn)陣常數(shù)錯(cuò)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(kuò)散性。這樣就可以使析出強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)化彌散強(qiáng)化受溫度變化的影響遠(yuǎn)小于析出強(qiáng)化。彌散相熔點(diǎn)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(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此可通過在合金中生成彌散強(qiáng)化相來提高合金在不同溫度區(qū)間的適應(yīng)能力和合金的各項(xiàng)力學(xué)性能，尤其是鎂合金的蠕變抗力。4.2.4晶界強(qiáng)化晶粒大小對(duì)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(dāng)?shù)暮辖鹪?，可以控制鎂合金的晶粒度。一般而言，在低溫高應(yīng)力下的蠕變由于主要受晶內(nèi)位錯(cuò)攀移的影響，晶界會(huì)成為位錯(cuò)攀移的障礙，所以較小的晶粒尺寸對(duì)鎂合金抗蠕變有利；但在等強(qiáng)溫度以上，晶界的滑動(dòng)加劇，適當(dāng)?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(shí)晶界也可能成為材料的弱化部分；過長(zhǎng)晶界的晶面結(jié)合力薄弱，有利于空穴的產(chǎn)生，對(duì)高溫性能有害，因此必須避免過大晶粒對(duì)合金綜合性能造成不良的影響。晶界強(qiáng)化主要是通過凈化和微合金化方法來實(shí)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(qiáng)度性能。其主要措施有：①在晶界處形成大量細(xì)小析出硬化相，阻止晶界滑動(dòng)；②增大晶粒尺寸以增大原子擴(kuò)散距離，降低晶界擴(kuò)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(qiáng)化方式，任何單一方式對(duì)提高鎂合金的抗蠕變性能都是有限的，在實(shí)際強(qiáng)化過程中往往需要綜合運(yùn)用固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和晶界強(qiáng)