Mg-Gd-Y-Sm-Zr系镁合金抗拉强度反常温度效应机理研究

本课题组自行开发的Mg-Gd-Y-Sm-Zr系稀土耐热镁合金不仅强度高，而且随着温度的升高，瞬时抗拉强度也明显提高。例如，该系某合金抗拉强度室温时269MPa，200℃达到300MPa，250℃达到345MPa。后经多次验证，确认该现象属于该合金系的本质属性。这种反常现象在镁合金中极为罕见，其机理用现有理论也无法得到合理解释。经仔细分析认为，该合金系中稀土元素种类多、含量高且组成特殊，金属间化合物形式复杂且体积分数高，尤其是时效析出的与基体共格的复杂组成的β′周期相的出现，是产生抗拉强度反常温度效应的根本原因（该合金系中β′周期相高温下对位错运动和变形特性产生异常影响，详见"立项依据"部分分析），但这一分析尚需实验验证。本项目拟通过系列试验，并运用位错与强度理论，系统研究Mg-Gd-Y-Sm-Zr系合金抗拉强度反常温度效应的微观机制，为高强耐热镁合金的开发提供全新的科学基础。

本课题组自行开发的Mg-Gd-Y-Sm-Zr系耐热稀土镁合金时效态下不仅室温强度高，而且在室温到250℃（个别合金300℃）范围内，随拉伸温度的提高，抗拉强度明显提高，出现抗拉强度反常温度效应。以某一合金为例，抗拉强度室温时224MPa，200℃时278MPa，250℃时322MPa，300℃时293MPa。本项目系统研究了该系镁合金的组织和力学性能，并运用位错与强度理论，探讨了该系合金抗拉强度反常温度效应产生的微观机制，为高强耐热镁合金的开发提供全新的科学基础。该系合金中由于稀土元素种类多、含量高，使得形成的稀土化合物复杂且体积分数高，研究认为这正是造成抗拉强度反常温度效应的根本原因。各稀土元素及其添加量对抗拉强度反常温度效应影响的研究结果表明：只有当Gd含量接近或超过10wt.%的合金，抗拉强度才会出现反常温度效应。此时合金室温下组织主要由α-Mg基体和椭球状β'相组成。本项目采用高温XRD对合金相结构进行分析；模拟高温瞬时拉伸温度环境（短时高温），采用原位加热透射电镜对合金高温下组织演变进行分析；采用高分辨透射电镜（HRTEM）对经历高温瞬时拉伸断裂试样恢复至室温后的组织进行分析，以探讨该系合金抗拉强度反常温度效应产生的微观机制。对该系某些合金的研究结果表明，（1）在从室温到300℃下合金XRD特征衍射峰未发生明显变化，主要为α-Mg基体和β'相。由于稀土元素固溶到镁基体中，使α-Mg晶格发生畸变，晶轴比（c/a）值减小。尤其在高温下α-Mg晶轴比（c/a）减小明显，更有利于合金滑移面开动和拉伸过程的协调变形，有利于高温强度提高。（2）合金在从室温到300℃原位加热过程中，发现合金中椭球状β'相转变为弥散分布的β1相。这一转变，相结构由底心正交变为面心立方，且β1相耐热性更强，形态更圆整、尺寸更细小，利于高温抗拉强度提高。（3）对高温拉伸恢复至室温后的试样进行透射电镜分析，发现经高温拉伸的热-力共同作用后，组织中出现了大量细长条纹状结构和椭球状弥散第二相。经选取电子衍射分析，分别为具有6H型长周期有序结构（LPSO）和β1相。LPSO结构具有优异的高温热稳定性和塑性变形能力，有利于提高合金的高温强度和塑性，在一定研究温度范围内，使抗拉强度随拉伸温度提高而提高。若温度进一步提高，基体软化加剧，强化相减少，抗拉强度开始下降。