非均匀时效析出相调控及其对Mg-RE合金强韧化机理研究

Mg-RE alloys are widely applied into many fields as an important heat resistant Mg alloy system. The aging precipitation strengthening is an extremely necessary technology. The relevant studies have been concentrated on uniform precipitation behavior, and the aging precipitation strengthening only depends on uniform precipitation. Hence, the studies of non-uniform precipitation behavior at the dislocations and other defects are very little, leading to the relevant studies on the structural characterization and mechanism are still insufficient. It limits further development and application of aging precipitation strengthening in magnesium alloys. In the previous work, we use a new tailoring non-uniform precipitation technology, which can effectively tailor the density and distribution of non-uniform precipitation and else by controlling dislocation of small rolling deformation. Therefore, the resent project plans to choose Mg-4Y-3Nd-0.5Zr alloy achieved by tailoring non-uniform precipitation technology as the model materials. With advanced electron microscopy techniques and nano/micro mechanic tests, we will reveal the inner relationship of microstructure, precipitation behavior and the mechanical properties of micro domains during aging process. Then we will figure out the correlation of the mechanical properties and tailoring non-uniform precipitation. Finally, we will reveal strengthening-toughening mechanism of non-uniform precipitation behavior in Mg-RE alloys, which can provide a novel method for the performance improvement and design of Mg-RE alloys.

Mg-RE合金是镁合金中重要的一个耐热体系，具有广泛的应用前景。时效析出强化是Mg-RE合金强韧化的一种必要方法。目前相关研究只关注于均匀析出行为，时效析出强化也只依赖于均匀析出相的析出强化作用，而非均匀析出行为的结构表征和性能机理研究非常薄弱，限制了时效析出强化在镁合金中的进一步发展和应用。基于此，本项目拟采用新的非均匀析出相调控技术，对时效前的固溶合金进行小变形预轧制，利用变形产生的位错对时效过程的非均匀相分布和密度等因素进行调控。进而，以制备的Mg-4Y-3Nd-0.5Zr时效合金为研究对象，采用先进的电子显微分析和微纳力学表征技术，揭示时效过程微观结构-析出行为-微区性能的联动响应机制，明确相析出的不均匀性与宏观力学性能的内在关系，阐明非均匀析出行为对Mg-RE合金的强韧化机理，从而为合金性能改进和设计提供一种新的思路。

Mg-RE合金广泛应用于为航空航天、交通运输和医疗等多行业领域。当前相关研究追求组织均匀性，却导致合金强度提升的同时室温塑性下降明显。近来有研究发现利用组织非均匀性设计可以提高材料的综合力学性能。本课题通过固溶处理+小变形轧制+时效处理的工艺来调控时效非均匀组织，以提高Mg-RE合金的强韧性综合性能。.以Mg-4Y-2Nd合金（含部分杂质元素）为主要研究对象，利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜表征分析，研究轧制工艺对合金变形组织和时效处理过程中组织演变的影响规律；利用硬度和拉伸性能测试分析，研究预轧制工艺对时效硬化规律和合金室温、高温拉伸性能的影响规律，并分析机理。研究发现：在5-15%小变形范围内，轧制速度(2.5-15 m/min)、轧制道次(1、2道次)和轧制方式对变形组织、时效组织演变和力学性能均无明显影响。固溶态合金经5-15%压下量轧制后，晶粒尺寸无明显变化，而部分晶粒产生孪晶，且随着变形量的增加，孪晶数量增加。轧制变形产生的位错分布极为不均匀，几乎均分布于孪晶区域，远离孪晶的基体中位错数量很稀少。在时效处理过程，预轧制促进了基体中β'相的均匀形核和析出、峰时效时间提前和孪晶界上非均匀形核析出沉淀相（非均匀析出相）。随着时效时间的增加，预轧制产生的位错逐渐消失，基体中析出相长大并最终转变为稳定的β相，孪晶界上非均匀析出相密度也随之增加，但预轧制显著使β相更为细小弥散。合金经预轧制后，随预轧制压下量增加，室温下强度提高，延伸率随之略有下降。其中预轧制压下量9.5%时，峰时效合金的室温抗拉强度为303 MPa，较未轧制合金提高了17.1%，延伸率由6.9%降至3.6%。而预轧制主要提高了合金高温塑性，其中16 h过时效合金高温(250 °C和300 °C)延伸率明显提高，强度无明显变化。预变形对Mg-4Y-2Nd合金的强韧化主要归因为：分布极为不均匀的位错和孪晶、存在非均匀相析出分布的孪晶界。组织的非均匀性促使变形过程各区域的相互协调作用，综合力学性能得到提高。该非均匀组织调控工艺对其他Mg-RE合金也同样具有较好的的强韧化作用。