准晶相强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金的力学/化学交互作用行为及其失效机理

The target of this project is to characterize the mechanical/chemical interaction behavior, especially the failure process and mechanism of stress corrosion cracking and corrosion fatigue of Mg-Zn-Y-Zr alloys strengthed by quasicrystalline phases at different structural levels using the combination of material-mechanics-chemistry, as well as static and dynamic tests. The emphases are to investigate the influence of volume fraction, size, morphology and distribution of quasicrystalline phase particles and quasicrystalline/matrix interface structure on the formation and growth of the pits, crack initiation and possible paths near the crack tip for the crack propagation under mechanical/chemical interaction conditions; to explore the effect of the highly localized charateristics (local material, solution chemistry in the crack and mechanics) near the crack tip on the failure and destroy of the quasicrystalline/matrix interface and crack dynamic propagation process; Finally, to consider how to establish the relationship between mechanical/chemical interaction behavior and the changing of volume fraction, size, morphology and distribution of quasicrystalline phases to explore effective hot mechanical deformation and heat treatment technologies for the further improvement of the corrosion fatigue property and stress corrosion cracking resistance of alloys, to provide theoretical and experimental basis for the further development and application of Mg alloys.

本项目拟将材料-力学-化学等不同学科，静态和动态实验结合，在不同结构层次上对准晶相强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金的力学/化学交互作用行为，特别是应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳的失效过程和机制予以表征。着重探讨在力学/化学交互作用条件下准晶相颗粒的数量、尺寸、形貌和分布特征及其它们与基体的界面结构对点蚀坑的形成和长大、裂纹萌生、裂纹尖端近前沿裂纹扩展可能路径的影响，研究裂纹尖端微区高度局部化特性（材料、裂纹内溶液化学和力学作用的局部化）对准晶相界面的失效和破坏及其裂纹动态扩展行为的影响。考虑如何将合金的力学/化学交互作用行为与准晶相数量、尺寸、形貌和分布的变化规律相结合，探索有效的热机械变形和热处理等手段，进一步提高合金的腐蚀疲劳性能和抗应力腐蚀开裂能力，为合金进一步开发与应用提供理论和实验基础。

与其它镁合金相比，含准晶相Mg-Zn-Y-(Zr)系稀土镁合金具有较高的强度，与中等强度铝合金基本相当。然而，为确保镁合金材料在这些领域中应用的安全可靠性，研究合金在力学/化学交互作用下的应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳行为显得尤为重要。因准晶相在镁合金中的发现较晚，早期的研究工作未曾涉及合金的力学/化学交互作用行为。鉴于此，我们开展了以下研究内容：1）研究形成准晶相的数量、尺寸及其分布情况对 Mg-Zn-Y-Zr合金的微结构和常规腐蚀行为的影响；2）研究合金的应力腐蚀开裂行为及其失效机理；3）研究合金的腐蚀疲劳行为及其失效机理；4）合金在力学/化学交互作用下性能的提高方法和途径的工艺探讨。.结果表明，经（锻造+轧制）加工处理后，Mg-6%Zn-1.2%Y-0.7%Zr合金中准晶相的碎化程度明显高于锻造态。根据XRD相分析和DSC热分析结果，我们确定了二级固溶处理制度（T4），即300℃/1h+400℃/2h。T4态合金中的局部成分不均匀区得到了显著的减弱和消除，且会导致纳米级尺度准晶相颗粒的析出。经T4处理后，合金的腐蚀电流密度icorr值和析氢速率分别要比锻造态合金低2.5和1.8倍，主要归因于局部成分不均匀区的存在致使连续的网状组织不能阻止腐蚀坑的发展。另外，T4处理前后合金在空气中应变速率为1×10-6 s-1条件下的拉伸性能变化不明显。在3.5 wt.% NaCl溶液中拉伸时，T4态试样的延伸率是锻造态试样的大约3.1倍。电镜观察表明，锻造态试样表面存在严重的局部腐蚀，而T4态试样表面仅存在一些浅的丝状腐蚀区域。疲劳实验表明，尽管锻造态试样在空气中的疲劳强度要高于T4态，但在3.5 wt.% NaCl溶液中T4态试样的疲劳强度要高于锻造态。其原因主要为锻造态试样表面点蚀坑很深，极易充当疲劳萌生源，加快腐蚀疲劳的破坏。.该项目中的研究成果为进一步理解和揭示准晶对Mg-Zn-Y-Zr合金的力学化学交互行为的影响规律和作用机理提供了实验性数据，提供了有利于合金综合使役性能的热处理条件，为将来高性能镁合金的开发和设计提供了理论指导，对准晶强化镁合金的工程应用起到了一定的推动作用。