固溶处理对Mg-Gd-Zn合金组织和性能地影响_0.doc

固溶处理对Mg-Gd-Zn合金组织和性能的影响 1、相关定义 1.1、镁合金的定义 轻的金属材料之一,是二十一世纪环保材料的主要发展研 究方向之一。镁(Mg)的原子序数是 12,电子轨道分布 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ,有三种同位素 (78.99% 24 Mg、10.00% 25 Mg 和 11.01% 26 Mg),原子相对质量为 24.3050,原子晶格常数 a=0.32nm,c=0.520 nm,轴比 c/a=1.642,原子 d=0.32nm.镁的密度为 1.74g/cm 3 ,为纯铝 (2.7g/cm 3 )的 2/3,钢(7.9 g/cm 3 )的 1/4,Ti(4.5 g/cm 3 )的 2/5;熔点 651。Mg 的含 量很丰富,它在地壳中的含量约为 2.5%,在海水中亦有约 0.13%的含量,在所有元素 中排名第八(次于 O,Si,Al,H,Fe,Ca,Na)。[1] 纯镁是一种很脆的材料,而且很容易氧化,在工程利用方面有限,目前的方向主 要是研究镁合金,用以弥补镁性能不足。以镁为基的镁合金也要比相当量的铝合金轻 36%,比锌合金轻 73%,比钢轻 77%,在目前应用工程材料中,镁合金堪称是最轻的金 属结构材料。镁合金具有以下优点: (1)较高的比强度、比模量;(2)电磁屏蔽性;(3) 阻尼减振性好;(4)与聚合物材料相比:更好的力学性能、抗老化能力、更好的导电和 导热率;(5)高的尺寸稳定性;(6)高的热导率;(7)良好的机械加工能力,易于 铸造和加工;(8)易于回收,是一种环保友好、可再生的材料,可替代现行的工程塑料。 此外镁合金还具有低缺口疲劳敏感性;低的热应力模量;高的热扩散性;低的热中子扑 获截面和低的旋转和往复运动的惯性力等。[2]这些优点注定了镁合金的广泛应用是目 前这个以良性持续发展为主题的世界发展方向的必然趋势。进入 20 世纪 90 年代后, 随着镁冶炼技术的不断提高,镁及镁合金成为迅速崛起的一种工程材料,用量以每年 15%的速率保持快速增长,并广泛利用在电子、通信、航空、汽车、医疗等领域.但是 对镁及镁合金而言,自身仍有许多缺点,镁合金的发展受限制的原因有两个方面,一 个是成本高,并且由于缺乏研究而造成的进一步落后;其二是性能差,镁合金的缺点 如下:(1)低的弹性模量,(2)有限的冷加工能力和韧性,(3)有限的高温强度和高温屈 服强度,(4)凝固时收缩率较高,(5)高的化学反应活性,(6)在一些应用中耐蚀性较差 等。[3] 1.2、包晶合金凝固的基本概念 第一章 绪 论 晶反应开始生长,直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相耗尽,则 获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构;若初生相先于液相被耗尽,则剩余的液相将直 接转变为包晶相,最后获得完全由包晶相构成的组织。 根据上述分析,包晶反应完成后,对 k1 的情形,包晶和亚包 晶合金的平衡凝固组织为完全的包晶相,过包晶合金的平衡凝固组织为初生相+包晶相(如图 1-2)。 1.3、包晶凝固的定义 一个固相和液相反应生成另一个固相的相变过程称为包晶反应,许多合金在凝固过程中 都涉及到二元或赝二元包晶反应[3],如图 1-1 所示,其典型特征是冷却时在包晶温度下初生相 α与液相L反应生成包晶相β,即L+α→β。定义Tp为包晶温度,Cα、Cp、Cl分别为此温度下的 初生相、包晶相和液相成分。成分介于Cα与Cl之间的合金在凝固时均可以发生一定程度的包 晶反应,统称为包晶合金。 图 1-1 包晶凝固相图,(a) k1 对于k1 的情况,人们同 样将低于Cp的合金称为亚包晶,高于Cp的合金称为过包晶[4],此时介于Cl和Cp之间的合金为亚 包晶合金,而成分介于Cp 和Cα之间的合金为过包晶合金。 图 1-2 包晶合金平衡凝固过程示意图 k1: (a) 亚包晶合金;(b)包晶合金;(c)过包晶合金 包晶合金平衡凝固可以描述如下[5]:当体系温度降低到初生相液相线以下时,初生相开 始形核并且生长;当温度进一步降低到包晶温度Tp时,包晶相依附于初生相形核,并通过包 2 1.4、高熵合金的定义 1.2.1 固溶体的混合熵1.2.1 固溶体的混合熵 混合熵对于高熵合金而言,扮演了一个十分重要的角色。熵是热力学上代表 混乱度的一个参数,一个系统的混乱度愈大,熵就愈大。我们的宇宙是一个很有 名的系统,随着时间增长,它的混乱度越大,熵也愈大。 如果由NA个A原子和NB个B原子构成1mol理想溶体,则有[32] NA+ N B = N (1.1) N为Avogadro常数。则溶体的摩尔成分——原子分数为 3 A A XN =N (1.2) B B XN =N (1.3) XA+ X B =1 (1.4) 两组元的原子完全随机混合时