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低合金化晶界偏聚镁合金微结构和强塑性机理

摘要

低合金化镁合金作为现在极具发展潜力的镁合金体系而备受关注。然而，绝对强度

低和室温塑性差已成为限制其进一步应用的关键性问题。低合金化镁合金与常见的高合

金化镁合金不同，无法单纯依靠时效强化获得理想力学性能。镁合金中的晶粒结构和位

错组态是获得高性能的关键，而晶界偏聚是一种可以有效地控制晶粒结构的方法。另外，

稀土元素是改善镁合金综合性能的有效合金化元素。本论文主要采用典型轻稀土Sm元

素和重稀土Er元素作为主要合金化元素。这两种稀土元素在镁合金中固溶度相差较大，

Er

适合于不同性能需求的镁合金设计。例如，元素更适合用于设计高塑性镁合金，而

Sm元素更适合用于设计强塑性协调镁合金。因此，优选低合金化Mg-Sm、Mg-Er和商

用AZ31合金，调控镁合金的晶界偏聚水平，并通过加工工艺和退火工艺控制，有望获

()

得理想微观结构和特定力学性能。最后，通过准原位拉伸等手段研究高性能合金的

变形机制，阐明晶界偏聚对晶粒结构的控制机理，揭示镁合金性能提升的本质原因。结

果表明：

(1)Sm(0.15at.%/1wt.%Sm)

微量元素添加到镁合金中，可以有效提高镁合金晶

界上Zn和Ca的偏聚水平。偏聚水平的提高主要与负的元素间混合焓和多元素混合导致

的更小晶界应变能有关。同时，Sm/Zn/Ca元素的共偏聚可以更有效钉扎晶界，从而抑

380°C30minMg-2Zn-0.8Mn-0.6Ca-1Sm(wt.%)

制晶粒长大。经退火后，合金的平均晶

粒尺寸仅从2.4μm增加至3.80μm，晶粒长大速率远低于Mg-2Zn-0.8Mn-0.6Ca(wt.%)

合金。另外，Sm/Zn/Ca元素的共偏聚在退火过程中更不容易“脱偏聚”，具有更高的热稳

定性；这主要与晶粒长大速率和偏聚扩散速率的匹配有关。

(2)通过微量Er元素(0.3at.%/2wt.%Er)合金化，可以在中等晶粒尺寸(约8μm)

下实现镁合金在室温下的超高塑性(接近50%的延伸率)。一方面，通过滑移痕迹分析

Er

发现微量的元素和适当的细晶粒可以显著降低非基面滑移和基面滑移的临界分切应

力(Criticalresolvedshearstress，CRSS)比值，从而有助于激活大量非基面位错。这是

Mg-2Er(wt.%)合金获得超高塑性的主要原因。通过计算得到柱面a滑移和基面

a滑移之间的CRSS比值约为2.88，锥面Ia滑移和基面a滑移之间的CRSS

比值约为12.60，锥面Πc+a滑移和基面a滑移之间的CRSS比值约为15.39，明

显低于纯镁和大多数镁合金。另一方面，在较低温度下退火的合金表现出更高的断裂延

(30˚)Er

伸率。除了更高比例的低取向差晶界取向差小于不易开裂外，晶界处较高的

哈尔滨工程大学博士学位论文

偏聚水平也是获得高塑性的重要原因。Er的晶界偏聚也将影响内聚能，并有利于激活更

多的非基面位错以适应局部应力，从而抑制晶界开裂，最终提高塑性。

(3)多元素复合偏聚具有更强的晶粒长大抑制性，结合这一思想设计了新型

Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn(wt.%)合金。首先，通过低温低速挤压工艺制备了高强低

453MPa