镁合金相变报告

几种铸造镁合金的时效相变及时效强化*罗承萍刘江文刘宏伟艾延龄李萧（华南理工大学材料科学与工程工程学院，广州510641）本研究得到下列项目资助[1]教育部博士点基金项目Mg-Al合金HCPBCC析出相变晶体学特征及相界面结构No.98056111;1999.1-2001.12[2]国家自然科学基金项目,提高镁基合金时效强化效果的综合探讨No.50171027;2002.1-2004.12[3]广东省自然科学基金重点项目高强度耐热镁基材料的合金化设计及组织性能研究,No.013005;2002.1-2004.12内容A、三种具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn-(Mn)铸造合金的时效相变，时效组织及时效强化效果B、ZC62/Mg-Zn-Cu铸造合金的时效相变，时效组织及时效强化效果C、Mg-Ca及Mg-Ca-Si合金的时效相变，时效组织及时效强化效果；以及CaMgSi三元相的多重孪晶现象A、三种具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn-(Mn)铸造合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：AZ91(Mg-9Al-1Zn-0.2Mn)AZ64(Mg-6Al-4Zn-0.2Mn)AZ46(Mg-4Al-6Zn-0.2Mn)（罗承萍，肖晓玲，刘宏伟）3种Mg-Al-Zn-Mn合金的时效峰值硬度（HV0.01）和拉伸性能合金150C时效200C时效拉伸性能(200C时效)牌号峰值时间,hr峰值硬度峰值时间,hr峰值硬度b,MPa0.2,MPa,%AZ9198112.08100.02351802.8AZ649895.08102.02201702.4AZ469893.0888.01991881.1A-1、AZ91铸造合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：（罗承萍，肖晓玲）A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：时效强化效果AZ91的时效曲线100CoC峰值硬度Hv100(时效2年);200CoC峰值硬度Hv85(时效24Hr)100oC时效组织，TEM照片，B=[0001](a)半个月；(b)1个月；(c)2个月；(d)3个月A-1AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：时效组织(a)在“a”轴电子束方向上观察到的I,II,III三类g-Mg17Al12析出相的形态。(b)中清楚示出了第二类析出相与基面（也即第一类析出相板条）垂直，而第二类与之斜交的位向。a-Mg:HCP结构：a=0.321,c=0.521nm;g-Mg17Al12:BCC结构，a=1.06nm.A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：三类g-Mg17Al12析出相的形态（1）III在“c”//[0001]轴电子束方向上观察到的I,II类g-Mg17Al12析出相的形态。(a)中的插入图示出了第二类析出相的六边形横截面。(b)是第一类析出相6种变体的示意图，它们都与密排晶向相交约18o。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：三类g-Mg17Al12析出相的形态（2）A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：三类g-Mg17Al12析出相的晶体学特征15○[001]γ[1210]α(0001)αⅡⅢ[1120]α[2110]α[0001]α//[110]γⅢⅠⅠA-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：三类g-Mg17Al12析出相的形态和晶体学特征示意图A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算(1)所谓相变晶体学特征包括：1、母相与生成相之间的晶体学位向关系；2、析出惯习面；3、生成相择优生长方向（条状相的轴线方向）；4、相变应变。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算(1)不变平面应变原理（马氏体，即非扩散型相变）不变平面相变和不变平面：马氏体（切变型）相变过程中，经过点阵不变切变（简单切变），Bain点阵应变和相对刚性旋转，在母相（奥氏体）中能形成一“不变平面”，该平面在相变过程中既不倾转，又不伸缩，完整地成为生成相（马氏体）中的一个晶面，从而实现不变平面相变，而此晶面就称为不变平面（该平面一般是无理数晶面）。数学上，P1=RBPP1：相变应变，即不变平面应变（矩阵);R:产生最佳位向关系的点阵相对刚性旋转（矩阵)；B:产生点阵变换的广义Bain应变（矩阵);P：点阵不变切变（简单切变）（矩阵)。不变线应变原理（扩散型相变）相变不变线：母相中的一个晶向经相变之后，既不倾转，又不伸缩，完整地成为生成相中的一个晶向。此晶向称为相变不变线（矢量）,XI。在不变线方向上相变应变为零，因此析出相轴线将与相变不变线平行。数学上，AXI=XI或RBXI=XI式中，A：相变应变（矩阵);B:产生点阵变换的广义Bain应变（矩阵);R:产生最佳位向关系的点阵相对刚性旋转（矩阵);。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算(2)不变线应变示意图：球椭球应变A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算(3)不变线应变原理相变应变A：相变中，由于点阵改组和母相与生成相间最佳位向关系的调整，会产生应变，这种应变称为相变应变。不变线应变：能产生不变线的相变应变称为不变线应变。相变不变线应变模型：一个由作者及其同事提出的、基于相变不变线应变的相变晶体学模型，用于预测扩散型相变的位向关系，惯习面和晶体生长方向等晶体学特征，已成功应用于FCC/BCC(Ni-Cr和Cu-Cr合金）和HCP/BCC（Zr-Nb合金和本研究的Mg-Al-Zn合金）析出相变的晶体学研究。本研究中，应用相变不变线应变模型计算了第I类析出相的位向关系，惯习面（界面）和板条生长方向，所得结果与实验测量的符合得很好。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算(4)A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相晶体学特征的基于不变线应变模型的计算结果(5)(a)第一类g-Mg17Al12析出相惯习面(0002)a//(330)g的高分辨TEM像；(b)第二类g-Mg17Al12析出相惯习面(0,1,-1,0)a//(-3,3,0)g的高分辨像。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相的界面微观结构(1）Mg/g-Mg17Al12界面匹配情况：第I类（板条状）：析出相以其轴线平行于相变不变线（相变应变为零的晶向），相变应变能较小；并且其惯习面上（330)g面与平行面（0002)a的面间错配度很小(4%)，导致应变能较小，因此容易析出。第II类（棱柱状）：其端界面{0002}a//{222}g和惯习面{0110}a//{330}g上的面间错配度都较大（分别为15%和11%），且其轴线不是相变不变线方向，因此析出困难。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：第I类g-Mg17Al12析出相的界面微观结构（2）A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：AZ91合金时效强化效果较差的原因探讨(1)1、析出相的形态和晶体学特征对形变的影响第I类板条状g-Mg17Al12析出相虽然数量较多（占析出相总量90%以上），但颗粒比较粗大，其时效强化自然较差。更重要的是，这类析出相是以其轴线平躺在镁的（0001）基面内的，而镁在常温下的滑移面也是（0001）基面，因此这类析出相颗粒不能有效地阻碍位错在基面上的滑移,时效强化效果欠佳。相反地，第II、III类棒状g-Mg17Al12析出相由于是与基面垂直或近似垂直的，所以有利于阻碍位错的基面滑移，即有利于时效强化，但是其数量却太少（颗粒也较粗大），不足以产生大的强化效果。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：AZ91合金时效强化效果较差的原因探讨(2)2、晶体学特征和界面结构有利于第I类、而不利于第II、III类析出相的析出。第I类（板条状）析出相以其轴线平行于相变不变线（相变应变为零的晶向），相变应变能较小；并且其惯习面上（330)g面与平行面（0002)a的面间错配度很小(4%)，导致应变能较小，因此容易析出。相反地，虽然第I类析出相具有对称性很好的Crawley位向关系，但其端界面{0002}a//{222}g和惯习面{0110}a//{330}g上的面间错配度都较大（分别为15%和11%）），且其轴线不是相变不变线方向，所以其析出应变能和界面能都较高，导致生成几率远比第一类的小。而第三类析出相不仅位向关系的对称性差，而且面间错配度也大，同时其轴线也远离相变不变线方向，因此其生成几率比第二类的还要小。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：AZ91合金时效强化效果较差的原因探讨(3)3、总结：第I类析出相不利于阻碍位错的的基面滑移，即不利于时效强化；而第II、III类有利于阻碍位错的基面滑移，即有利于时效强化。但是，析出相的晶体学特征和界面结构均有利于第I类、而不利于第II、II类析出相的析出；因此导致前者多、后者少，“有用的不易生成，作用不大的却能大量生成”的不利状况。A-1、AZ91合金的时效相变，时效组织及时效强化效果：AZ91合金时效强化效果较差的原因探讨(4)4、提高Mg-Al-Zn合金时效强化效果的思路：抑制第一类g-Mg17Al12析出相的析出量，提高第二、三析出相的析出密度，并使之细化，应是提高这类合金时效强化效果的有效途径之一。有报道（J.B.Clark,TransmissionelectronmicroscopystudyofagehardeninginaMg-5wt.%Znalloy.ActaMetallurgica,1965,12(3):1281-1289)称，Mg-Zn合金中的η-MgZn2时效析出相(HCP结构，a=0.523,c=0.856nm)具有与第二类g-Mg17Al12析出相相似的形态，即都是板条状，且轴线与（0001）a基面垂直。为此，研究了具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn合金的时效行为和力学性能，以便验证η-MgZn2时效析出相对强化的作用。A-2、具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn-(Mn)铸造合金的时效相变，时效组织及时效强化效果（罗承萍，刘宏伟）A-2、具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn合金的时效相变，时效组织及时效强化效果:研究目的试图通过改变Mg-Al-Zn合金的Al/Zn比，从而改变析出相g-Mg17Al12与η-MgZn2的比例，以达到提高时效强化效果之目的，同时验证η-MgZn2时效析出相对强化的作用A-2、具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn合金的时效相变，时效组织及时效强化效果:试验用镁合金的成分编号牌号名义成份Al/Zn比1AZ91Mg-9Al-1Zn-0.2Mn9/12AZ64Mg-6Al-4Zn-0.2Mn6/43AZ46Mg-4Al-6Zn-0.2Mn4/60.1110100100065707580859095100105110115（小时）显微硬度HV0.01AZ91200℃AZ64200℃AZ46200℃AZ91150℃AZ64150℃AZ46150℃不同镁铝锌合金的时效硬化曲线；200oC时效峰值硬度：AZ91:112HvAZ64:102HvAZ46:88HvA-2、具有不同Al/Zn比的Mg-Al-Zn合金的时效相变，时效组织及时效强化效果:(1)时效硬度曲线3种Mg-Al-Zn-Mn合金的时效峰值硬度（HV0.01）和室温拉伸性能合金150C时效200C时效拉伸性能(200C时效)牌号峰值时间,hr峰值硬度峰值时间,hr峰值硬度