镁合金专刊2015-2017

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本辑镁合金虚拟专刊集合了2015~2017年在金属学报发表的13篇文章,内容涉及铸态、挤压态镁合金和镁基复合材料的组织和力学性能、凝固行为、位错行为等,既有综述性论文,也有最新研究成果,基本反映了近年来我国镁合金研究领域的主要成果。欢迎阅读、引用和转发!

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1. AZ31镁合金在平面应变压缩过程中的孪生行为研究*
汪炳叔,邓丽萍,CHAPUIS Adrien,郭宁,李强
金属学报    2015, 51 (12): 1441-1448.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00215
录用日期: 2015-10-06

摘要34)   HTML8)    PDF (1164KB)(381)   

采用EBSD技术研究了AZ31镁合金在平面应变压缩过程中的孪生行为. 结果表明, 当压缩方向为TD, 约束方向为RD时, 孪生类型主要以{101-2}拉伸孪晶为主, 孪生变体的选择主要由沿TD的孪生Schmid因子(m)决定, 并受RD的影响. 可用孪生应变张量来解释不同类型孪生晶粒的差异. 对于晶粒内部只发生1个{101-2}孪生变体的情况, 孪生变体在约束方向上的平均孪生应变张量会使得样品伸长; 对于晶粒内部含有2个及以上变体的情况, 孪生m较大的变体在约束方向上的平均孪生应变张量使得样品伸长, 而m较小的变体使得样品在约束方向缩短, 在平面应变压缩变形过程中, 不同类型的孪生变体相互协调变形.

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2. Mg-Zn-Gd三元铸造镁合金的自由凝固路径选择*
刘少军, 杨光昱, 介万奇
金属学报    2015, 51 (5): 580-586.   doi:10.11900/0412.1961.2014.00512
录用日期: 2015-03-03

摘要128)   HTML8)    PDF (2542KB)(453)   

采用实验和数值计算方法, 研究了Mg-4.58Zn-2.6Gd三元铸造镁合金的自由凝固路径选择. 实验结果表明, 当铸型冷却速率≤0.75 K/s时, 合金首先生成的共晶为α(Mg)+W(Mg3Zn3Gd2); 当铸型冷却速率≥7.71 K/s时, 合金首先生成的共晶为α(Mg)+I(Mg3Zn6Gd). 建立了综合考虑合金液相扩散和冷却速率因素的多元合金初生相凝固路径计算模型. 耦合热力学计算软件Thermo-Calc及其数据库获得了Mg-4.58Zn-2.6Gd合金凝固路径计算所需的热力学数据, 发现计算结果与实验结果吻合良好.

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3. 强制对流搅拌流变压铸AZ91D镁合金的组织与性能*
祁明凡, 康永林, 周冰, 朱国明, 张欢欢
金属学报    2015, 51 (6): 668-676.   doi:10.11900/0412.1961.2014.00523
录用日期: 2015-04-08

摘要243)   HTML12)    PDF (8320KB)(507)   

依据强制对流搅拌原理, 成功自主研制出强制对流搅拌(FCM)制浆设备, 并与压铸机相结合, 以AZ91D镁合金力学拉伸件为例, 实现了浆料制备、输送到成形的一体化流变压铸过程; 研究了不同FCM工艺参数下流变压铸件组织特征的演变; 对比了不同工艺下压铸件力学性能的差异; 并分析了FCM流变压铸工艺组织形成机理及凝固行为. 结果表明: FCM工艺参数对铸件的显微组织有较大影响, 适当提高螺杆转速或降低筒体温度, 均有利于成形件组织形貌的改善; FCM流变压铸工艺不仅可以获得内部组织细小、圆整且分布均匀的成形件, 而且可以显著提高成形件的力学性能; 与传统压铸件相比, FCM流变压铸件的屈服强度变化不大, 抗拉强度和延伸率分别提高了12.5%和80.0%; 与经T4和T6热处理的铸件相比, 铸态拉伸件的抗拉强度最低, 屈服强度和伸长率介于T4和T6之间.

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4. 镁合金凝固过程三维枝晶形貌和生长取向研究进展:三维实验表征和相场模拟*
荆涛, 帅三三, 汪明月, 郑启威
金属学报    2016, 52 (10): 1279-1296.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00323
录用日期: 2016-09-12

摘要68)   HTML4)    PDF (14657KB)(623)   

Mg作为一种典型的hcp结构金属, 其枝晶形貌和生长取向受到多种因素的影响, 目前针对镁合金中α-Mg 枝晶生长模型的描述以及多样性的起源等问题的研究都比较缺乏, 基于此, 本文综述了本课题组在镁合金凝固微观组织结构三维表征方面取得的研究成果. 借助同步辐射X射线微观断层扫描技术以及相场数值模型, 研究了镁合金凝固过程中α-Mg (X)枝晶生长选择多样性的形成机理以及固溶合金元素(Al, Ca, Zn 和Sn 等)、固溶元素含量(溶质浓度)等因素对α-Mg 枝晶生长选择和演化的影响. 研究结果表明, 固溶元素、固溶元素含量等因素都会对镁合金中α-Mg三维枝晶形貌和择优取向产生重要影响. 在Mg-Ca和Mg-Al (hcp-fcc)合金中, 枝晶倾向于以<112?0>或<224?5>为择优方向生长. 在Mg-Sn (hcp-bct)合金中, 等轴生长的枝晶沿着基面上<112?0>和偏离基面的<112?X> (X2)方向形成一种18次分支的结构, 在Mg-Zn (hcp-hcp)合金中, α-Mg枝晶的择优取向会随着Zn含量的增加, 从<112?0>方向朝偏离基面的<112?1>方向发生连续转变, 并在转变的过渡区, 发现了超支化的藻状枝晶结构, 其原因可能是高各向异性Zn元素的引入带来的固/液界面自由能各向异性的变化. 研究结果从一定程度上揭示了镁合金凝固过程中α-Mg枝晶生长形貌和分支结构选择多样性的规律. 同时基于快速X射线成像技术率先开展了镁合金凝固过程三维微观结构演化原位表征研究, 获得了镁合金凝固过程三维枝晶的生长演化过程.

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5. AZ91D镁合金在激光选区熔化成形中的元素烧损*
魏恺文,王泽敏,曾晓雁
金属学报    2016, 52 (2): 184-190.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00212
摘要56)   HTML5)    PDF (3463KB)(397)   

利用OM, SEM, EDS, XRF和XRD等方法研究了AZ91D镁合金在激光选区熔化中的元素烧损机制以及烧损对成形试样化学成分、显微组织及力学性能的影响. 结果表明, 成形试样中Mg的相对含量(86.61%~88.68%)低于粉末原料中Mg的相对含量(90.63%), 而其Al的相对含量(10.40%~12.56%)则高于后者(8.97%). 该结果与基于Langmuir模型的计算结果相符, 表明在激光作用下主要是Mg发生了烧损. 成形试样的Mg与Al质量比η随激光体能量密度EV的增加呈现先上升后下降并最终趋于稳定的演变规律. 采用55.6 J/mm3EV所成形试样(试样No.8)的η值最接近粉末原料. 使用回归分析法建立了ηEV的解析关系, 其拟合度指标系数R2为0.858. 成分变化最为显著之一的成形试样No.1 (采用166.7 J/mm3EV所成形)与压铸态AZ91D 的组织特征相似, 均为β-Mg17Al12相呈网状分布于α-Mg基体间的典型凝固组织. 但成形试样No.1的β-Mg17Al12相含量及其α-Mg基体中Al的固溶量明显高于压铸态AZ91D. 成分变化导致成形试样No.1的拉伸强度及显微硬度得到提升, 但使其延伸率有所下降.

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6. 挤压态ZK60镁合金室温拉-压不对称性研究*
林金保,任伟杰,王心怡
金属学报    2016, 52 (3): 264-270.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00324
摘要42)   HTML7)    PDF (3583KB)(628)   

基于室温轴向拉伸和压缩实验研究了挤压态ZK60镁合金的拉-压不对称性. 通过修正黏塑性自洽模型, 建立了耦合滑移和孪生的晶体塑性力学模型, 模拟了挤压态ZK60镁合金轴向拉,压力学行为, 分析了基面,柱面,锥面滑移及{1012}<1011>拉伸孪生和{1011}<1012>压缩孪生在塑性变形过程中的激活及演变情况. 结合实验与模拟, 从微观塑性变形机制角度分析了具有初始挤压态丝织构的镁合金产生拉-压不对称性的机理. 结果表明: 轴向拉伸过程中拉伸孪生和压缩孪生都较难激活, 变形初期以基面滑移为主, 由于基面滑移取向因子较低, 导致屈服应力较高; 随着晶粒转动, 基面滑移分切应力降低, 应力逐步升高, 变形机制转为以柱面滑移为主, 辅以锥面<c+a>滑移, 应变硬化率较低, 应力-应变曲线较平稳. 轴向压缩前期, 临界剪切应力较低的拉伸孪生大量激活, 导致屈服应力较低; 应变达到6.0%后拉伸孪生逐渐饱和, 相对活动量快速降低, 硬化率迅速提高, 由于大量孪晶界对位错滑移形成阻碍, 滑移机制未出现大量激活; 轴向压缩后期, 随着应力的持续升高, 压缩孪生启动, 相对活动量迅速上升, 塑性变形积累的应力得以释放, 硬化率降低. 因此, 挤压丝织构状态决定了镁合金在室温轴向拉,压变形过程中的变形机制存在明显区别, 从而导致挤压镁合金产生显著的轴向拉-压不对称性.

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7. 高温短时间时效处理对Mg-3Nd-1Zn合金微观组织及力学性能的影响*
王文辉,吴迪,陈荣石,娄长胜
金属学报    2016, 52 (5): 567-574.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00333
录用日期: 2016-02-23

摘要41)   HTML3)    PDF (1179KB)(245)   

将固溶处理后的Mg-2.7Nd-0.6Zn-0.5Zr合金在200~300 ℃之间进行不同温度及时间的高温时效处理, 研究高温短时间时效处理对合金的微观组织和力学性能的影响, 并利用OM, SEM和TEM对合金的微观组织进行表征. 结果表明, 固溶态Mg-2.7Nd-0.6Zn-0.5Zr合金经250~275 ℃高温短时间时效后, 其室温屈服强度和抗拉强度最高分别增加了近70%和29%, 宏观组织中出现呈直线性不均匀分布的析出相. 析出相的显微形貌为颗粒状, 成分为Mg12Nd. 析出相的线性分布方向平行于Mg基体(0001)Mg基面, 合金的时效硬化行为与这种沿基面呈平行线分布的颗粒状析出相密切相关. 在250~275 ℃范围内时效20~30 min后屈服强度较高, 这是由于在变形过程中颗粒状Mg12Nd的特殊分布对基面滑移及晶粒间协调变形起到很强的抑制作用.

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8. 第二相对镁基材料微弧氧化过程的影响机制*
王艳秋,吴昆,王福会
金属学报    2016, 52 (6): 689-697.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00500
录用日期: 2016-04-06

摘要40)   HTML1)    PDF (939KB)(474)   

对含有不同类型第二相的镁基材料进行微弧氧化处理, 研究基体材料第二相对其微弧氧化行为的影响规律及其影响机制. 利用SEM观察第二相在微弧氧化初期阶段的存在状态, 并结合EDS分析第二相的成分及状态变化; 通过不同镁基材料在微弧氧化过程中的电压演变趋势分析第二相对微弧氧化行为的影响. 根据微弧氧化膜的生长原理, 将膜层的生长过程简化等效为一个电容器的反复击穿-重构过程, 并依此讨论了微弧氧化膜的形成过程及第二相的影响机理. 结果表明, 第二相对镁基材料微弧氧化行为的影响与其自身特性密切相关; 在微弧氧化的初期阶段, 第二相是否具备阀金属特性及其导电特性是影响微弧氧化行为的重要因素. 对于具备阀金属特性的第二相, 由于其表面能够形成火花放电所必须的阻挡层, 因此第二相的存在不会对微弧氧化行为产生明显影响. 对于不具备阀金属特性的第二相, 其导电特性决定了镁基材料在微弧氧化初期阶段能否正常发生火花放电并顺利进入膜层生长阶段.

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9. Bi添加对挤压纯Mg组织和力学性能的影响*
孟帅举,余晖,张慧星,崔红卫,王志峰,赵维民
金属学报    2016, 52 (7): 811-820.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00039
录用日期: 2016-05-04

摘要39)   HTML5)    PDF (1824KB)(739)   

基于各种零部件对非稀土型低成本镁合金的需求, 选择低成本Bi添加镁合金作为研究对象, 对比研究了纯Mg及其添加6%Bi (质量分数)的Mg-6Bi合金的微观组织与力学性能. 结果表明, 2种样品在挤压后均发生了完全动态再结晶且表现出相似的挤压织构, 但Bi加入后可获得更为均匀细小的组织, 平均晶粒尺寸从未添加态的30 μm显著减小为4 μm. Mg-6Bi合金中未完全固溶的微米级Mg3Bi2相在挤压过程中被破碎并沿挤压方向呈条带状分布, 同时观察到大量动态析出的纳米级Mg3Bi2相弥散分布在基体中. 挤压态Mg-6Bi合金的力学性能较纯Mg显著提高, 其拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到189 MPa, 228 MPa和19.9%, 且未表现出拉压各向异性. 添加Bi后合金性能的提高主要归因于晶粒细化和弥散分布的微纳双尺寸Mg3Bi2相协同强化的共同作用.

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10. 轧制变形对喷射沉积含Nd镁合金织构及LPSO相的影响*
李振亮,刘飞,袁爱萍,段宝玉,李晓伟,李一鸣
金属学报    2016, 52 (8): 938-944.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00592
录用日期: 2016-04-20

摘要29)   HTML1)    PDF (828KB)(492)   

采用喷射沉积技术制备Mg-9Al-3Zn-1Mn-6Ca-2Nd 合金沉积坯, 对其进行挤压预变形和轧制变形(温度T=350 ℃; 道次压下率ε =20%, 25%, 30%). 利用SEM, TEM和XRD研究二次变形对尺寸不对称挤压坯中织构演变及LPSO相形成的影响. 结果表明: 镁合金板坯经350 ℃和道次压下率为20%轧制后, 在(Ca, Nd)Al2结构C15 型Laves 相基体形成24R结构Mg-Nd-Zn型LPSO相; 随着轧制变形程度增大(ε =20%, 25%, 30%)实现了形变织构的随机化, 纳米级C15粒子钉扎位错与亚晶引起的再结晶的共同作用是导致基面织构(0002), 柱面织构{100}<0001>及锥面织构{102}全面启动的主要原因.

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11. AM50-x(Zn, Y)镁合金的显微组织、力学性能与凝固行为*
王峰,马德志,王志,毛萍莉,刘正
金属学报    2016, 52 (9): 1115-1122.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00048
录用日期: 2016-05-27

摘要43)   HTML2)    PDF (1343KB)(248)   

将Zn和Y元素以原子比为6∶1的形式加入AM50合金中, 并采用金属型铸造成形, 利用OM, SEM, EDS, XRD, 热分析法及拉伸实验研究了AM50-x(Zn, Y) (x=0, 2, 3, 4, 5, 质量分数, %)合金的显微组织、凝固行为及力学性能. 结果表明: 向AM50合金中按原子比为6∶1的形式加入Zn和Y元素后, 组织得到明显细化, 组织中并未形成Mg3Zn6Y准晶相, 而是形成了颗粒状的Al6YMn6相和细小的Al2Y相, 其中Al6YMn6相尺寸随着Zn和Y元素含量的增加而增大; 当x≥3时, 在组织中β相的周围逐渐形成层片状的Φ-Mg21(Zn, Al)17相, 且其数量逐渐增加. 热分析结果表明, Φ-Mg21(Zn, Al)17相约在354 ℃通过包晶反应形成, 其中α-Mg和β相析出温度随着x的增加而降低. 由于Al6YMn6相、Al2Y相和Φ-Mg21(Zn, Al)17相的形成, 使得β相的尺寸减小、数量减少; 当x=4时, 合金组织最为细小, 且合金力学性能达到最优, 其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为206.63 MPa, 92.50 MPa和10.04%.

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12. AZ80镁合金动态再结晶软化行为研究*
蔡贇,孙朝阳,万李,阳代军,周庆军,苏泽兴
金属学报    2016, 52 (9): 1123-1132.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00051
录用日期: 2016-05-27

摘要65)   HTML2)    PDF (1457KB)(458)   

采用等温压缩实验获得了变形温度为200~400 ℃, 应变速率为0.001~1 s-1的AZ80镁合金的流变应力曲线, 考虑动态硬化及软化特性描述了AZ80镁合金热变形过程动态再结晶主导的软化行为. 提出基于动态材料模型的应变速率敏感性指数表征动态再结晶引起的能量耗散, 该指数通过引入动态再结晶体积分数描述微观组织演化的耗散功. 考虑变形温度和应变速率构建了不同应变的应变速率敏感性指数图, 实现应变速率敏感性指数对动态再结晶软化行为的量化表征. 在此基础上, 研究了变形温度、应变速率对动态再结晶临界条件及演化过程的影响, 重点分析了不同应变的应变速率敏感性指数图特征. 结果表明: 随着变形温度的升高和应变速率的降低, 动态再结晶软化临界应变减小, 动态再结晶体积分数增加; 应变速率敏感性指数与动态再结晶体积分数正相关, 指数大于0.21的区域对应着高动态再结晶体积分数, 且均位于低应变速率下, 并通过动态再结晶软化的微观组织进行了验证.

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13. 强织构AZ31镁合金板材深低温轧制过程中微观组织演变及力学性能控制研究
闫亚琼,罗晋如,张济山,庄林忠
金属学报    2017, 53 (1): 107-113.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00134
录用日期: 2016-10-28

摘要42)   HTML7)    PDF (5483KB)(443)   

取初始织构为c轴与板面法向垂直的强织构AZ31镁合金板材为初始样品,经液氮温度深低温轧制多道次至不同变形量,研究所得轧制板材的显微组织与织构演变,及其对轧制力学性能的影响。利用SEM、EBSD和XRD表征分析了轧制板材的显微组织和织构,应用准静态单轴拉伸实验分别测试了深低温轧制板材沿轧向(RD)和横向(TD)的室温力学性能。研究表明,{101?2}拉伸孪晶是深低温轧制强织构AZ31镁合金板材中的主导孪晶类型,其对轧制板材的微观组织和织构影响较为显著。轧制变形后,大量的拉伸孪晶晶界不但对晶粒起到了分割碎化作用,并且由于孪晶对取向的剧烈改变,使得板材在轧制变形后c轴平行于ND的织构组分加强。深冷轧制板材的强度有所提高,但是延伸率却急剧下降,沿着RD方向的强度要高于TD方向的强度。

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