Mg-Y-Nd合金孿晶界偏析及Mg-Y-Zn合金長周期相室溫變形行為研究

發(fā)布時間：2020-07-15 05:50

【摘要】：本文綜合利用光學(xué)顯微鏡(OM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM),聚焦離子束(FIB)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)和高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)多種材料表征技術(shù),詳細(xì)研究了軋制時效狀態(tài)Mg-Y-Nd合金{10(?)1}孿晶的界面結(jié)構(gòu),為研究該孿晶的界面結(jié)構(gòu)及溶質(zhì)原子偏聚行為等科學(xué)問題提供了實驗上的支持;與此同時,還表征了Mg-Zn-Y合金中長周期相的室溫變形微觀結(jié)構(gòu),探討了含長周期相的鎂合金具有優(yōu)異塑性變形能力的原因。具體研究內(nèi)容如下:利用HRTEM對室溫軋制+423 K下5 h時效處理的Mg_(98.3)Y_(1.16)Nd_(0.54)(at.%)合金的{10(?)1}孿晶界面觀察發(fā)現(xiàn),孿晶內(nèi)部的高密度層錯可能與孿晶界面的S_(4/4)型(S代表臺階,第一個4表示臺階在基體一側(cè)存在4層{10(?)1}平面,第二個4表示對應(yīng)在孿晶一側(cè)存在4層{10(?)1}平面)孿晶臺階密切相關(guān)。后續(xù)利用HAADF-STEM對{10(?)1}孿晶界面稀土元素偏聚行為的研究顯示,Nd元素在該孿晶界面發(fā)生明顯偏聚析出,而Y元素在該孿晶界面處的偏聚并不明顯。這表明在該α-Mg基體中,Nd元素相比Y元素?fù)碛懈叩臄U(kuò)散速率和向{10(?)1}孿晶界偏聚析出的驅(qū)動力。此外,本實驗還發(fā)現(xiàn)稀土溶質(zhì)原子優(yōu)先選擇在存在失配位錯的孿晶臺階處偏聚,其原因在于相較于{10(?)1}共格孿晶界面,孿晶界面上存在失配位錯的孿晶臺階具有較大的晶格畸變。利用TEM手段對Mg-Zn-Y 18R長周期相室溫壓入變形行為進(jìn)行的表征結(jié)果表明,18R長周期相的壓入變形結(jié)構(gòu)隨應(yīng)變梯度變化而變化。距離壓痕接觸表面較遠(yuǎn)的位置,變形以基面位錯滑移為主,偶爾以扭折形式協(xié)調(diào)變形;伴隨著距壓痕表面距離的減小,應(yīng)變增加,扭折與第二錐面c+a位錯大量開動以協(xié)調(diào)變形。該c+a位錯滑移的開動使得18R長周期相的變形能夠滿足均勻塑性變形所需的五個獨立滑移系條件。將觀察到的變形結(jié)構(gòu)與壓入力學(xué)響應(yīng)曲線對比分析,表明壓入力學(xué)響應(yīng)曲線上的pop-in很可能來自于第二錐面c+a位錯的開動和扭折的產(chǎn)生。該TEM樣品自然時效4個月后,利用HAADF-STEM手段對其進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)第二錐面c+a位錯在18R長周期相中的滑移面上的某些位置富集有Zn/Y元素,主要原因在于殘余在滑移面內(nèi)的位錯導(dǎo)致后續(xù)自然時效過程中Zn/Y元素的偏聚,形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)。此外,c+a位錯滑移一方面會擾動18R長周期原子有序結(jié)構(gòu),使原子擴(kuò)散能壘降低;另一方面會導(dǎo)致該位錯滑移面兩側(cè)18R長周期相中的重原子層和Mg原子層發(fā)生錯排,產(chǎn)生局部錯配應(yīng)力。在后續(xù)4個月自然時效過程中,在滑移界面處由于局部失配應(yīng)力作用下原子相互擴(kuò)散,最終形成4nm左右的元素過渡區(qū)。利用TEM手段對室溫軋制的Mg-Zn-Y 18R型長周期單相合金變形結(jié)構(gòu)的研究表明,18R型長周期單相合金室溫宏觀變形(相對于納米壓痕微觀變形而言)結(jié)構(gòu)除基面a位錯+扭折帶外,還有非基面位錯。弱束暗場像的表征結(jié)果確定該非基面位錯柏氏矢量b=λ[11?00]。非基面位錯與基面位錯可以在同一晶粒內(nèi)部開動。針對室溫軋制變形的退火態(tài)Mg_(96.77)Y_(2.14)Zn_(1.08)(at.%)合金中14H型長周期變形結(jié)構(gòu)的TEM研究表明,當(dāng)該相沿垂直基面方向受壓應(yīng)力時,基面a位錯滑移和扭折的開動受阻,此時第二錐面c+a位錯滑移開動以協(xié)調(diào)變形。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22
【圖文】：

鎂合金,綠色環(huán)保材料,儲氫性能

第 1章緒論題背景及意義著社會的不斷發(fā)展，對材料的要求不斷提高，與此同時，環(huán)境污益突出，傳統(tǒng)材料如鋼鐵材料和鋁合金材料等存在能耗高、資源境污染嚴(yán)重等缺點，已不能完全滿足現(xiàn)代社會對于材料性能的需材料的開發(fā)勢在必行，在輕合金領(lǐng)域，鎂合金擁有得天獨厚的優(yōu)中儲量在所有元素中第六多且易開采；在所有結(jié)構(gòu)材料中，鎂合比強(qiáng)度高，比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗輻射能力強(qiáng)、易回收儲氫性能。在 20 世紀(jì)末以來，鎂及鎂合金相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，在核能、汽車、電子、電器等領(lǐng)域的到廣泛，展示出了廣闊的應(yīng)用“21 世紀(jì)的綠色環(huán)保材料”[2]，特別是工程、機(jī)械等領(lǐng)域?qū)τ诓牧希沟脤︽V合金的研究勢在必行。

流變應(yīng)力,位錯密度,黑色,實線

第 1 章緒論促進(jìn)基面滑移[21]、激發(fā)錐面滑移[19; 22]，提高合金的塑性變形能力，又原始晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了新的晶界，阻礙位錯的滑移[23]。另一方面，塑性中原生位錯與第二相及各種缺陷相互作用，造成位錯的交割、纏結(jié)、殖，使得基體位錯密度增加。研究表明，材料的流變應(yīng)力與位錯密度滿足圖 1-2 所示的關(guān)系。即當(dāng)位錯密度由平衡狀態(tài)增殖時，流變應(yīng)力。另外，鎂合金在變形過程中存在明顯的織構(gòu)效應(yīng),如在拉拔或擠壓變成絲織構(gòu)（ 112 0 平行于擠壓或拉拔方向），軋制或壓縮變形后則會的板織構(gòu)（(0002)面垂直于壓縮方向）�？棙�(gòu)的產(chǎn)生會加劇鎂合金變異性，沿織構(gòu)方向上強(qiáng)度較高，垂直織構(gòu)方向上強(qiáng)度較低[24]。研究表元素(rare element, RE)的加入能夠有效弱化織構(gòu)[25]，對減輕變形鎂合金向異性有良好的效果。

Mg-Y-Nd合金孿晶界偏析及Mg-Y-Zn合金長周期相室溫變形行為研究