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外文翻譯-稀土元素對鎂合金的影響(譯文)-其他專業.doc

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外文翻譯-稀土元素對鎂合金的影響(譯文)-其他專業.doc

中文4655字 出處Journal of Alloys and Compounds 481 2009 379–384 合金及其化合物雜志 稀土元素Gd、Y對鎂合金的固溶處理的影響 L Gao, RS Chen, EH Han 摘要本研究探討了My-Gd-Y三元合金和Mg-Gd、Mg-Y二元合金的固溶強化作用。研究發現固溶體中的屈服強度取決于Gd、Y元素的濃度,簡化分析后得出在Mg-Gd-Y三元相圖中可以準確預測出三元的固溶強度。相比于Al與Zn元素,在固溶處理中Gd、Y元素可以對提高強度有更大的作用。此外,原子原始尺寸、模型缺陷系數以及空位效應都可以提高強度。 簡介 由于鎂合金是結構合金中最輕的,它應用有巨大的潛力。然而相對于鋁合金,鎂合金的延伸率的限制,它的強度還是相對較低。為了改善其機械性能,鎂稀土合金得到了極大的關注,因為鎂稀土合金無論室溫還是更高的溫度都有較高的強度及其杰出的抗蠕變能力。在所有鎂稀土合金中,Mg-Gd-Y合金是最有希望的新型鎂基時效強化合金的候選。通常在鎂合金中加入稀土元素提高強度主要依據于兩種強化機制,分別是析出硬化和固溶強化。在Mg-Gd-Y合金中結構、沉淀階段的心態,沉淀順序都相對容易得到,然而其固溶強化機理到現在還沒有解釋清楚。前人的工作指明Y元素的加入明顯提高了固溶強度相比于Zn、Al元素。本研究意在探索Mg–Gd,、Mg–Y二元固溶合金及Mg–Gd–Y 三元固溶合金的強度,并且分別研究Gd、Y元素的固溶強度作用,繼而預測三元合金的強度,同時也對條件變化對強度的影響進行探索。 實驗介紹本研究對于Mg–Gd、Mg–Y二元合金及Mg–Gd–Y 三元合金進行探索,前期準備了高純度的Mg99.97、Mg–25Gd wt.,、Mg–25Y wt. ,主要元素通過加入到780C的電阻爐中在抗氧化氣體的保護下熔煉。熔體被澆筑到事先加熱到200–300C的直徑100mm的鋼磨具中,其中的化學成分通過電感耦合等離子體發射光譜儀進行分析。對合金進行溫度在535–540C 時間為1.5–9 h 的固溶處理,隨后放入溫度為70C的溫水中淬火。實驗根據Mg–Gd、Mg–Y二元相圖及Mg–Gd–Y 三元相圖計算出第二相最大限度的溶解在鎂合金中,從而選出最好的固溶處理條件。 拉伸測試于室溫下、晶粒度1.0 10?3s?1的情況下拉伸。平面拉伸,使用長度為25mm、橫截面為 36mm2的試樣,三個試樣都進行以上測試,確保所得數據的再現性。 硬度測試使用布氏硬度載重500g,持續時間15s,每個試樣測試不少于10次。硬度測試與拉伸測試在淬火后數小時內進行。 試樣在進行機械拋光前,先用5的硝酸腐蝕,隨后進行電鏡觀察。通過直線截距法,(方程式d1.74l)測量平均晶粒大小,l通過電鏡觀察得出。對于每一種合金含有不同的Gd含量電鏡觀察時鏡頭內都需包含至少300個晶界。 研究結果對于Mg–Y二元合金的研究已經發表在之前的論文中,總結如下。對于Mg–Y單相屈服強度依賴于濃度,c代表了溶質原子的濃度,n1\2或2\3。然而,實驗發現Y元素可以極大的提高固溶強度相比于Zn和Al元素,實驗基于同樣的原子大小和相同的磨具。為了更好的理解這個現象,本實驗設計研究Gd元素在鎂合金中對固溶強度的影響。 Mg–Gd二元合金的化學成分的分子比和質量比展現于圖表1中。這些特殊的合金都被表示為稀釋的合金,也就是,在200C時低于Gd在Mg中的最大固溶度大約為 0.61 at.。進行過飽和的固溶處理,濃度接近相圖所表示的最大值4.53 at.。Mg–2.49 at. Gd 合金鑄態及固溶處理后的數據表示在表格1中。選用最佳的固溶溫度及時間可以使得間隙化合物在鑄態合金中充分溶解于矩陣中。這些與Mg–Gd二元合金相圖相吻合,即Gd在溫度為535C時的固溶度為4.2 at.。Mg–Gd二元合金的平均晶粒度大小表示在表格1中。從表格中可以看出不同含量的合金有在晶粒度大小上有著小小的不同。Gd濃度在Mg–Gd固溶體中的變化而引起的硬度的變化展示在圖表2中。從中可以看出硬度的增大與Gd濃度的增大成正比。這里得出一個硬度和Gd濃度組成的公式 Hv0.5 kg mm?2≈ 37 14 Gd at.。 (1) 表格2和等式(1)表示出一個近似線性的硬度和固溶度的關系 dHv/dc≈ 14 kg mm?2/at. Gd,這個與之前已經得出Mg–Y合金的公式相似dHv/dc≈ 13 kg mm?2/at. Y。 表格3a表示每一個合金在室溫下的應力應變曲線。盡管彈性極限和極限抗拉強度隨著Gd元素的含量的增長而增長,但是延伸率卻隨之降低。加工硬化出現在所以被研究過的合金中。每個合金的拉伸性能被總結為固溶Gd的作用在表格3b中。從表格2.3中可以發現Mg-Gd單相合金的強度提升是由固溶原子的增加引起的。同時也解釋了固溶強度及晶界強度增強的原因。因為根據Mg-Gd二元相圖,沒有出現沉淀強化。晶粒大小的作用可以根據Hall–Petch公式計算出。 在鎂基合金中有一點小小的爭議,就是Hall–Petch中的參數k的大小,它是一個范圍135 MPa m1/2到 1250 MPam1/2,很少的研究關注公式中的k的與公式的關系。因此需要做一些額外的實驗,Mg–0.49 at. Gd的合金的融化物澆筑到三個不同的磨的具中,獲得不同的冷卻速率,試樣的晶粒大小從63μm到164μm不等。通過在室溫下測試不同晶粒大小的試樣得到的應力應變曲線表示于表格5中。最小晶粒度的試樣得到了最大的屈服強度,隨著晶粒度的增大導致屈服強度的降低。Mg–0.49 at. Gd合金的屈服強度依賴于晶粒的大小,表示于表格5b中。在最近的研究中,通過實驗得出屈服強度與Hall–Petch公式的關系屈服強度等于46.5 188d?1/2,其中σ0和K分別為46.5 MPa和188 MPa μm1/2。,以上被研究的合金都是固溶處理的Mg–0.49 at. Gd合金。純鋁的Hall-Petch公式中的參數k在拉伸測試中得出k220 MPa μm1/2,而對于Mg–10Gd–2Y–0.5Zr wt.合金在澆筑T6及擠壓T5的條件下k135MPa μm1/2、k164MPa μm1/2,因此對于Mg–0.49 at. Gd合金而言通過拉伸測試可用得出較為準確的Hall–Petch公式和其參數,得到的有實驗價值的k188 MPa μm1/2,并用于以下所有分析。 將固溶強化的作用擱置一邊,從表3b中得到的屈服強度已經被糾正過,根據晶粒變化的公式2,這種方法是有Caceres and Blake提出的。Mg–0.93 at. Gd合金的晶粒尺寸是從圖表1中得出的,相關的晶粒尺寸及相應強度從表格3b中得到。剩下的合金極限強度不論增加還是減少都是與 Mg–0.93 at. Gd合金做比較,糾正過的強度劃分在表格6中。 Fleischer和 Labusch共同認為金屬材料中的強度與固溶原子的濃度是有關系的,他們也同時認同以下等式σ0.2 σy0 ZFGε3/2Fc1/2或者σ0.2 σy0 ZLGε4/3Fc2/3。σy0是純鎂的屈服應力,G是剪切模量,εF和εL是結合原子尺寸及非常規的剪切模量得到的參數,c是固溶原子的濃度。兩個等式都表達著同一個簡單的關系σ∝ c的n次。對于現在的Mg–Gd合金存在著這個關系,來自于糾正過的極限強度和固溶原子的濃度的二分之一以及二分之三的能量,這個關系在表格6中。實驗發現屈服強度與固溶原子的濃度的二分之一或三分之二的能量成比例。這個發現與Mg–Al合金的相似,同樣也相似于Mg–Y二元合金元金。對于沒有固溶原子的純金屬,比如純鎂其實際的屈服強度被推測為19MP和27MPa平均得到純金屬的屈服強度為23MPa,另外的一個得到的結果dσ/dcn,表示各種條件下的強度比。對于三元合金 3.2、Mg–Gd–Y三元合金的固溶強化作用 作為Mg–Gd 和Mg–Y二元合金的固溶強化已經得到了很好的研究,現在試圖尋找出三元合金的固溶強化模型。Mg–Gd–Y三元合金有三種化學成分,在經過固溶處理后得到相應的平均晶粒尺寸展示在表格2中。經過固溶處理后的硬度和拉伸試驗結果分別表示在圖2和7中。應當注意到,三元合金的硬度數據是Gd、 Y元素在合金中的功能的總和,并且與公式(1)相吻合,如圖. 2。在多組分合金的情況下,一些模型已經提出確定的加強效果,由于一些合金元素的溶解。來自于物理假設和數學建模中得到的模型,這些結果有相當大的差異。主要涉及兩點1、不同的溶質原子之間的相互作用,可以導致補充硬化或軟化。2、障礙的力量,在不同類型的溶質原子在強或弱的阻礙位錯運動的結果。 對于三元合金Gd和Y原子有幾乎相同的阻礙作用(類似于加強利Mg–Gd 和Mg–Y二元合金的強化率)。假設如果Gd、Y原子在一起沒有相互作用,強化作用是由于三元合金中的多元添加合金,它可以通過Gypen and Deruyttere驗證。他的方法被發現可以試用用預測固溶合金的屈服強度,用在對鎳基合金的商業和實驗的一系列驗證上。 三元合金固溶處理后的強度極限如下σ0.2 σpure kGd1/ncGd kY1/ncYn,其中σ0.2味屈服強度,σpure是純鎂的屈服強度。如果以上方法有效,它應該可以被用來預測三元合金的固溶強化作用,根據以前的二元合金強化數據。 如圖8為計算出的強度與實驗得出的強度的對比。為了進一步驗證方程5、6的可靠性,這些數據應該還包括先前的硬度數據和經過固溶強化后的三元合金的屈服強度。經過Hv ? 10/0.51糾正后的硬度才是有價值的強度數據。硬度和屈服強度之間的關系是由對二元合金Mg-Gd做實驗后得到的。由于每個材料的加工過程不同,導致每個合金的原子尺寸不同,進而導致強度不同,它們根據等式2已經糾正過。對三個合金的研究細節列于表格2中。如圖8和表格2,得到了令人滿意的預測結果和實驗數據在誤差的范圍內從最低2.9到最大9.5。這一發現與其他單晶鎂的的固溶強化分析一致。它們之間的現象表明我們能夠成功的預測出Mg–Gd–Y三元合金的固溶強化作用。 4、討論 學術界廣泛認同,合金的固溶強化提升是由于溶質產生的應力場及位錯共同產生的彈性碰撞。Fleischer認為由原子尺寸帶來的作用δ及剪切模量η結合的相互作用的參數ε會對固溶強化的程度產生影響。已知Gd元素的原子直徑是0.178nm,大于Mg的0.16nm,超出11.25。根據公式η2G1 ? G/G1G,算出Gd的G121.8GPa,Mg的G17GPa,η0.247,與事實相符。因此根據ε η2α2δ21/2,α16,算出對于n 2/3的ε大約為1.78。Y、Gd、Zn、Al的ε和它們的相應的強化比率總結于圖表3。根據經典的固溶體模型,固溶強化比率的順序應該是Zn AlYGd。然而,實驗結果卻與之不符。尺寸與modulus misfits可以被當做控制固溶強化的參數,在鎂合金中。例如在相似的測試條件下,在表格3中表示的固溶強化率卻有著不同的順序Y Gd Zn Al.。Suzuki等其他人在550C是做蠕變實驗得出Y或Gd對固溶強化有更好的促進作用。根據實驗得出Mg-Y固溶合金的蠕變強度是Al、Mn對鎂合金作用的三倍之多。根據Miura對Mg–1.0 at. Y單晶做的抗壓測試表明加入Y產生基面滑移而產生的固溶強化要遠遠高于加入Zn。而各向異性引起的應變及各向同性則是Zn比Y多。盡管Y和Gd的高影響力的真正原因還不知道,但是相似的現象在別的體系中也出現過。對于Ni和Ni3Al金屬間化合物,Mishima等發現基于原子尺寸及modulus misfits產生的彈性碰撞不能完全解釋固溶強化是有過渡金屬元素引起的。Tegart和Levine等人認為,對于鎂合金中的Cd,In,Ag,Sn等元素,化合價的變化在鎂合金的固溶強化中起著重大的作用。因此對于固溶作用的解釋不只是考慮到原子尺寸及shear modulus misfits,也要考慮到原子間的電子態。根據典型的彈性碰撞,前面量化討論的結果用ε表示,在圖2中。后者通過Guo等人的EET分析,分析了Mg-Y和Mg-Al的價電子結構。Mg與Y的鍵能要總是強于Mg與Al的,因此,Y對固溶強化的作用要遠大于Al的。要想深入了解,理論上應該達到第一原理和分子動力學,它們可以用來解釋定量的加入稀土元素可以起到強化作用。同時Gd、Y元素在鎂合金中提升固溶強化的作用也有空位效應的幫助。 計算三元固溶強化,不同固溶原子的交互作用可以不做考慮。然而,這些相互作用卻普遍存在固溶體中。在Nb合金中,Mo和Re原子的相互作用可以提升軟化。等式6高估了實驗價值,Gd、Y原子間的交互作用可以引起補充的軟化。相反來自Gd、Zn固溶原子的交互作用引起的附加硬化提升在有Gd-Zn二聚體的Mg–1Gd–0.4Zn–0.2Zr中最近也被發現。通過考慮單一原子A或B和A-B的各自濃度,可以嘗試性的使用定量的計算法了解固溶強化。 5、 結論 本論文探索了稀土元素對鎂合金的機械性能的影響,根據Hv0.5 kg mm? ≈ 3714Gd,隨著Gd含量的增加硬度也隨之增加。在Mg–0.49 at. Gd中Hall–Petch公示表示為σ0.2 46.5 188d-1/2。對晶粒強化作用的糾正后,Mg-Gd二元合金的屈服強度成線性增長。基于Mg-Gd、Mg-Y二元合金的固溶強化的實驗結果,可以推測出Mg-Gd-Y三元合金的屈服強度σ0.2,根據公式σ0.2 σ purekGd1/ ncGd kY1/ ncYn,其中σ pure23MPa,kGd 683MPa at.?1/2或者1168 MPa at.?2/3以及kY737MPaat.?1/2或者1249 MPaat.?2/3,n 1/2 or 2/3。 與Al、Zn作用的對比,發現Gd、Y有更強的固溶強化作用。除了考慮溶劑和溶質原子的晶粒尺寸和modulus misfits,還極需要考慮空位效應對Gd、Y增強固溶強化作用的影響。 .

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