【摘 要】
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梯度结构是借鉴自然界仿生学原理,例如竹子、骨骼等,它们具有独特的显微组织结构在塑性变形过程中能有效延缓应变局域化,是目前提升强度改善塑性的最为有效手段之一。因此,本工作将表面超声滚压（ultrasonic surface rolling process,USRP）技术与传统再结晶退火工艺相结合,制备了一种多级梯度结构Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr（GZ151K）稀土镁合金,系统研究了RU处理（
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梯度结构是借鉴自然界仿生学原理,例如竹子、骨骼等,它们具有独特的显微组织结构在塑性变形过程中能有效延缓应变局域化,是目前提升强度改善塑性的最为有效手段之一。因此,本工作将表面超声滚压（ultrasonic surface rolling process,USRP）技术与传统再结晶退火工艺相结合,制备了一种多级梯度结构Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr（GZ151K）稀土镁合金,系统研究了RU处理（RU,USRP+再结晶退火）对固溶态GZ151K合金显微组织演变、力学性能、强化机制以及断裂机理的影响,并优化了再结晶退火工艺参数。然后对各状态RU处理GZ151K合金再结晶体积分数进行统计,并基于Avrami方程构建Mg-Gd-Zn-Zr合金孪晶诱导再结晶动力学模型,系统分析了梯度纳米结构形成原因。主要研究结论如下:1.GZ151K合金样品经USRP处理后在ND-RD截面上形成了纳米孪晶梯度结构;USRP样品而后经不同热力学温度下再结晶退火处理后发现:孪晶界是析出相形核以及晶粒形核的有效位点,再结晶退火过程包含孪晶促析出（Twin-assisted precipitation,TAP）以及孪晶诱导再结晶（Twin-induced recrystallization,TIR）两大机制。由于TIR明显受热力学温度影响,存在临界热力学温度（T=400℃）;当T＜400℃时,样品仅受TAP机制影响并借助孪晶梯度形成由表及里的析出相梯度结构,因此RUed 350 GZ151K合金表现出孪晶-相复合梯度结构;随热力学温度升高（T≥400℃）,孪晶梯度逐渐向析出相、晶粒尺寸梯度转变并形成晶粒（-孪晶）-相多级梯度结构。显微组织结构显示,当热力学温度为450℃时,样品发生完全再结晶且未出现明显晶粒长大现象,即再结晶退火最优热力学温度为450℃;力学性能测试显示RU处理样品显微硬度急速下降,表层显微硬度由119.2 HV下降至86.3 HV,下降幅度为27.6%;纳米压痕测试显示显微硬度的降低主要源于样品加工硬化消除以及孪晶界软化作用;而（Mg,Zn）3Gd以及（Mg,Zn）5Gd相具有高温热稳定性,对晶界迁移、回复与再结晶具有极强的阻碍作用,使得晶界以及析出相保持较高的显微硬度。2.对最优热力学温度（T=450℃）条件下孪晶梯度结构GZ151K合金进行不同时间再结晶退火处理。研究表明,在退火前期（t=5 min）,样品主要受TAP机制作用,其显微组织表现为孪晶-相复合梯度结构。当退火时间延长至15 min时,孪晶界发生新晶粒形核,表层晶粒尺寸由32.5μm细化至5μm,孪晶-相梯度结构逐渐向晶粒（-孪晶）-相多级梯度结构转变。显微硬度测试显示RUed 450-5 min GZ151K合金表现出高额的退火强化效应,即显微硬度明显高于未退火前样品。当退火时间t≥15 min时,RU处理样品受再结晶软化作用显微硬度明显降低。拉伸性能测试显示RUed 450-5 min GZ151K合金具有最高屈服强度以及抗拉强度（YS～291.3 MPa,UTS 341.4 MPa）,相比USRP样品分别提升了19.6%和6.22%;并且退火过程中部分加工硬化的消除,其FE值也由5.23%提升至8.34%。此外,RUed 450-15 min GZ151K表现出最为优异的综合力学性能（YS～234.7 MPa,UTS～321.3 MPa,FE～15.84%）。强化机制计算表明合金显微硬度的提升主要归因于析出强化、晶粒细化以及应变硬化的综合作用。3.再结晶动力学指出晶粒尺寸梯度形成主要与各深度下再结晶激活能有关。样品表层(Q50μm=44.6 KJ/mol)明显小于芯部(Q500μm=100.96 KJ/mol)区域,这是样品表层、芯部再结晶速率不同的根本原因。经理论计算模型可知,再结晶激活能满足等式Q=95.91-0.00034*exp（-ε/0.28621）。此外,热力学温度一定程度会影响再结晶激活能Q值,热力学温度的升高会增加热力学驱动力,从而明显降低了再结晶动力学能垒（Q）,促进静态再结晶发生。本文从结构设计、调控位错密度以及纳米相尺度与分布角度设计了一种新型梯度结构稀土镁合金,有望解决传统镁合金强度低、塑性以及耐磨性差的特点。该研究为高强高韧稀土镁合金制备技术提供理论与实际指导意义。
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