超声处理及Gd对AZ31合金组织和性能的影响

论文摘要

本课题的研究目的是通过超声场作用及合金化的手段来提高AZ31镁合金的性能。全文较系统地研究了合金的熔炼、铸态组织和性能、挤压工艺以及挤压态合金的组织和性能。并通过正交实验的方法探讨了超声处理工艺及合金元素Gd含量的最佳熔炼方案。研究了超声处理对AZ31镁合金铸态组织和性能的影响,并分析了其作用机理,结果表明：超声处理能有效的细化AZ31镁合金的晶粒,使得其a-Mg枝晶更加等轴细小,同时抑制其β-Mg17Al12在晶界的连续网状分布,促使其弥散均匀分布,并通过细晶强化及弥散强化机制提高合金的综合力学性能；超声处理主要是通过声空化效应及声流效应来促进晶粒的细化和第二相的弥散均匀分布。其中声空化效应在提高形核率方面起主导作用；而声流效应通过加速熔体的流动,并对其进行搅拌,促进传热和传质来改善合金的组织形貌。稀土元素Gd在AZ31镁合金中与Al元素生成Al2Gd新相,减少了β-Mg17Al12相的析出,促使B相分布更加均匀弥散,对合金产生弥散强化效果。随着Gd含量的增加,合金的晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势,未加Gd时的AZ31晶粒尺寸约为270μm,添加Gd量为1%时晶粒最为细小,其尺寸约为165μm,产生的细晶强化效果最显著。获得了最佳超声波处理的工艺。正交实验结果表明：在超声场及Gd元素复合作用下,最佳熔炼工艺是：超声处理温度为690℃,超声处理时间为120s,Gd含量为1%。在此工艺条件下,铸态AZ31镁合金的晶粒最细小、形状较为规则圆整,其各项力学性能指标最高。与单纯地施加超声场或添加合金元素Gd所得结果相比,合金的晶粒细化效果显著,晶粒尺寸从180μm减小到约60μm。超声处理与Gd复合作用对AZ31镁合金挤压态的室温力学性能提高最为明显。在第二相强化和细晶强化的共同作用下,合金挤压态的力学性能得到显著提高,与未经处理的AZ31镁合金相比,通过施加超声处理或者添加稀土元素Gd都能提高合金挤压态的显微硬度、屈服强度及抗拉强度。经两者复合作用后,合金的显微硬度、屈服强度和抗拉强度分别从53HV、164MPa、270MPa提高到59HV、195MPa、295MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.1 镁及镁合金基本性能
• 1.1.2 镁合金的应用与发展
• 1.2 镁的合金化特点
• 1.2.1 镁的合金化原理
• 1.2.2 各合金元素在镁中的作用
• 1.2.3 稀土元素在镁合金中的作用
• 1.3 超声波在金属熔体中的作用
• 1.3.1 超声波在材料凝固中的应用
• 1.3.2 超声波在金属熔体中传播的效应
• 1.3.3 超声波处理工艺及设备
• 1.4 镁合金晶粒细化的意义
• 1.5 镁合金加工技术概况
• 1.5.1 镁合金塑性变形特点
• 1.5.2 镁合金塑性成形技术
• 1.6 本文的研究内容与研究意义
• 第二章 实验材料与实验过程
• 2.1 镁合金熔炼
• 2.2 超声波作用于镁合金熔体的熔炼过程
• 2.3 基于正交实验设计方案的熔炼工艺设计
• 2.4 挤压实验
• 2.4.1 挤压设备
• 2.4.2 实验材料
• 2.4.3 挤压工艺
• 2.5 组织观察
• 2.6 硬度测试
• 2.7 拉伸力学性能测试
• 第三章 超声处理对铸态AZ31组织和性能的影响
• 3.1 熔炼所得合金及其成分测定
• 3.2 超声处理对AZ31组织的影响
• 3.2.1 Mg-Al二元合金相图分析
• 3.2.2 AZ31镁合金铸态组织
• 3.3 超声处理工艺对AZ31合金晶粒的影响
• 3.4 超声处理对AZ31合金力学性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 Gd含量对铸态AZ31组织和性能的影响
• 4.1 熔炼所得各合金成分测定
• 4.2 Gd含量对合金铸态组织的影响
• 4.3 Gd含量对合金晶粒大小的影响
• 4.4 Gd含量对合金力学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 超声场与Gd复合作用对AZ31组织和性能的影响
• 5.1 各工艺条件下组织分析
• 5.2 各工艺条件下力学性能分析
• 5.3 最优工艺时间的确定
• 5.3.1 超声处理时间对合金组织的影响
• 5.3.2 超声处理时间对合金力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 AZ31-xGd镁合金的挤压态组织和性能
• 6.1 挤压棒坯与挤压棒材
• 6.2 AZ31-xGd镁合金挤压态的组织
• 6.2.1 合金的挤压态组织
• 6.2.2 挤压态合金的SEM分析
• 6.2.3 合金挤压组织细化机理分析
• 6.3 AZ31-xGd镁合金挤压态的室温力学性能
• 6.3.1 合金挤压态的室温拉伸性能
• 6.3.2 挤压态合金的室温强化机理分析
• 6.3.3 挤压态合金室温拉伸断裂
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢