合金元素对变形镁合金铸态组织及性能的影响

论文摘要

镁合金具有密度小,比强度和比刚度高,阻尼减震性能好,机械加工方便,特别是易于回收利用,具有环保特性;而且在自然界的资源丰富。镁的这些优点使其被誉为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。但是,镁合金的塑性变形能力较差、室温韧性低、屈服强度低,长期以来阻碍了镁合金的应用。AZ31合金是最常用的变形镁合金之一,本文以AZ31合金为基,旨在通过Cd、Sb和RE合金化和复合合金化技术,提高AZ31变形镁合金综合性能。论文采用光学金相分析（OM）,扫描电境（SEM ）、能谱分析（EDS）、X射线分析（XRD）、显微硬度、拉伸性能、冲击韧度等分析和测试手段,较系统地研究了Cd、Sb和RE合金化对AZ31合金显微组织和力学性能的影响及作用机理。研究的主要结果如下:1.微量Cd的加入可显著细化镁及AZ31合金的显微组织,随着Cd加入量的增加,细化效果逐渐明显。Cd对镁及AZ31合金组织细化的机制是:在凝固过程中固/液界面前沿富集的Cd强烈抑制α-Mg晶粒的生长;当Cd的加入量为0.7%时,其组织由富Al的α-Mg基体和均匀、弥散分布的析出相β-Mg17Al12组成,Cd固溶于基体不形成化合物相;使合金的冲击韧度提高了68.6%,布氏硬度提高了10.3%。2.锑的加入使镁及AZ31合金的显微组织得到细化,AZ31中的β-Mg17Al12相呈细小弥散状分布,同时组织中还有点、块状的Mg3Sb2生成。Mg3Sb2相与α-Mg基体具有相同的密排六方结构,满足非均匀形核的基本条件,是良好的异质形核核心,Mg3Sb2相熔点较高在整个凝固过程中优先析出,亦能起到抑制生长的作用,细化了晶粒,使β相的分布更加弥散、均匀。锑的加入使镁及AZ31合金的力学性能得到不同程度的提高,冲击韧度和硬度分别提高了58.8%和4.8%。3.混合稀土的加入改善了镁及AZ31合金的显微组织,细化了晶粒。同时, RE与合金中的Al生成Al11RE3（Al11Ce3）相且沿晶界分布。混合稀土对镁及其合金组织的细化作用表现为:一方面结晶时RE将会富集于结晶前沿,产生过冷抑制晶粒的生长。另一方面RE优先与Al形成二次相Al11RE3（Al11Ce3）阻止了晶粒长大,并且消耗了合金中的Al,影响了β-Mg17Al12相的形成,使得β相的尺寸减小。AZ31合金的硬度值随稀土含量的增加而不断提高,冲击韧度下降。4.不同组的镉、锑及混合稀土经正交设计后对AZ31合金显微组织影响各不相同。通过分析计算,得出对综合力学性能影响较好的试验条件是:A（3）B（3）C（1） （Sb含量为0.3%,Cd含量为0.7%,RE含量为0.2%）和A（3）B（3）C（2）（Sb含量为0.3%,Cd含量为0.7%,RE含量为0.3%）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 镁及镁合金概述
• 1.3 变形镁合金的研究现状
• 1.3.1 挤压
• 1.3.2 轧制
• 1.3.3 锻造
• 1.4 镁合金晶粒细化技术现状
• 1.4.1 镁合金铸态组织的晶粒细化
• 1.4.2 变形处理对镁合金的晶粒细化
• 1.5 本论文研究的意义及内容
• 1.5.1 本论文研究的意义
• 1.5.2 本论文研究的主要内容
• 第二章 镁及镁合金的合金化
• 2.1 镁的合金化原理
• 2.1.1 固溶强化
• 2.1.2 析出强化
• 2.1.3 弥散强化
• 2.2 镁合金中的相结构及影响因素
• 2.2.1 镁合金中的相结构
• 2.2.2 影响相结构的因素
• 2.3 常用镁合金的分类及性能
• 2.3.1 Mg-Al 合金系
• 2.3.2 Mg-Mn 合金系
• 2.3.3 Mg-Zn 合金系
• 2.3.4 Mg-RE 合金系
• 2.3.5 其他镁合金系
• 2.4 镁合金熔炼
• 第三章 试验方法及内容
• 3.1 合金成分设计
• 3.2 镁合金中合金元素的作用
• 3.2.1 Al 在镁合金中的作用
• 3.2.2 Zn 在镁合金中的作用
• 3.2.3 Mn 在镁合金中的作用
• 3.2.4 RE 在镁合金中的作用
• 3.2.5 Sb 在镁合金中的作用
• 3.2.6 Cd 在镁合金中的作用
• 3.2.7 Fe, Ni, Cu 等杂质元素对镁合金的影响
• 3.3 合金的制备工艺
• 3.3.1 金属型的选择及预热
• 3.3.2 涂料的配制
• 3.3.3 配料
• 3.4 合金的熔炼工艺
• 3.4.1 镁合金熔剂的作用及其性能要求
• 3.4.2 熔剂的配制工艺
• 3.4.3 熔炼前的准备工作
• 3.4.4 熔炼过程
• 3.5 微观分析
• 3.5.1 金相显微分析
• 3.5.2 XRD（X-Ray Diffraction）分析
• 3.5.3 SEM（Scanning Electron Microscope）分析
• 3.5.4 EDS（Energy Dispersive Spectrometer）分析
• 3.6 力学性能测试
• 3.6.1 拉伸性能测试
• 3.6.2 显微硬度测试
• 3.6.3 冲击韧度测试
• 第四章 对比试验结果及分析
• 4.1 镉对镁及AZ31 镁合金显微组织及力学性能的影响
• 4.1.1 镉含量对镁镉二元合金显微组织的影响
• 4.1.2 镉含量对镁镉二元合金力学性能的影响
• 4.1.3 镉含量对AZ31 镁合金显微组织的影响
• 4.1.4 镉含量对AZ31 镁合金力学性能的影响
• 4.2 锑对镁及AZ31 镁合金显微组织及力学性能的影响
• 4.2.1 锑含量对镁锑二元合金显微组织的影响
• 4.2.2 锑含量对镁锑二元合金力学性能的影响
• 4.2.3 锑含量对AZ31 镁合金显微组织的影响
• 4.2.4 锑含量对AZ31 镁合金力学性能的影响
• 4.3 混合稀土对镁及AZ31 镁合金显微组织及力学性能的影响
• 4.3.1 混合稀土含量对镁-稀土二元合金显微组织的影响
• 4.3.2 混合稀土含量对镁-稀土二元合金力学性能的影响
• 4.3.3 混合稀土含量对AZ31 镁合金显微组织的影响
• 4.3.4 混合稀土含量对AZ31 镁合金力学性能的影响
• 第五章 正交试验结果及其分析
• 5.1 正交试验设计简介
• 5.1.1 正交试验设计简介
• 5.1.2 正交表的记号及含义
• 5.1.3 正交试验设计的基本步骤
• 5.2 本试验的正交设计
• 5.2.1 试验的目标、因素及水平
• 5.2.2 试验正交表设计
• 5.3 正交设计结果分析
• 5.3.1 对各项指标数据分析
• 5.3.2 综合力学性能分析
• 5.4 合金铸态显微组织分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢