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Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材应用性能及其相关基础研究

2020-11-28阅读(191)

Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材应用性能及其相关基础研究

论文摘要

采用半连续铸锭冶金方法制备了Al-Mg-Mn、Al-Mg-Mn-Sc-Zr两种合金板材,并且还制备了Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的含Sc、Zr的配用焊丝。以Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材为研究对象,采用比较研究法并利用金相显微镜、透射电子显微镜和扫描电子显微镜探索了合金板材的应用性能及相应的微观机理。为用户全面认识Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的应用性能,提供科学的实验和理论依据。主要研究了合金板材力学性能平面各向异性、超塑拉伸特性、疲劳特性、耐蚀特性、电化学阻抗谱、焊接特性及相应的微观机理。得到了以下重要结论:（1）Al-Mg-Mn合金冷轧-退火成品板材具有{110)<112>轧制织构和{100)<001>再结晶织构组态,立方再结晶织构的出现降低了Al-Mg-Mn合金的平面各向异性。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中的弥散析出相Al3(Sc1-xZrx)粒子,抑制了冷轧后退火过程中的再结晶和立方织构{100}<001>的形成,其平面各向异性指标IPA%比Al-Mg-Mn合金大。（2）在相同超塑变形温度和初始应变速率下,Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金断裂延伸率大于Al-Mg-Mn合金的断裂延伸率。且Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金还表现出低温高速超塑特性,微量Sc和Zr的添加降低了合金的超塑形变激活能,改善了合金的超塑特性。（3）两种合金超塑形变的主要机制是由动态再结晶、位错运动、晶界扩散、液相、细丝和空洞等协调的晶界滑移和晶粒转动。微量Sc、Zr的添加导致了低流变应力,液相、细丝、空洞更趋均匀分布,有利于晶界滑移和晶粒转动。（4）微量Sc和Zr的添加大大提高了Al-Mg-Mn合金的疲劳强度和疲劳寿命。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金和Al-Mg-Mn合金在107次循环下的疲劳强度分别是150MPa和123MPa。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金和Al-Mg-Mn合金的疲劳裂纹扩展速率均随应力比R的增加而增加。（5）Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金比Al-Mg-Mn合金具有较高的疲劳寿命和疲劳强度,但Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的宏观裂纹扩展速率较高。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的扁平状晶粒组织、大量细小AlSc1-xZrx粒子、高密度的位错和晶界、位错运动的高摩擦阻力能有效地阻止微裂纹的形核和扩展,这是它具有较高的疲劳强度和疲劳寿命的主要原因。而粗晶的Al-Mg-Mn合金的粗糙度诱发和塑变区诱发裂纹闭合效应的共同作用强于Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中的细晶和Al3(Sc1-xZrx)粒子对宏观裂纹扩展的阻碍作用,所以Al-Mg-Mn合金具有较高的抗宏观裂纹扩展特性。（6）Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金剥落腐蚀敏感性比Al-Mg-Mn合金高。为获得强度、塑性和耐剥蚀性能的理想组合,需要选择合理的退火工艺,减少或消除β相在晶间的网膜分布。（7）由动电位极化曲线分析得到的极化电阻、腐蚀电流密度、腐蚀速率可以反映合金耐蚀性能的高低,其结果和剥落腐蚀浸泡试验结果一致。（8）Al-Mg-Mn-Sc-Zr和Al-Mg-Mn合金在坑蚀诱导期的奈奎斯特图由一压缩的高中频容抗弧和一低频感抗弧组成,两个容抗弧的出现标志坑蚀的开始。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金阻抗谱上感抗弧的消失和两个时间常数的出现比Al-Mg-Mn合金早些。Al-Mg-Mn-Sc-Zr和Al-Mg-Mn合金坑蚀发展期的奈奎斯特图由两个重叠的容抗弧构成,依据蚀坑结构和电化学原理设计了等效电路图,对坑蚀发展期的电化学阻抗谱进行了拟合,试验结果和拟合数据一致,表明可以采用快速无损的电化学阻抗谱技术研究合金的腐蚀程度。（9）在摩擦搅拌焊和氩弧焊条件下,12mm厚Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金热轧板焊接接头的抗拉强度、延伸率和焊接系数分别为382MPa、20.3%、96.5%和328MPa、10.7%、82.8%;2mm厚Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金冷轧-退火板焊接接头的抗拉强度、延伸率和焊接系数分别为391MPa、10.9%、92.4%和365MPa、10.2%、86.3%。可见摩擦搅拌焊能够显著提高Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材焊接接头的力学性能。（10）摩擦搅拌焊焊接接头中没有发现氩弧焊焊接接头中常见的热裂纹和气孔等焊接缺陷,摩擦搅拌焊焊核区发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶粒组织,晶粒直径大约为1-3μm,热机影响区内仍然可见大量位错亚结构和第二相粒子Al3（Sc,Zr）。而氩弧焊焊缝为凝固组织,晶粒组织粗大,热影响区内位错亚结构消失,第二相粒子Al3（Sc,Zr）密度显著降低。显微组织结构的改善是摩擦搅拌焊焊接接头力学性能提高的主要原因。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 Al-Mg合金的研究概况
  • 1.2 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的研究概况
  • 1.2.1 Al-Mg-Mn-Sc-Zr的研究进展
  • 1.2.2 微量Sc和Zr在Al-Mg-Mn合金中的存在形式及其特性
  • 1.2.3 Al-Mg-Mn合金中Sc和Zr的合理添加量的确定
  • 1.3 微量Sc和Zr对Al-Mg合金组织的影响
  • 1.4 微量Sc和Zr对Al-Mg合金应用性能的影响
  • 1.5 铝合金各向异性的研究
  • 1.6 铝合金超塑性研究
  • 1.6.1 铝合金超塑变形机理
  • 1.6.2 铝合金超塑性的研究方向
  • 1.6.3 Al-Mg合金超塑性的研究
  • 1.7 铝合金疲劳性能研究
  • 1.7.1 疲劳寿命研究
  • 1.7.2 疲劳裂纹扩展速率研究
  • 1.7.3 Al-Mg合金疲劳强度和裂纹扩展速率研究
  • 1.8 铝合金耐蚀性和电化学研究
  • 1.8.1 铝合金的腐蚀机理研究
  • 1.8.2 热处理对铝合金耐蚀性能的影响
  • 1.8.3 铝合金腐蚀的电化学阻抗谱研究
  • 1.9 铝合金焊接工艺和性能研究
  • 1.9.1 氩弧焊焊接接头组织
  • 1.9.2 Al-Mg-Sc合金氩弧焊焊接性能研究
  • 1.9.3 摩擦搅拌焊技术及原理
  • 1.9.4 摩擦搅拌焊接头力学性能和微观组织的研究
  • 1.10 本论文研究目的和内容
  • 第二章 材料制备与实验方法
  • 2.1 材料制备
  • 2.1.1 合金板材制备和应用性能研究实验方案
  • 2.1.2 焊丝制备和焊接实验研究方案
  • 2.2 实验方法
  • 2.2.1 拉伸力学性能的测试
  • 2.2.2 反极图的测绘
  • 2.2.3 热分析
  • 2.2.4 其它实验方法
  • 2.3 显微组织分析方法
  • 2.3.1 金相样品的制备和组织观察分析
  • 2.3.2 扫描电子显微镜观察
  • 2.3.3 透射电镜样品的制备与观察
  • 第三章 Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材平面各向异性
  • 3.1 平面各向异性实验材料与试验方法
  • 3.1.1 实验材料
  • 3.1.2 平面各向异性指标的计算
  • 3.1.3 反极图测定
  • 3.2 稳定化退火处理板材的平面各向异性和显微组织
  • 3.2.1 不同取向条件下合金的拉伸力学性能和各向异性指标
  • 3.2.2 两种合金板材的晶体取向-反极图
  • 3.2.3 合金的显微组织
  • 3.3 铝钪合金板材平面力学性能各向异性的起因
  • 3.3.1 煎饼状晶粒结构对合金板材力学性能各向异性的影响
  • 3.3.2 晶体学各向异性对铝钪合金板材力学性能各向异性的影响
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材超塑特性
  • 4.1 板材超塑性研究用材料及其试验方法
  • 4.1.1 板材超塑性研究用材料
  • 4.1.2 热分析
  • 4.1.3 板材超塑拉伸性能研究方法
  • 4.2 板材超塑性研究实验结果
  • 4.2.1 两种合金的延伸率和样品断裂后的形貌
  • 4.2.2 两种合金的真应力-真应变曲线
  • 4.2.3 两种合金的流变应力-应变速率曲线
  • 4.2.4 两种合金的应变速率敏感因子
  • 4.2.5 两种合金热变形过程中的激活能
  • 4.2.6 两种合金板材的显微组织
  • 4.3 研究合金板材超塑变形机理
  • 4.4 合金显微组织对超塑性能的影响
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材疲劳特性
  • 5.1 疲劳性能测试用材料和实验方法
  • 5.1.1 实验材料
  • 5.1.2 实验方法
  • 5.2 实验结果
  • 5.2.1 两种合金板材轴向疲劳寿命曲线和拟合方程
  • 5.2.2 轴向疲劳样品断口特征
  • 5.2.3 两种合金板材疲劳裂纹扩展的a-N曲线
  • 5.2.4 两种合金板材疲劳裂纹扩展速率da/dN-△K曲线和拟合方程
  • 5.2.5 两种合金板材的显微组织
  • 5.2.6 两种合金板材疲劳裂纹扩展宏观路径
  • 5.2.7 两种合金板材疲劳裂纹扩展样品断口特征
  • 5.3 分析和讨论
  • 5.3.1 微量钪和锆对Al-Mg-Mn合金板材轴向疲劳寿命的影响
  • 5.3.2 应力比对两种合金板材疲劳裂纹扩展速率的影响
  • 5.3.3 微量钪和锆对Al-Mg-Mn合金板材疲劳裂纹扩展特性的影响
  • 5.3.4 第二相粒子对疲劳裂纹扩展速率的影响
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材剥落腐蚀特性
  • 6.1 剥落腐蚀实验材料与试验方法
  • 6.1.1 实验材料
  • 6.1.2 剥落腐蚀敏感性测试
  • 6.1.3 动电位极化曲线和腐蚀电化学参数的测量
  • 6.2 试验结果
  • 6.2.1 不同稳定化退火处理板材的室温拉伸力学性能
  • 6.2.2 不同稳定化退火处理板材的剥落腐蚀及形貌
  • 6.2.3 不同稳定化退火处理板材的动电位极化曲线和电化学参数
  • 6.2.4 不同稳定化退火处理板材的显微组织
  • 6.3 分析和讨论
  • 6.3.1 Sc和Zr对不同稳定化退火处理板材的拉伸力学性能的影响
  • 6.3.2 Sc和Zr对不同稳定化退火处理板材剥落腐蚀性能的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材电化学阻抗谱
  • 7.1 电化学阻抗谱研究实验材料与试验方法
  • 7.1.1 实验材料
  • 7.1.2 电化学阻抗谱研究试验方法
  • 7.2 研究合金成品板材不同腐蚀阶段的阻抗谱特征
  • 7.3 研究合金成品板材不同腐蚀阶段阻抗谱的解析
  • 7.3.1 合金坑蚀和电化学阻抗谱的特征变化关系
  • 7.3.2 坑蚀发展期阻抗谱等效电路图的建立
  • 7.3.3 坑蚀发展期电化学阻抗谱的拟合
  • 7.3.4 坑蚀发展和电化学阻抗谱拟合参数变化的关系
  • 7.4 本章小结
  • 第八章 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材焊接接头组织与性能
  • 8.1 焊接材料和实验方法
  • 8.1.1 焊接材料
  • 8.1.2 焊接方法
  • 8.1.3 拉伸力学性能测试
  • 8.1.4 显微维氏硬度的测试
  • 8.2 焊接试验结果
  • 8.2.1 焊接板材和焊接接头
  • 8.2.2 焊接接头拉伸试样及其断裂
  • 8.2.3 焊接接头的拉伸力学性能
  • 8.2.4 焊接接头微观组织结构
  • 8.3 分析和讨论
  • 8.3.1 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金焊接接头的强化机制
  • 3（Sc,zr）粒子对焊接接头性能的影响'>8.3.2 焊接工艺和Al3（Sc,zr）粒子对焊接接头性能的影响
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果

    • 相关论文文献

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