铝镁系合金强韧性能及焊接性能研究

论文摘要

镁合金作为21世纪最具生命力的新型环保结构材料,它的开发和应用对于实现人类可持续发展具有重要而深远的意义。但是,镁合金的合金系统还较少,现有镁合金的力学性能还远远不能满足人们的需求。本论文在现有镁合金系统的基础上,添加稀土元素,研究和开发了两种新型高强高韧镁合金材料,并对广泛应用的AZ31B镁合金的焊接冶金性能和焊接接头力学性能进行了深入研究。在AZ31镁合金系统的基础上,加入微量合金元素钇Y,研究了钇Y对AZ31合金的微观组织、室温力学性能和断裂机制的影响。AZ31镁合金中加入钇Y后,形成块状Al2Y化合物,该合金组织由α-Mg固溶体+Mg17Al12+Al2Y相组成。钇Y的加入使Mg-3Al-Zn合金系统韧性提高,铸造状态下的抗拉强度达到212 MPa,延伸率达到7%以上,拉伸断口出现撕裂棱和韧窝,使该合金系统的断裂机制由解理断裂转变为准解理断裂。分析了稀土元素镧La对AZ91镁合金的改性作用及其作用机理。稀土元素镧La的添加,可以有效地细化晶粒,使Mg17Al12相由原先连续、粗大的网状转变为细小的、致密的不连续状。当镧La的添加量在0.2%左右、精炼温度为993K的条件下,能得到理想的合金性能、最少的合金损耗。与国家标准AZ91镁合金材料比较,由于稀土元素镧La的添加,合金试样的硬度、冲击吸收功提高1倍以上,抗拉强度提高73%,延伸率提高了7倍。探究了AZ31镁合金材料TIG自熔焊、填丝TIG焊和MIG焊的焊接冶金性能。分析了三种焊接方法焊接裂纹产生原因及裂纹特征,AZ31B镁合金焊接热裂纹在接近焊缝中心处产生,裂纹向熔合区方向扩展,扩展速度很快并且过程中存在多次分叉裂纹,裂纹及其分叉都是沿晶扩展。研究了AZ31镁合金及其焊接接头的基本力学性能。试验所用轧制态AZ31镁合金板材静载抗拉强度为285.2 MPa,经过TIG焊接热循环的作用后,焊接接头的静载抗拉强度下降,比母材抗拉强度降低10%左右。横向非承载十字接头试件的抗拉强度为255.9 MPa,纵向非承载十字接头试件的抗拉强度为258.0 MPa。焊接接头显微硬度测试结果显示,焊缝区的显微硬度值较高,热影响区显微硬度最低。测试了AZ31镁合金板材在-80340℃温度范围内的冲击韧性随温度变化的规律。结果表明:AZ31镁合金母材在-80260℃温度范围内存在韧脆转变现象,以能量标准和延性标准测得的韧脆转变温度约为140℃。AZ31镁合金的冲击性能对缺口很敏感,试样从无缺口到有缺口,即使仅有很小的缺口,冲击韧性也突然下降,未开缺口的冲击试样的冲击韧性akv为50 J·cm-2以上,而缺口深度D = 0.1 mm的缺口试样,冲击韧性akv仅为15.95 J·cm-2。示波冲击试验结果显示AZ31镁合金母材和焊接接头的断裂过程极不相同。对AZ31镁合金板材及其TIG焊对接接头、纵向角接接头、非承载十字接头等三种接头的疲劳性能进行了测试。试验结果表明:在2×106的循环次数下,AZ31镁合金母材的疲劳强度为57.81 MPa,对接接头的疲劳强度为24.60MPa,纵向角接接头的疲劳强度为20.14 MPa,横向非承载十字接头的疲劳强度为17.25 MPa,镁合金焊接接头的疲劳性能远低于母材。扫描电镜观察疲劳断口发现,AZ31镁合金焊接接头断口中没有连续、清晰的疲劳辉纹,大部分区域都是由细小密集的解理台阶、扇形花样断口、河流状花样断口组成,在断口的很多地方都可以看到大小不一的二次裂纹。提出了采用超声冲击方法改善AZ31镁合金焊接接头的疲劳强度的措施。试验结果表明:焊接接头焊趾经过超声冲击后,纵向非承载十字接头的疲劳强度比焊态试样提高了54.5%,达到母材疲劳强度的84.2%;横向非承载十字接头的疲劳强度比焊态试样提高了43.6%,达到母材疲劳强度的68.6%。在一定应力范围的疲劳寿命延长到原来的3倍。研究了AZ31镁合金及其焊接接头在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀行为。电化学腐蚀结果显示,母材的自腐蚀电位Ecorr= -1.425 V,自腐蚀电流Icorr=1.093×10-2 A,年腐蚀率Ψ=139.8 mm/year,说明AZ31镁合金在Cl-溶液中极不耐蚀。焊接接头形成过程中存在的一些缺陷,加剧了AZ31镁合金焊接接头的腐蚀,焊缝金属的耐腐蚀性小于母材。采用化学镀的方法在镁合金表面获得金属涂镀层,采用XRD、SEM和TEM研究了镀层的成分和组织结构。镀层组织为非晶+少量微晶组织。耐腐蚀性能良好,原始镀层的最小腐蚀电流I corr为4.52μA/cm2,取对数约为0.66,此时的腐蚀电位Ecorr为-250mV。镀层耐腐蚀性能良好,连续盐雾八小时未出现腐蚀斑点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 镁合金材料的研究和发展
• 1.2.1 镁合金的研究状况
• 1.2.2 镁的塑性变形机理
• 1.2.3 镁的强化机制
• 1.3 镁合金材料的焊接性
• 1.3.1 镁合金焊接性的影响因素
• 1.3.2 镁合金焊接方法概述
• 1.3.3 镁合金焊接主要问题
• 1.4 镁合金及其焊接接头的断裂行为问题
• 1.4.1 镁合金特性对其焊接接头断裂性能的影响
• 1.4.2 焊接工艺性能对镁合金焊接接头断裂性能的影响
• 1.4.3 镁合金及其焊接接头断裂性能研究现状
• 1.5 镁合金抗腐蚀性能
• 1.6 本论文主要研究内容及技术路线
• 1.6.1 本论文主要研究内容
• 1.6.2 本论文的技术路线
• 参考文献
• 第二章 AZ31-Y 镁合金材料的制备和组织性能
• 2.1 引言
• 2.2 镁合金的成分设计和制备
• 2.2.1 实验的工艺路线
• 2.2.2 镁合金的成分设计
• 2.2.3 合金的制备
• 2.3 试样制备及检测方法
• 2.3.1 硬度测试
• 2.3.2 拉伸性能测试
• 2.3.3 合金成分分析
• 2.3.4 金相显微组织分析
• 2.3.5 微区成分的扫描电镜分析
• 2.3.6 断口形貌分析
• 2.3.7 相组成分析
• 2.4 试验结果与分析
• 2.4.1 微观组织
• 2.4.2 力学性能
• 2.4.3 断口形貌
• 2.5 本章结论
• 参考文献
• 第三章 AZ91-La 镁合金材料的制备和组织性能
• 3.1 引言
• 3.2 稀土元素在镁合金材料中的作用
• 3.3 试验方法
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1 La 含量对AZ91 镁合金组织的影响
• 3.4.2 La 含量对AZ91 镁合金力学性能的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 镁合金焊接冶金性能及接头力学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 AZ31B 镁合金TIG 焊焊接性分析
• 4.2.1 试验方法及设备
• 4.2.2 自熔焊焊接接头的组织
• 4.2.3 填丝TIG 焊焊接接头的组织
• 4.3 AZ31B 镁合金焊接裂纹分析
• 4.3.1 母材与焊缝金属的组织结构
• 4.3.2 焊接热裂纹分析
• 4.3.3 斜Y 型坡口焊接裂纹试验
• 4.4 镁合金焊接接头一般力学性能分析
• 4.4.1 试验方法及设备
• 4.4.2 AZ31B 镁合金焊接接头的静载拉伸试验
• 4.4.3 AZ31B 镁合金焊接接头的组织与硬度
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 镁合金焊接接头冲击性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 温度对AZ31 镁合金板材冲击韧性的影响
• 5.2.1 试验方法
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 冲击断口形貌观察
• 5.2.4 分析讨论
• 5.3 表面状态对AZ31 镁合金板材冲击韧性的影响
• 5.3.1 试验方法
• 5.3.2 试验结果及分析
• 5.3.3 缺口应力集中系数对冲击韧性的影响
• 5.3.4 冲击试样断裂形式
• 5.4 AZ31 镁合金焊接接头冲击韧性研究
• 5.4.1 试验方法
• 5.4.2 试验结果及分析
• 5.4.3 冲击断口形貌观察
• 5.5 AZ31 镁合金及其焊接接头示波冲击性能研究
• 5.5.1 示波冲击试验
• 5.5.2 试验结果及分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 镁合金焊接接头疲劳性能研究
• 6.1 前言
• 6.2 疲劳试验及结果
• 6.3 疲劳试验数据的分析方法
• 6.3.1 最小二乘法拟合
• 6.3.2 疲劳试验数据的统计方法
• 6.4 试验结果分析与讨论
• 6.4.1 S-N 曲线
• 6.4.2 试验结果分析
• 6.4.3 疲劳断口分析
• 6.5 AZ31 镁合金与其它金属材料焊接接头疲劳性能比较
• 6.5.1 疲劳强度的对比
• 6.5.2 疲劳级别FAT 的对比
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 镁合金焊接接头疲劳性能改善方法研究
• 7.1 引言
• 7.2 超声冲击处理试验
• 7.2.1 超声冲击方法原理
• 7.2.2 超声冲击处理设备
• 7.3 超声冲击态试件疲劳试验结果及分析
• 7.4 冲击态焊接接头微观组织与断口分析
• 7.4.1 冲击态焊接接头微观组织分析
• 7.4.2 冲击态焊接接头疲劳断口分析
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 镁合金电化学腐蚀性能及表面防护研究
• 8.1 引言
• 8.2 电化学腐蚀试验方法与试验设备
• 8.2.1 镁合金焊接接头腐蚀试件的制备
• 8.2.2 电化学腐蚀试验设备
• 8.2.3 电化学腐蚀试验过程
• 8.3 试验结果及分析
• 8.3.1 镁合金的腐蚀反应
• 8.3.2 极化曲线的测定
• 8.4 镁合金的表面防护
• 8.4.1 试验方法及设备
• 8.4.2 镁合金表面金属涂镀层的组织结构
• 8.4.3 镁合金表面金属涂镀层的性能
• 8.5 本章小结
• 参考文献
• 第九章 结论
• 致谢
• 博士期间发表的学术论文和参加科研情况
• 博士学位论文独创性说明