高性能镁合金薄板的合金设计及制备研究

论文摘要

本研究选用变形镁合金中的AZ31和ZK60合金为薄板材料的基础成分,运用合金化的方法并参考Pandat相图计算结果完成合金成分设计。选取Si、Sb合金元素,依靠两种合金元素与Mg所形成的新相,替代AZ31合金中热稳定性较低的β-Mg17Al12相,提高合金的力学性能。借助稀土Gd、Y与Mg形成高热稳定性化合物,改善ZK60合金因Zn含量的较高而引起的耐热性差、热裂倾向严重、塑性差等缺点。实验综合利用了光学显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、室温拉伸、硬度测试、塑性变形等实验手段,对改性AZ31和改性ZK60合金进行了微观组织分析及力学性能测试。改性AZ31合金的研究表明,Si能够细化AZ31合金组织,但生成的Mg2Si相极易呈现汉字状形貌,降低合金室温力学性能。而Sb的加入,可以改善Mg2Si的形貌,并且也可以细化合金组织,有助于合金室温力学性能的提高。当合金的成分为AZ31-0.5Si-1.0Sb时,合金表现出最佳的室温性能。AZ31-0.5Si-1.0Sb合金经过390℃×14h的均匀化处理,可以改善铸锭成分均匀性、消除偏析、提高合金的塑性。在变形温度达到380℃时,AZ31-0.5Si-1.0Sb合金变形较为充分,组织中出现了较多的动态再结晶晶粒,材料发生软化,塑性提高,有利于进一步变形。总变形量为73.0%时,合金的室温抗拉强度到273.5MPa,远远高于铸态性能,进行退火后,抗拉强度降低,延伸率提高。改性ZK60合金的研究表明,在ZK60合金中添加稀土元素Gd和Y,合金显微组织发生了变化,晶粒得到明显细化的同时,合金的力学性能也得到了一定的提高。当合金的成分为ZK60-1.8Gd-0.4Y时,室温抗拉强度达到221.2MPa,延伸率为7.4%,均达到最大值。经过400℃×3h+470℃×18h的均匀化处理,ZK60-1.8Gd-0.4Y合金的晶内偏析的消除、晶界的粗大相大部分溶解,合金成分均匀,塑性提高。通过对.ZK60、ZK60-1.8Gd和ZK60-1.8Gd-0.4Y三种合金在相同的温度下进行塑性变形可以看到,ZK60-1.8Gd-0.4Y变形后的组织发生了充分的再结晶,呈现出细小的等轴晶,第二相弥散分布于基体中,力学性能优于其他两种材料。变形后的ZK60-1.8Gd-0.4Y合金经过200℃×30h的人工时效,抗拉强度显著升高,达到316.4MPa,但延伸率有所下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁及镁合金
• 1.2.1 镁及镁合金的特性
• 1.2.2 镁合金的应用
• 1.3 变形镁合金
• 1.3.1 变形镁合金的分类
• 1.3.2 变形镁合金的研究现状
• 1.4 高性能镁合金的成分设计
• 1.4.1 成分设计强化机制
• 1.4.2 合金元素的作用
• 1.5 变形镁合金的塑性成形
• 1.5.1 镁合金的独立滑移系及变形特征
• 1.5.2 塑性变形机制
• 1.5.3 影响镁合金塑性变形的因素
• 1.6 变形镁合金热变形中的动态再结晶
• 1.6.1 镁合金动态再结晶的组织特点及意义
• 1.6.2 影响动态再结晶的基本因素
• 1.7 本课题目的和意义
• 1.8 本课题的主要内容
• 2 试验材料及研究方法
• 2.1 合金成分设计
• 2.1.1 Mg-Al-Zn系
• 2.1.2 Mg-Zn-Zr系
• 2.2 合金制备
• 2.2.1 原材料的准备
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 合金熔炼、浇注工艺
• 2.3 合金热处理和塑性变形
• 2.3.1 均匀化实验
• 2.3.2 塑性变形实验
• 2.3.3 后续热处理
• 2.4 力学性能测试
• 2.4.1 室温拉伸性能
• 2.4.2 硬度测试
• 2.5 微观组织分析
• 2.5.1 光学显微组织
• 2.5.2 扫描电镜观察（SEM）及能谱分析（EDS）
• 3 AZ31改性合金设计、显微组织与性能
• 3.1 Mg-Al-Zn系合金相图热力学计算
• 3.2 铸态组织与性能
• 3.2.1 Si对Mg-3Al-1Zn-0.2Mn合金的影响
• 3.2.2 Sb对Mg-3Al-1Zn-0.2Mn-0.5Si的影响
• 3.3 均匀化实验
• 3.3.1 均匀化动力学分析
• 3.3.2 均匀化工艺对合金显微组织的影响
• 3.3.3 均匀化工艺对合金铸锭硬度的影响
• 3.4 AZ31-0.5Si-1.0Sb合金薄板的制备
• 3.4.1 温度对合金变形能力的影响
• 3.4.2 合金热变形组织
• 3.4.3 板材及其退火处理组织
• 3.4.4 薄板的力学性能及断口形貌
• 3.5 小结
• 4 ZK60改性合金设计、显微组织与性能
• 4.1 Mg-Zn-Zr系合金相图热力学计算
• 4.2 铸态组织与性能
• 4.2.1 光学显微组织观察
• 4.2.2 扫描电镜观察及能谱分析结果
• 4.2.3 合金力学性能
• 4.3 均匀化实验
• 4.3.1 均匀化工艺对合金显微组织的影响
• 4.3.2 均匀化工艺对合金铸锭硬度的影响
• 4.4 合金的塑性变形
• 4.4.1 薄板制备
• 4.4.2 合金热变形显微组织及力学性能
• 4.4.3 ZK60-1.8Gd-0.4Y合金板材的人工时效（T5）研究
• 4.5 小结
• 5 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢