Mg-Sn-Mn合金相图计算与优化

论文摘要

本文选定研究Mg-Sn-Mn合金体系,期待通过在镁合金中添加Sn和Mn两种元素提高镁合金的力学性能和耐腐蚀性。为了更好的改进镁合金的性能、优化合金成分和热处理工艺,本文从相平衡关系及热力学数据库角度使用Thermo-Calc软件对Mg-Sn-Mn三元体系相图进行研究,掌握相图和相关热力学信息,并对Mg-Sn-Mn合金性能进行表征。本文利用相图计算技术（CALPHAD）,系统地收集、整理和评估现有的Mg-Mn、Mg-Sn、Mn-Sn热力学和相图数据,其中液相和端际相采用替代溶液模型,所有化合物均为化学计量比,计算所得Mg-Mn二元相图含有六个相区,分别为Liquid、Liquid+δMn、Liquid+γMn、Liquid+βMn、Liquid+αMn和Mg+αMn; Mg-Sn二元相图含有七个相区,分别为Liquid、Liquid+Mg2Sn、Mg2Sn+βSn、Liquid+βSn、Mg+Mg2Sn、Liquid+Mg和Mg; Mn-Sn二元相图含有十七个相区,分别为Liquid、MnSn2+Mn2Sn、Liquid+MnSn2、Liquid+Mn2Sn、Mn19Sn6+Mn2Sn、βMn+Mn19Sn、βMn+Liquid、δMn+βMn、βMn+γMn、γMn+δMn、δMn+Liquid、Liquid+Mn19Sn6、αMn+βMn、δMn、γMn、βMn、和aMn,相平衡、相区、热力学数据均与实验数据相吻合。结合Mg-Mn、Mg-Sn、Mn-Sn二元系热力学数据,运用热力学计算方法合理外推计算了Mg-Sn-Mn三元系部分等温截面相图。以实验为基础,优化了Mg-Sn-Mn三元体系富镁角的673K、773K等温截面相图,对该体系合金在673K、773K平衡条件下的热力学性质进行了研究。得出在富镁角区域有四个相区,一个单相区Mg,两个两相区Mg+Mn、Mg+Mg2Sn一个三相区Mg+Mn+Mg2Sn。优化后Mg-Sn-Mn三元系富镁角673K等温截面相图中Mg中Sn原子分数为0-0.72%,Mn原子分数为0-0.17%；优化后Mg-Sn-Mn三元系富镁角773K等温截面相图中Mg中Sn原子分数为0-2.7%,Mn原子分数为0-0.32%；虽然Sn和Mn元素都可以起到细化Mg-Sn-Mn合金晶粒的作用,但是Sn元素的细化效果更为明显。当Sn元素增加到一定含量,在晶界及二次枝晶处析出Mg2Sn,这与相图计算结果相符。Sn元素的加入使合金硬度显著增加,有效改善其力学性能；Mn元素对合金硬度的影响与合金的相组成有关,当合金中相组成为单相Mg时,合金硬度随Mn含量的增加而升高,当合金相组成为两相Mg+Mn时,合金硬度随着Mn含量的增加而降低,所以合金硬度随Mn含量增加而先增后减,Mn含量为0.5%时合金硬度达到最大值。随着合金中Mn和Sn含量的增加,铸态、673K平衡处理、773K平衡处理后的Mg-Sn-Mn镁合金耐蚀性能变好,但Mn元素的影响比Sn元素的影响大,Mn在合金中的析出可以有效提高合金的耐蚀性,达到最初设计合金体系时的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.1 镁的基本性质
• 1.1.2 镁合金的特性及应用
• 1.1.3 合金元素对镁合金组织和性能的影响
• 1.1.4 生物医用镁合金研究进展
• 1.2 相图热力学计算基础
• 1.2.1 相图计算原理及过程
• 1.2.2 相图热力学模型
• 1.2.3 Thermo-Calc热力学软件
• 1.3 镁合金相图发展概况
• 1.4 本文研究目的及主要内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 Mg-Sn-Mn合金成分设计
• 2.2.2 Mg-Sn-Mn合金的制备
• 2.2.3 热处理工艺
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 金相分析
• 2.3.2 物相分析
• 2.3.3 微区成分分析
• 2.3.4 硬度测试
• 2.3.5 电化学测试
• 2.3.6 相图计算方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 Mg-Mn、Mg-Sn和Mn-Sn二元体系相图计算
• 3.1 描述Mg-Mn体系中各相的热力学模型
• 3.1.1 参考态和纯组元的Gibbs自由能
• 3.1.2 固溶体相的热力学模型
• 3.2 描述Mg-Sn体系中各相的热力学模型
• 3.2.1 参考态和纯组元的Gibbs自由能
• 3.2.2 固溶体相的热力学模型
• 3.2.3 金属间化合物相
• 3.3 描述Mn-Sn体系中各相的热力学模型
• 3.3.1 参考态和纯组元的吉布斯自由能
• 3.3.2 固溶体相的热力学模型
• 3.3.3 金属间化合物相
• 3.4 相图计算结果与分析
• 3.4.1 Mg-Mn二元合金相图
• 3.4.2 Mg-Sn二元合金相图
• 3.4.3 Mn-Sn二元合金相图
• 3.5 小结
• 第4章 三元Mg-Sn-Mn系合金富镁角的相图计算
• 4.1 Mg-Sn-Mn系富镁角相图的合理外推
• 4.1.1 Mg-Sn-Mn系富镁角的各相热力学模型
• 4.1.2 Mg-Sn-Mn系富镁角的外推结果
• 4.2 相组成表征研究
• 4.2.1 物相组成
• 4.2.2 微区成分分析
• 4.3 Mg-Sn-Mn系富镁角相图优化
• 4.3.1 673K等温截面数据
• 4.3.2 773K等温截面数据
• 4.3.3 Mg-Sn-Mn系富镁区相图的优化结果
• 4.4 Mg-Sn-Mn系合金实验相图应用
• 4.4.1 金相分析
• 4.4.2 显微硬度测试
• 4.4.3 电化学极化曲线
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 附录E
• 附录F
• 附录G
• 附录H
• 附录I
• 附录J