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Mg-Al合金晶粒细化、热变形行为及加工工艺的研究

2020-11-22阅读(291)

Mg-Al合金晶粒细化、热变形行为及加工工艺的研究

论文摘要

镁合金具有优良的物理和力学性能,在航空航天、汽车、电子器件等行业上的应用有广阔的前景。与压铸镁合金相比,变形镁合金具有更高的强度、延展性和多样化的力学性能,可以满足作为结构件的要求。目前,国内外变形镁合金的应用研究尚处于起步阶段,变形镁合金制品的生产成本仍然较高,变形镁合金的相关成型技术还不成熟。本文的研究集中在低成本的商用AZ31合金和新型可成形性能良好的变形镁合金的开发,通过Mg-Al系合金的晶粒细化进一步提高其可成形性能,在热变形行为的研究基础之上,对Mg-Al系合金在挤压过程中的组织进行控制,以期得到具有优良综合力学性能的镁合金管材。本文采用光学显微镜（OM）,X射线衍射仪（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）等分析手段,通过正交试验调整Mg-Al系合金中Al、Zn和Mn的元素含量,获得了一种低成本、具有较高室温延伸率的Mg-Al系变形镁合金—Mg-3Al-0.4Mn （AM30）合金;研究了Ti和Sr元素对AZ31和AM30合金显微组织和力学性能的影响规律以及Ti、Sr元素的晶粒细化机制;研究了低频电磁半连续铸造工艺参数（频率和电流）对AZ31和AM30合金显微组织和力学性能的影响规律,制备出晶粒细小（<50μm）且分布均匀的Φ100mm镁合金半连续锭坯;利用等温热压缩试验,获得了铸态低频电磁半连续铸造AZ31和AM30合金的流动应力—应变曲线,结合本构方程和动态材料模型（DMM）构建出两种合金的挤压极限图和加工图,并且研究了在变形过程中两种合金的热变形行为和显微组织演变以及动态再结晶（DRX）机制;通过实际管材的热挤压试验,验证了两种合金的挤压极限图和加工图的正确性,研究结果表明:通过对正交试验变形Mg-Al-Zn合金晶粒尺寸、冲击韧性和力学性能的研究,获得了一种低成本、具有较高室温延伸率的变形AM30合金,并且在挤压过程中细小的Al-Mn相阻止了DRX晶粒的长大,使得AM30合金对挤压温度和挤压速度均不敏感,适于进行高速挤压。对于AZ31-xTi合金,在同一冷却速度下,随着Ti含量的增加,合金的晶粒尺寸呈先减小而后增加的趋势,Ti的加入量为0.0025wt%时,其细化效果最佳,AZ31合金的晶粒尺寸由1100±120μm减小到120±10μm。Ti元素晶粒细化由生长限制因子（GRF）机制控制。对于AZ31-xSr合金,在同一冷却速度下,随着Sr含量的增加,合金的晶粒尺寸呈先减小而后增加,最后又减小的趋势,Sr的加入量为0.081wt%时,其细化效果最佳,AZ31合金的晶粒尺寸由1100±120μm减小到180±30μm。Sr元素晶粒细化由GRF

论文目录

  • 第一章 绪论
  • 1.1 变形镁合金的研究进展及其应用
  • 1.1.1 Mg-Al 基变形镁合金
  • 1.1.2 Mg-Zn 基变形镁合金
  • 1.1.3 Mg-Li 基变形镁合金
  • 1.2 镁合金晶粒细化
  • 1.2.1 Mg-Al 系合金的细化
  • 1.2.2 Zr 细化不含Al 镁合金系
  • 1.3 镁及镁合金高温塑性变形行为
  • 1.3.1 镁及镁合金的塑性变形机制
  • 1.3.2 镁合金的动态回复和动态再结晶机制的研究进展
  • 1.4 加工图的研究
  • 1.4.1 动态材料模型（Dynamic Materials Model）
  • 1.4.2 功率分配（Power partitioning）
  • 1.4.3 功率耗散图（Power dissipation maps）
  • 1.4.4 连续不稳定判据（Continuum instability criterion）
  • 1.4.5 加工图（Processing map）
  • 1.5 研究目的、内容及技术路线
  • 1.5.1 研究目的
  • 1.5.2 研究内容
  • 1.5.3 技术路线
  • 1.6 本章小结
  • 第二章 材料制备及试验方法
  • 2.1 材料的制备
  • 2.1.1 合金牌号的选取
  • 2.1.2 合金的熔炼及浇注工艺
  • 2.2 等温热压缩试验
  • 2.3 镁合金管材挤压
  • 2.4 性能测试
  • 2.4.1 力学性能测试
  • 2.4.2 冲击韧性测试
  • 2.4.3 宏观硬度测试
  • 2.5 微观分析
  • 2.5.1 显微组织分析
  • 2.5.2 相分析
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 变形Mg-Al-Zn 合金成分、组织与性能的优化
  • 3.1 引言
  • 3.2 试验结果
  • 3.2.1 宏观组织
  • 3.2.2 显微组织
  • 3.2.3 晶粒尺寸
  • 3.2.4 冲击韧性
  • 3.2.5 力学性能
  • 3.2.6 断裂分析
  • 3.2.7 挤压试验
  • 3.3 分析与讨论
  • 3.3.1 显微组织分析
  • 3.3.2 力学性能分析
  • 3.3.3 断裂行为分析
  • 3.3.4 挤压显微组织和力学性能分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 Ti, Sr对AZ31和AM30合金显微组织和力学性能的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 Ti 对AZ31 合金显微组织和力学性能的影响
  • 4.2.1 Ti 对AZ31 合金相组成的影响
  • 4.2.2 Ti 对AZ31 合金晶粒尺寸的影响
  • 4.2.3 Ti 对AZ31 合金力学性能的影响
  • 4.3 Sr 对AZ31 合金显微组织和力学性能的影响
  • 4.3.1 Sr 对AZ31 合金相组成的影响
  • 4.3.2 Sr 对AZ31 合金晶粒尺寸的影响
  • 4.3.3 Sr 对AZ31 合金力学性能的影响
  • 4.4 Ti 对AM30 合金显微组织和力学性能的影响
  • 4.4.1 Ti 对AM30 合金晶粒尺寸的影响
  • 4.4.2 Ti 对AM30 合金力学性能的影响
  • 4.5 Sr 对AM30 合金显微组织和力学性能的影响
  • 4.5.1 Sr 对AM30 合金相组成的影响
  • 4.5.2 Sr对AM30合金晶粒尺寸的影响
  • 4.5.3 Sr对AM30合金力学性能的影响
  • 4.6 分析与讨论
  • 4.6.1 Ti 的晶粒细化机制分析
  • 4.6.2 Ti 对AZ31 和AM30 合金力学性能的作用
  • 4.6.3 含SrAZ31 和AM30 合金显微组织的分析
  • 4.6.4 Sr 的晶粒细化机制分析
  • 4.6.5 Sr 对AZ31 和AM30 合金力学性能的作用
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 低频电磁半连续铸造AZ31和AM30合金的研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 低频电磁半连续铸造AZ31 合金的研究
  • 5.2.1 低频电磁半连续铸造工艺对AZ31 合金显微组织的影响
  • 5.2.2 低频电磁半连续铸造工艺对AZ31 合金晶粒尺寸的影响
  • 5.2.3 低频电磁半连续铸造工艺对AZ31 合金力学性能的影响
  • 5.3 低频电磁半连续铸造AM30 合金的研究
  • 5.3.1 低频电磁半连续铸造工艺对AM30合金显微组织的影响
  • 5.3.2 低频电磁半连续铸造工艺对AM30合金晶粒尺寸的影响
  • 5.3.3 低频电磁半连续铸造工艺对AM30合金力学性能的影响
  • 5.4 分析与讨论
  • 5.4.1 低频电磁半连续铸造工艺对显微组织和晶粒尺寸的作用机制分析
  • 5.4.2 低频电磁半连续铸造工艺对力学性能的作用
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 AZ31和AM30合金热变形行为和挤压极限图的研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 AZ31 合金的热变形行为
  • 6.2.1 流动应力—应变曲线
  • 6.2.2 指数关系和幂指数关系的温度范围确定
  • 6.2.3 峰值应力值的校正
  • 6.2.4 AZ31 合金热压缩过程中材料常数的求解
  • 6.2.5 AZ31 合金高温变形的流动应力方程
  • 6.2.6 AZ31 合金挤压极限图的构建
  • 6.3 AM30 合金的热变形行为
  • 6.3.1 流动应力—应变曲线
  • 6.3.2 指数关系和幂指数关系的温度范围确定
  • 6.3.3 峰值应力值的校正
  • 6.3.4 AM30 合金热压缩过程中材料常数的求解
  • 6.3.5 AM30 合金高温变形的流动应力方程
  • 6.3.6 AM30 合金挤压极限图的构建
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 AZ31和AM30合金加工图的构建与分析
  • 7.1 引言
  • 7.2 AZ31 合金的加工图
  • 7.2.1 AZ31 合金的流动应力—应变曲线
  • 7.2.2 AZ31 合金加工图的构建
  • 7.2.3 AZ31 合金加工图的分析
  • 7.2.4 AZ31 合金DRX 机制的分析
  • 7.2.5 AZ31 合金失稳行为和DRX 机制图
  • 7.3 AM30 合金的加工图
  • 7.3.1 AM30 合金的流动应力—应变曲线
  • 7.3.2 AM30 合金加工图的构建
  • 7.3.3 AM30 合金加工图的分析
  • 7.3.4 AM30合金DRX机制的分析
  • 7.3.5 AM30 合金失稳行为和DRX 机制图
  • 7.4 AZ31和AM30合金加工图的对比
  • 7.5 本章小结
  • 第八章 镁合金管材热挤压工艺的研究
  • 8.1 引言
  • 8.2 挤压AZ31 合金管材的研究
  • 8.2.1 AZ31 合金管材显微组织
  • 8.2.2 AZ31 合金管材力学性能
  • 8.3 挤压AM30 合金管材的研究
  • 8.3.1 AM30 合金管材显微组织
  • 8.3.2 AM30 合金管材力学性能
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 主要结论和创新点
  • 9.1 主要结论
  • 9.2 创新点
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文和专利
  • 学位论文原创性声明
  • 学位论文版权使用授权书

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