旋转磁场及稀土复合作用下镁合金组织性能变化规律的研究

论文摘要

镁合金作为一种绿色环保合金，有着高的比强度和比刚度，是21世纪最重要的轻质高强度材料之一。但镁合金自身的强度低、脆性大、耐蚀性差和高温性能差等缺点限制了其应用。随着航空、汽车、国防、电子工业的开发和进展，现有镁合金已难以满足某些特殊的要求，迫切需要开发各种新型的高性能镁合金。因此，积极探索改善镁合金的力学性能和成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。本文以目前应用最广泛的AZ91D合金为研究对象，在其凝固过程中添加稀土元素并施加旋转磁场处理，研究该复合作用下AZ91D镁合金微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的变化规律。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析和X射线衍射等手段分析了合金的微观组织，结果表明，旋转磁场和稀土的添加使得AZ91D合金的组织显著细化。在本试验条件下，当RE的含量为0．7％，励磁电压为80V，磁场作用时间为3min时，合金组织中晶粒尺寸最小，且α-Mg晶粒大小的均匀化程度显著提高。此外，在两者复合作用下，β-Mg17Al12相由大块骨骼状变为断开呈小块弥散分布，合金中有针状新相Al11RE3生成，且Al、Zn元素在晶界上的分布略有减少，在晶内分布略有增加。晶粒细化机理是在剧烈的搅拌作用下，温度场和溶质场的分布更加均匀，一方面增加了形核率，另一方面也提高了RE对晶粒生长的抑制作用。拉伸实验和硬度测试结果表明，旋转磁场和稀土的添加能显著提高AZ91D合金的硬度和抗拉强度，延伸率虽有提高，但其绝对值偏低。随着稀土含量、励磁电压和磁场作用时间的增大，合金的宏观硬度、抗拉强度、延伸率都呈现出先增大后减小的趋势。旋转磁场和RE的复合作用使得AZ91D合金的断裂机制从解理断裂变为准解理断裂。合金力学性能得到提高的原因主要是细晶强化及金属间化合物的尺寸、形状和分布方面的变化，其中细晶强化起主导作用。使用极化曲线和失重法，研究了合金在3．5％NaCl溶液中的腐蚀规律和腐蚀机理。结果表明，旋转磁场和RE复合作用对AZ91D合金的耐蚀性有一定的改善作用。腐蚀机理的研究发现，一方面，AZ91D合金中α-Mg晶粒尺寸及β-Mg17Al12相形貌与分布发生了变化，β-Mg17Al12相尺寸减小，分布越来越均匀，有利于发挥β-Mg17Al12相阻碍腐蚀的作用，使得该合金的耐蚀性增强。另一方面，RE的加入生成了Al11RE3化合物，Al11RE3化合物在腐蚀过程中作为钝化的阴极，降低微电偶的电流，使得合金的耐蚀性进一步提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.1 纯镁的物理性能及力学性能
• 1.1.2 镁合金的分类及其性能特点
• 1.1.3 镁合金的应用
• 1.2 材料电磁工艺的分类
• 1.3 磁场对金属材料作用规律的研究现状
• 1.3.1 直流磁场和交流磁场的作用
• 1.3.2 旋转磁场的作用
• 1.3.3 脉冲磁场的作用
• 1.4 Mg-Al系合金晶粒细化技术的研究现状
• 1.4.1 异质形核细化晶粒
• 1.4.2 通过钉扎作用细化晶粒
• 1.4.3 抑制晶粒生长细化晶粒
• 1.4.4 形变处理细化晶粒
• 1.4.5 半固态成形或挤压铸造细化晶粒
• 1.4.6 快速凝固粉末冶金法细化晶粒
• 1.5 本论文的研究意义、目的及内容
• 1.5.1 研究意义和目的
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验装置、材料及方法
• 2.1 实验方案及装置设计
• 2.1.1 实验技术方案设计
• 2.1.2 旋转磁场发生装置设计
• 2.2 实验材料及实验工艺
• 2.2.1 合金的配制
• 2.2.2 合金的熔炼与电磁处理
• 2.3 组织分析及性能测试
• 2.3.1 试样制备
• 2.3.2 检测方法
• 2.3.3 分析软件
• 2.4 本章小结
• 第3章 旋转磁场和混合稀土复合作用对镁合金显微组织的影响
• 3.1 Mg-Al二元合金相图分析
• 3.2 稀土含量对合金铸态组织的影响
• 3.2.1 铸态组织
• 3.2.2 合金元素的面分布
• 3.2.3 晶粒尺寸
• 3.3 励磁电压对合金铸态组织的影响
• 3.3.1 铸态组织
• 3.3.2 微区成分分析
• 3.3.3 晶粒尺寸
• 3.4 磁场作用时间对合金铸态组织的影响
• 3.4.1 铸态组织
• 3.4.2 晶粒尺寸
• 3.5 组织细化机理探讨
• 3.5.1 旋转磁场作用下金属液受力分析
• 3.5.2 旋转磁场和混合稀土的复合作用
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋转磁场和混合稀土复合作用对镁合金力学性能的影响
• 4.1 硬度
• 4.2 拉伸性能
• 4.3 断口分析
• 4.4 强韧化讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 旋转磁场和混合稀土复合作用对镁合金耐腐蚀性能的影响
• 5.1 极化曲线
• 5.2 静态浸泡试验
• 5.3 腐蚀机理
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文