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Ca、Sr对Mg-8Zn-3.2Al-0.9Si合金组织及性能的影响

2020-12-15阅读(908)

Ca、Sr对Mg-8Zn-3.2Al-0.9Si合金组织及性能的影响

论文摘要

Mg-Zn-Al系合金由于其本身具有的高强度及较好的耐热性能基础,正逐渐获得更为深入的研究,在Mg-Zn-Al合金中加入Si后,生成的Mg2Si相属于高熔点强化相,能显著提高合金的耐热性能,但是Mg2Si相往往呈粗大汉字状,容易造成应力集中,阻碍合金性能的进一步提高。本文以Mg-Zn-Al-Si合金为基础,通过加入价格低廉的碱土金属元素Ca、Sr,利用光学显微镜（OM）,X射线衍射仪（XRD）、带能谱分析（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、差热分析仪(DTA、RST5200电化学工作站、3.5%NaCl溶液中失重腐蚀、常温及高温力学性能拉伸测试等手段,研究了Ca、Sr单独添加及复合添加对合金组织和性能的影响及作用机理,为进一步开发高性能、低成本的耐热镁合金提供理论和实验依据。实验在重力铸造条件下进行,合金成分设计分别为五个含Ca成分点（0.15%、0.3%、0.45%、0.6%、1.0%）、四个含Sr成分点（0.05%、0.1%、0.15%、0.2%）、并均取前三个成分点进行复合全实验。研究表明,在Mg-8Zn-3.2Al-0.9Si（ZA83-0.9Si）合金组织主要由α-Mg基体,三元τ相（Mg32（Al, Zn）49）及Mg2Si相组成。三元τ相（Mg32（Al, Zn）49）及Mg2Si相均属耐热相。Ca, Sr单独添加及复合添加并未改变相的主要构成,当Ca含量较多（0.45%Ca以上）时,会出现集聚长大的CaSi2质点相,045Ca015Sr合金中出现少量疏松三元相。Ca、Sr单独添加及复合添加均能对合金产生一定的细化效果,合金从90-100gm细化至70μm左右,并能够在一定的合金元素添加范围保持尺寸稳定,这在一定程度上既对合金有细晶强化效果,也未导致合金晶界数量大幅度增加及晶界滑移可能性提高。三元相仍保持半连续骨骼状分布于晶界。Ca、Sr单独添加及复合添加显著改善了Mg2Si的汉字形态。加入0.3%Ca,Mg2Si基本全部变质为颗粒状,圆整度较高；变质机理为Ca与Si生产CaSi2质点,为Mg2Si相形核提供异质核心。0.05-0.15%Sr成分范围均对Mg2Si有良好的变质作用,汉字Mg2Si大部分变质为多边形颗粒状,其中以0.1%Sr效果最佳,Mg2Si颗粒保持在10μm左右,变质机理为Sr作为表面活性元素分布于Mg2Si相表面,起到机械阻碍Mg、Si原子扩散以及影响形核过冷度,增大Mg2Si相形核,变质Mg2Si相。复合添加使Ca含量降低即可对Mg2Si起到变质作用,这有利于降低Ca对合金铸造性能的不利影响,015Ca/Sr系列合金中汉字Mg2Si基本变质为多边形颗粒状。变质机理应为Ca、Sr共同起作用,Ca通过异质形核作用、Sr通过表面活性元素作用共同起到变质作用。随着Ca、Sr含量的增加,合金室温及高温拉伸抗拉强度均先增后降。室温下,03Ca、01Sr和015Ca005Sr合金的抗拉强度分别达176MPa97MPa和139MPa均保持较高水平,相对基体合金提高幅度较大。175℃时,03Ca、01Sr和015Ca005Sr合金的抗拉强度分别达141MPa、178MPa和132MPa。合金性能提高的原因与Mg2Si形态的变质有主要关系,同时Sr元素对于合金液的净化,使加Sr合金抗拉强度优于加Ca合金。对合金断口扫描表明,合金属脆性断裂。对上述三成分合金在150℃以及200℃下长时间保温（12h、24h、48h、96h）,测试合金显微硬度的变化显示：合金在高温时显微硬度有所下降,但是仍能保持较高水平,显微组织形态保持较好,即合金保持较好的稳定性。合金DTA测试结果表明：加Ca后合金液相线有所下降,加Sr以及Ca、Sr复合加入液相线下降幅度更大。这对合金的充型性能是有利的,同时也可降低合金的热裂倾向。Ca、Sr的加入降低了合金的腐蚀电流密度,同时,失重腐蚀结果也表明：含Ca、Sr的合金较基础合金腐蚀速度降低。这与Ca、Sr及Ca/Sr复合对汉字Mg2Si变质有关,汉字Mg2Si变质为颗粒Mg2Si,使得Mg2Si相与基体接触面积下降,降低了电偶腐蚀。而Sr的效果优于Ca,原因在于Sr作为表面活性元素分布于Mg2Si表面,这将减少Mg2Si与基体的接触。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 图和附表清单
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究意义
  • 1.2 耐热镁合金研究现状及存在问题
  • 1.2.1 耐热镁合金设计依据
  • 1.2.2 耐热镁合金的发展现状
  • 1.2.3 存在问题
  • 1.3 研究目标及研究内容
  • 1.3.1 研究目标
  • 1.3.2 研究内容
  • 1.4 研究技术路线
  • 第2章 实验方法及分析手段
  • 2.1 合金成分设计
  • 2.1.1 相关合金元素在镁合金中的作用
  • 2.1.2 合金的成分设计
  • 2.2 合金的制备及热处理工艺设计
  • 2.2.1 合金原料、模具及制备前准备过程
  • 2.2.2 热暴露保温工艺
  • 2.3 分析方法
  • 2.3.1 金相分析
  • 2.3.2 SEM（包括EDXS）分析
  • 2.3.3 XRD分析
  • 2.3.4 DTA分析
  • 2.4 性能测试
  • 2.4.1 室温及高温拉伸性能测试
  • 2.4.2 显微硬度测试
  • 2.4.3 腐蚀性能测试
  • 第3章 Ca、Sr对ZAS8309合金显微组织的影响
  • 3.1 ZAS8309镁合金铸态组织特征
  • 3.1.1 合金的相组成
  • 3.1.2 合金的显微组织
  • 3.2 Ca对ZAS8309镁合金铸态显微组织的影响
  • 3.2.1 含Ca合金成分设计
  • 3.2.2 Ca对ZAS8309合金相组成的影响
  • 3.2.3 Ca对ZAS8309合金显微组织的影响
  • 3.2.4 Ca的作用机理分析
  • 3.3 Sr对ZAS8309镁合金铸态显微组织的影响
  • 3.3.1 含Sr合金成分设计
  • 3.3.2 Sr对ZAS8309合金相组成的影响
  • 3.3.3 Sr对ZAS8309合金显微组织的影响
  • 3.3.4 Sr的作用机理分析
  • 3.4 Ca/Sr复合对ZAS8309镁合金铸态显微组织的影响
  • 3.4.1 Ca/Sr复合合金成分设计
  • 3.4.2 Ca/Sr复合对ZAS8309合金相组成的影响
  • 3.4.3 Ca/Sr复合对ZAS8309合金显微组织的影响
  • 3.4.4 Ca/Sr复合作用机理分析
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 Ca、Sr对ZAS8309合金性能的影响
  • 4.1 Ca、Sr对ZAS8309合金力学性能的影响
  • 4.1.1 拉伸性能结果
  • 4.1.2 性能提高原因分析
  • 4.1.3 断口形貌
  • 4.2 Ca、Sr对ZAS8309合金组织稳定性的影响
  • 4.3 Ca、Sr对ZAS8309合金铸造性能的影响
  • 4.3.1 合金的液相线温度变化
  • 4.3.2 Ca、Sr对合金充型性能的影响
  • 4.3.3 合金的热裂倾向讨论
  • 4.4 Ca、Sr对ZAS8309合金腐蚀性能的影响
  • 4.4.1 合金的极化曲线
  • 4.4.2 失重腐蚀试验
  • 4.4.3 腐蚀机理讨论
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 主要结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果

    • 相关论文文献

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