论文摘要
本作者以提高镁合金的强韧化和耐热性为目的,通过化学成分设计和工艺优化,用常规铸造制备出一种镁基球形准晶中间合金。以外加方式将其加入到镁合金熔体中,凝固结晶形成镁基准晶颗粒增强的镁合金。研究了镁基准晶的形成、结构演化和遗传效应对镁合金组织和性能的影响及其作用规律,探讨了镁基准晶颗粒增强镁合金的微观本质。在对Mg-Zn-Y系准晶制备研究的基础上,就Ca、Mn等对Mg-Zn-Y系准晶的形成过程和宏观硬度的影响进行了研究。结果表明:Ca、Mn的加入都会影响准晶的形成和生长形态。当Mg-Zn-Y系准晶合金中含有0.05%的Ca时,可获得球形准晶;当Mg-Zn-Y系准晶中间合金中随着锰添加量的提高,准晶的形貌由花瓣状变为球形状,并且球径逐渐变小,数量增多,当Mn含量超过2%时,球形准晶的数量逐渐减少,形态变坏。随着Ca、Mn元素加入量的提高,两种准晶中间合金的宏观硬度均下降。同时发现当加入Mn元素时还对结晶相α-Mg树枝状晶的生长有影响,随着锰含量的提高,使α-Mg树枝状晶变短,粗大的一次晶消失。常规铸造条件下可在大尺寸（φ30mm）范围内可获得镁基球形准晶中间合金。研究中发现,在Mg-Zn-Y花瓣状准晶和Mg-Zn-Y-Mn球形准晶的内部存在裂纹缺陷,这类准晶的形成温度即熔点相对较低,尽管合金组织细化和常温力学性能明显提高,但高温强度提高幅度有限。根据Nd可增强镁合金高温耐热性的作用,为了进一步提高镁合金的高温力学性能,我们又发现并在常规铸造条件下制备出一种新的Mg-Zn-Nd基球形准晶中间合金。这种新的球形准晶与Mg-Zn-Y-Mn球形准晶的最大不同之处,亦即可贵之处是在准晶内部没有裂纹,球形准晶相周围没有共生共晶相,但出现离异共晶和独立的层片状共晶相,准晶形成温度（熔点）较高,球化率和球化级别也好于Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金,这些特征均表明:把Mg-Zn-Nd基球形准晶作为耐热镁基合金的强化相,比Mg-Zn-Y-Mn球形准晶对镁合金耐热性显示出更高的增强作用、更好的工艺宽容性和更低的生产成本。论文利用准晶表面能低、热力学稳定的特点,以外加方式将自制的镁基准晶中间合金加入镁基合金熔体中,在常规铸造条件下凝固成形,获得一种准晶颗粒弥散均匀分布的由多相复合组成的镁基合金。由于准晶颗粒作用的结果,使铸态组织明显细化,其常温强韧度大幅度提高。研究发现:就准晶对镁合金的增强效果而言,Mg-Zn-Y-Mn球形准晶的强化效果大于Mg-Zn-Y花瓣状准晶,尤其韧度的提高效果更为明显。在AZ91合金中加入Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金后,在室温下该合金具有更高的抗拉强度和屈服强度,分别比加准晶前的AZ91合金提高38%和34%,伸长率提高了40%,冲击韧度提高60%以上,耐热性也有较大幅度的提高。在ZA85镁合金和高锌镁合金中加入Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金后,也同样具有很好的细化和强化效果。本文经过对准晶和出准晶增强的镁合金的制备研究,以及准晶结构演化规律研究,探明球形准晶在镁合金结晶凝固过程中的遗传效应与细化变质作用行为。研究表明:弥散均匀分布于α-Mg相中和晶界β-Mg17Al12相内部或附近的准晶颗粒可起到强化基体与晶界、降低镁合金基体中元素的扩散速率、阻碍位错运动和阻止晶界滑动的作用,使晶界β-Mg17Al12相断网和趋于球化,改变时效析出方式,从而有效提高镁合金的常温强韧性和高温耐热抗蠕变性。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 准晶的发现1.2 准晶的分类1.2.1 从热力学的角度分类1.2.2 从结构的角度分类1.2.3 稳定的二十面体准晶1.3 准晶结构的描述1.4 准晶结构理论的新进展1.5 镁系准晶1.6 准晶的应用研究现状1.7 本文研究的目的和意义1.8 本研究对国民经济发展的意义参考文献第二章 试验方法及分析手段2.1 合金制备工艺及过程2.1.1 实验设备、原料及其它2.1.2 熔炼及浇注过程2.1.3 热处理工艺的确定及过程2.2 分析测试方法2.2.1 金相组织观察2.2.2 X射线衍射分析2.2.3 扫描电子显微镜分析2.2.4 透射电子显微镜分析2.3 力学性能测试2.3.1 宏观硬度测试2.3.2 显微硬度测试2.3.3 常、高温拉伸实验2.3.4 冲击韧度实验2.4 技术路线第三章 Mg-Zn-Y准晶中间合金的研究3.1 引言3.2 合金的制备3.2.1 实验用原材料3.2.2 合金成分3.2.3 实验方法3.3 实验结果分析3.3.1 Mg-Zn-Y准晶中间合金的组织形貌3.3.2 合金成分对Mg-Zn-Y准晶中间合金的影响3.3.2.1 成分对Mg-Zn-Y准晶形貌的影响3.3.2.2 成分对Mg-Zn-Y准晶数量的影响3.3.2.3 成分对Mg-Zn-Y准晶中间合金硬度的影响3.3.3 冷却速度对Mg-Zn-Y准晶中间合金的影响3.3.4 Mg-Zn-Y准晶合金的组织分析3.3.4.1 Mg-Zn-Y准晶合金的XRD分析3.3.4.2 Mg-Zn-Y准晶合金的SEM观测及能谱分析3.3.4.3 Mg-Zn-Y准晶合金的TEM分析3.3.5 Mg-Zn-Y准晶的形成机制3.4 本章小结参考文献第四章 Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金的研究4.1 引言4.2 中间合金的制备4.2.1 实验用原材料及熔剂4.2.2 合金成分4.2.3 实验方法4.3 实验结果分析4.3.1 Mn对Mg-Zn-Y合金结晶凝固过程的影响4.3.2 Mn对Mg-Zn-Y合金硬度的影响4.3.2.1 Mn对Mg-Zn-Y合金宏观硬度的影响4.3.2.2 Mn对Mg-Zn-Y合金微观硬度的影响4.4 Mn对球形准晶相形成机制分析4.4.1 Mn对球形准晶相形核过程的影响4.4.2 Mn对球形准晶相长大过程的影响4.4.3 形成球形准晶的理论判据4.5 本章小结参考文献第五章 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金的研究5.1 引言5.2 中间合金的制备5.2.1 实验原材料及熔剂5.2.2 Mg-18%Ca中间合金的制备5.2.3 合金成分5.2.4 实验方法5.3 实验结果与讨论5.3.1 微量 Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合金结晶过程的影响5.3.2 Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合金宏观硬度的影响5.3.3 Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合金结晶生长过程的影响机制分析5.4 本章小结参考文献第六章 Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的研究6.1 引言6.2 中间合金的制备6.2.1 实验用原材料及熔剂6.2.2 合金成分6.2.3 实验方法6.3 实验结果分析6.3.1 Mg-Zn-Nd准晶中间合金的组织形貌6.3.2 Nd对球形准晶形成的影响6.4 Mg-Zn-Nd准晶中间合金中球形准晶的形成过程6.4.1 Nd对球形准晶形成的影响6.4.2 Mg-Zn-Nd准晶中间合金中球形准晶的长大过程6.4.3 球形准晶相形成的理论依据6.5 工艺条件与球形准晶生长形态的关系6.6 本章小结参考文献第七章 镁基准晶中间合金对AZ91合金组织及性能的影响7.1 引言7.2 Mg-Zn-Y准晶中间合金对AZ91合金组织与性能的影响7.2.1 Mg-Zn-Y准晶中间合金对AZ91合金组织的影响7.2.2 Mg-Zn-Y准晶中间合金对AZ91合金力学性能的影响7.3 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合金组织与性能的影响7.3.1 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合金组织的影响7.3.2 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合金力学性能的影响7.4 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合金组织与性能的影响7.4.1 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合金组织的影响7.4.2 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合金力学性能的影响7.4.3 MZY和MZYM准晶中间合金对AZ91合金性能影响的对比分析7.4.4 MZYM准晶中间合金对AZ91合金的强韧化机制分析7.5 热处理对AZ91-MZYX（X=0，Ca，Mn）组织与性能的影响7.5.1 热处理对AZ91-MZYX（X=0，Ca，Mn）组织的影响7.5.2 热处理对AZ91-MZYX（X=0，Ca，Mn）拉伸力学性能的影响7.6 本章小结参考文献第八章 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对ZA85组织和性能的影响8.1 引言8.2 实验方法8.3 结果与讨论8.3.1 MZYM准晶中间合金对ZA85组织的影响8.3.2 MZYM准晶中间合金对ZA85力学性能的影响8.4 本章小结参考文献第九章 Mg-Zn-Y-Mn准晶对高锌镁合金组织和性能的影响9.1 引言9.2 试验方法9.3 试验结果与分析9.3.1 MZYM准晶中间合金对高锌镁合金组织的影响9.3.2 MZYM对高锌镁合金常温力学性能的影响9.3.3 高锌镁合金的断口特征9.3.4 MZYM对高锌镁合金高温力学性能的影响9.4 本章小结参考文献第十章 结论致谢攻读博士学位期间发表的论文及发明专利目录
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