固相再生AZ91D镁合金组织结构及性能研究

论文摘要

每合金是迄今在工程应用中最轻的金属工程结构材料,被誉为“21世纪最具发展前途的绿色金属材料”。镁合金作为结构材料应用受到限制的最主要因素是成本仍然很高,造成成本高的原因是镁合金废料回收率低,回收费用高,且利用传统再次熔炼的方法产生大量的烧损和废渣,重熔过程中须加覆盖剂和精炼剂。本文以固相再生的方法再生AZ91D镁合金屑和边角料,在固相再生过程中,镁屑或边角料经塑性变形直接成形,具体工艺为先冷压或热压,再热挤出成形,是一项新的再生镁合金技术。由于晶粒细化和氧化相的均匀分布,再生的镁合金具有较好的力学性能。研究了AZ91D镁合金屑固相再生的最佳工艺,分析了固相再生过程中AZ91D镁合金屑变形的基本特征。AZ91D镁合金屑在冷压成坯过程中,压力为300310MPa,坯料密度可达到1.49g/cm3以上,形成少量新的结合面。采用屑粒尺寸（46）mm×（3.54.5）mm×（1.451.55）mm、挤压温度为400℃和挤压比25:1再生试样有较好的综合力学性能,与铸态热挤出试样的力学性能相当。再生试样随挤压比的增大,抗拉强度和延伸率同时增大,挤压比达到25:1以上时,延伸率又随挤压比的增大而减小。研究了再生试样中氧化相含量与AZ91D镁合金屑的表面积之间关系,指出了氧化相含量与屑的表面积成直线关系,适量的氧化相使再生试样有较高的抗拉强度和较好的延伸率,适量的氧化相在试样中可以作为一种强化相;过多的氧化相反过来影响镁合金的延伸率,过多的氧化相在拉伸过程中易产生微孔,降低了试样的延伸率。研究了AZ91D镁合金边角料固相再生的最佳工艺,给出了AZ91D镁合金边角料蚀洗工艺。采用间接挤压工艺时,挤压温度为450℃时,晶粒尺寸均匀,块与块之间结合较好,抗拉强度和延伸率分别达到350.24MPa和11.82%。挤压比达到25:1以上时,晶粒不仅变得细小,而且没有出现未打碎的结合面;随挤压比的增大,试样抗拉强度增大,挤压比40:1时,抗拉强度达到378.05MPa。采用直接热挤出研究表明,与相同条件下间接挤压相比,试样的抗拉强度和延伸率均降低。研究了AZ91D镁合金边角料固相再生试样中结合面与抗拉强度之间关系。当结合面呈连续分布成曲线时,结合面厚度0 < w≤7μm时,AZ91D镁合金抗拉强度的预测公式为σw = - 40 w/3 + 345 + 40/3;结合面厚度7μm < w <11μm时,AZ91D镁合金抗拉强度的预测公式为σw = -30 w+ 475。当结合面呈不连续分布成曲线时,曲线上打碎段的长度所占测量曲线长度的比例0.1≤l≤0.7时,AZ91D镁合金抗拉强度的预测公式为σl = 150l + 245;曲线上打碎段的长度所占测量曲线长度的比例0.7 < l< 0.9时,AZ91D镁合金抗拉强度的预测公式为σl = 75l + 297.5。研究了固溶时效处理对再生AZ91D镁合金组织和力学性能的影响。经T6处理后,抗拉强度和延伸率明显提高。随着时效时间的延长,析出的β-Mg17Al12相数量明显增多,更长的时效时间β-Mg17Al12相并没有明显增大。随着时效时间的延长,试样维氏硬度增加;用AZ91D镁合金边角料和屑固相再生试样的维氏硬度均高于铸态热挤出试样的维氏硬度。研究了工业化基础试验中固相再生AZ91D镁合金的组织及力学性能。热压温度400±10℃,保温300s,压力为400MPa;热挤温度450±10℃,保温1小时,挤压速度0.4mm/s。固相再生试样的抗拉强度和延伸率分别能达到346.2MPa和9.62%,挤出试样的厚度、挤压流线和氧化层的分布将严重影响试样的力学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 镁合金及其废料现状
• 1.1.1 镁及其合金概述
• 1.1.2 镁合金废料现状
• 1.1.3 镁合金废料处理方式
• 1.2 镁合金液态再生技术
• 1.3 镁合金固相再生技术
• 1.3.1 反复塑性加工方法
• 1.3.2 固相再生方法
• 1.4 固相再生镁合金国内外研究现状
• 1.4.1 固相再生镁合金国内研究现状
• 1.4.2 固相再生镁合金国外研究现状
• 1.5 本论文选题意义及研究主要内容
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料、设备与方法
• 2.1 试验用料
• 2.1.1 AZ91D 镁合金屑
• 2.1.2 AZ91D 镁合金边角料
• 2.2 试验模具与设备
• 2.2.1 试验模具设计与制造
• 2.2.2 试验主要仪器
• 2.3 试验工艺过程
• 2.3.1 试验工艺参数的选择
• 2.3.2 试验工艺过程及技术路线
• 2.4 力学性能的测试
• 2.5 显微组织观察
• 2.5.1 光学显微组织观察
• 2.5.2 组织结构的SEM 分析
• 2.5.3 组织结构的TEM 分析
• 2.6 氧元素含量的测定
• 2.7 XRD 物相分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 AZ91D 镁合金屑固相再生的组织结构及力学性能
• 3.1 屑粒尺寸对组织和力学性能的影响
• 3.1.1 固相再生过程及分析
• 3.1.2 屑粒尺寸对力学性能影响
• 3.1.3 试样室温拉伸断口形貌
• 3.1.4 屑粒尺寸对显微组织的影响
• 3.2 挤压温度对组织和力学性能的影响
• 3.2.1 挤压温度对组织的影响
• 3.2.2 挤压温度对试样室温力学性能的影响
• 3.2.3 试样室温拉伸断口形貌
• 3.3 挤压比对组织和力学性能的影响
• 3.3.1 挤压比对组织的影响
• 3.3.2 挤压比对力学性能的影响
• 3.3.3 试样室温拉伸断口形貌
• 3.4 SEM 能谱分析
• 3.5 TEM 分析
• 3.6 AZ91D 镁合金屑固相再生过程中受力分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 AZ91D 镁合金边角料固相再生的组织结构及力学性能
• 4.1 试验用AZ91D 镁合金边角料的清洗
• 4.2 温度对AZ91D 边角料热压成坯热挤成形的影响
• 4.2.1 热压成坯过程
• 4.2.2 挤压温度对显微组织的影响
• 4.2.3 挤压温度对力学性能的影响
• 4.2.4 试样室温拉伸断口形貌
• 4.3 挤压温度对AZ91D 镁合金边角料直接热挤成形的影响
• 4.3.1 挤压温度对显微组织的影响
• 4.3.2 挤压温度对力学性能的影响
• 4.3.3 试样室温拉伸断口形貌
• 4.4 挤压比对AZ91D 镁合金边角料热压成坯热挤成形的影响
• 4.4.1 挤压比对显微组织的影响
• 4.4.2 挤压比对力学性能的影响
• 4.4.3 试样室温拉伸断口形貌
• 4.5 SEM 能谱分析
• 4.6 固相再生AZ91D 镁合金中结合面与力学性能关系
• 4.7 本章小结
• 第5章 热处理对固相再生AZ91D 镁合金组织和性能的影响
• 5.1 热处理对固相再生AZ91D 镁合金组织的影响
• 5.1.1 固溶时效对AZ91D 镁合金显微组织的影响
• 5.1.2 时效处理对AZ91D 镁合金显微组织的影响
• 5.1.3 TEM 分析
• 5.2 热处理对AZ91D 镁合金抗拉强度和延伸率的影响
• 5.3 热处理后的试样室温拉伸断口形貌
• 5.4 热处理对AZ91D 镁合金维氏硬度的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 固相再生AZ91D 镁合金工业化基础试验
• 6.1 本文工业化基础试验概况
• 6.2 AZ91D 镁合金边角料热压成坯
• 6.3 AZ91D 镁合金坯料热挤成形
• 6.3.1 长方形
• 6.3.2 正方形
• 6.3.3 “Z”字形
• 6.4 固相再生AZ91D 镁合金的显微组织
• 6.5 固相再生AZ91D 镁合金的力学性能
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢