Mg-Nd-Zn-Zr稀土镁合金搅拌摩擦焊接头组织和性能研究

摘要

随着镁合金在航空航天、汽车、电子、医药化工等行业的广泛应用，如何提高其性能是很多学者研究的热点。稀土镁合金应运而生，以其独特的优点引起了人们的关注，而目前对于其焊接方法的研究较少。本文主要研究了NZ20K稀土镁合金的搅拌摩擦焊接工艺及不同的热处理工艺对接头组织演变和性能的影响规律，为稀土镁合金的应用奠定了理论和技术基础。
　　本文通过改变焊接速度和旋转速度研究了NZ20K稀土镁合金的搅拌摩擦焊工艺。通过接头各区域微观组织的观察、分析以及接头力学性能的测试，揭示了工艺参数、接头组织与性能之间的关系；同时采用不同的热处理参数对接头进行热处理，利用透射电镜观察分析了焊缝典型时效处理后的组织，并对不同热处理后的焊接接头力学性能进行了测试，揭示焊缝中稀土析出相的时效析出过程及对焊接接头的强化机制。
　　研究结果表明：当旋转速度为1100r/min-1300r/min，焊接速度为100 mm/min-150 mm/min时，可得到成形良好、无缺陷的焊接接头。由于N d元素的细化晶粒作用，接头焊核区的晶粒非常细小，且均匀分布着一些第二相颗粒。经 X RD试验可知此第二相粒子为Mg12Nd。当焊接参数为1300r/min和120mm/min时，接头室温下的抗拉强度最高为156MPa，达到母材的75％，延伸率为4.33%，断口呈现脆性断裂特征。在200℃条件下，接头的抗拉强度也达到137MPa，只比室温下降了12%；而AZ31镁合金接头200℃下的抗拉强度只有100MPa，与室温相比下降了44%，表明NZ20K稀土镁合金的高温性能很好。这是由于稀土共晶相 Mg12Nd在200℃的高温下，热稳定性好，晶粒和晶界中的 Mg12Nd稀土相能够锁定晶界，减少晶界限滑移和位错滑移，从而明显改善接头的高温强度，高温下接头的塑性明显提高。NZ20K稀土镁合金和AZ31镁合金焊接接头的显微硬度分布均呈倒“V”型，硬度相差不大。焊核区硬度最高，热机械影响区和热影响区硬度均有所下降，硬度最低区域为热机械影响区和热影响区的交界处。
　　NZ20K稀土镁合金搅拌摩擦焊接头经过热处理后可以明显改善接头的力学性能。其中225℃时效处理8小时后，接头的抗拉强度达到最大，为184MPa，与未热处理时接头的抗拉强度相比，提高了18%。表明热处理后焊缝中的析出物能够起到提高接头强度的作用。

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第1章 绪论

1. 1 选题背景及意义

1. 2 镁合金概述

1. 3 稀土镁合金的发展

1. 4 镁合金的焊接方法

1. 5 稀土镁合金焊接方法的国内外研究现状

1. 6 稀土镁合金的热处理

1. 7 本文主要研究内容

第2章 试验材料、设备及试验方法

2. 1 试验材料

2. 2 试验方法及设备

2. 3 显微组织分析

2. 4性能测试设备及方法

2. 5 焊接试验程序

2. 6 本章小结

第3章 NZ20K稀土镁合金搅拌摩擦焊工艺研究

3. 1 搅拌头的设计

3. 2 搅拌摩擦焊热输入计算

3. 3 搅拌摩擦焊试验

3. 4 旋转速度对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

3. 5 焊接速度对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

3. 6 搅拌头轴肩下压量对焊缝成形的影响

3. 7 本章小结

分析

4. 1稀土镁合金NZ20K搅拌摩擦焊接头的微观组织

4. 2 稀土镁合金NZ20K搅拌摩擦焊接头的室温力学性能分析

4. 3 稀土镁合金NZ20K搅拌摩擦焊接头的200℃下力学性能分析

4. 4 稀土镁合金NZ20K搅拌摩擦焊接头硬度分析

4. 5 本章小结

第5章 热处理对NZ20K搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响

5. 1 热处理参数的确定

5. 2 热处理接头组织

5. 3 时效析出分析

5. 4 热处理后搅拌摩擦焊接头的力学性能分析

5. 5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢