磁场对长周期结构增强Mg97Y2Cu1合金凝固组织及力学性能的影响

摘要

镁合金作为一种绿色环保合金，近年来在航空工业、汽车工业和电子通讯工业中的应用日益广泛。长周期结构增强的镁合金具有优异的室温和高温性能，优于传统的商用镁合金。凝固组织和结晶织构的控制对于提高镁合金的力学性能起着至关重要作用。在合金凝固过程中施加磁场具有无污染、容易操作、效果显著等优点，受到了人们的高度重视。为提高铸态长周期结构增强镁合金的力学性能，本文以纯镁和Mg97Y2Cu1合金为研究对象，研究了直流磁场、脉冲磁场和直流-脉冲复合磁场对合金凝固组织、结晶取向及力学性能的影响，并探讨了磁场下凝固组织及结晶取向变化的机理。研究结果表明：
　　1）在0～1.0T范围内，随着直流磁场强度的增加，纯镁的晶粒尺寸逐渐增加；纯镁的结晶织构发生了变化，其{0002}面织构逐渐减弱，而{10(1)0}面织构逐渐增强；纯镁的铸态抗拉强度有所降低，但伸长率显著提高，其伸长率较无磁场处理的试样相比最高提高了544％。
　　2）直流磁场处理可以改善Mg97Y2Cu1合金的凝固组织。在0～1.2T范围内，随着磁场强度的增加，合金的晶粒尺寸先减小后增大，第二相体积分数先增加后减少，其转折点均为0.3T。合金{0002}面织构很弱且混乱，而{11(2)0}面织构先加强后减弱，其转折点为0.9T，{10(1)0}面织构逐渐增强。合金的铸态抗拉强度和伸长率总体上逐渐提高；当磁场强度为0.9T时，合金的综合力学性能最好，其抗拉强度和伸长率较无磁场处理的试样相比分别提高了96.6％和61.1％。
　　3）脉冲磁场处理可以显著细化Mg97Y2Cu1合金的初生相，改变第二相的形态和体积分数，其初生相由发达的枝晶转变为细小的等轴晶或蔷薇状晶体。在0~0.25T范围内，随着磁场强度的提高，合金的初生相逐渐细化，第二相逐渐粗化，其体积分数逐渐增加。在1～5HZ范围内，脉冲频率对合金凝固组织的影响较小；当脉冲频率增加至10Hz时，合金的初生相最为细小，第二相分布最均匀，体积分数最高。磁场处理条件下，当浇注温度在660～750℃范围内或模具预热温度在20~600℃范围内，随着浇注温度或模具预热温度的增加，合金的晶粒尺寸逐渐减小。在脉冲磁场的作用下，合金在(0002)面的结晶取向受到抑制，在(10(1)1)面形成新的结晶取向。随着磁场强度或脉冲频率的增加，合金的抗拉强度和伸长率总体上逐渐提高；当磁场强度为0.25T时，合金的抗拉强度和伸长率较常规铸造条件分别提高了42.5%和106.0%。
　　4）经复合磁场处理后，Mg97Y2Cu1合金的凝固组织显著改善，其效果好于单一的直流磁场处理或脉冲磁场处理；合金的初生相转变为细小的等轴晶或蔷薇状晶体，第二相分布变得均匀和连续，其体积分数有所提高。当磁场强度在0~0.25T范围内或脉冲频率在1~10Hz范围内，随着磁场强度或脉冲频率的增加，合金的晶粒尺寸逐渐减小。复合磁场处理条件下，在20～600℃范围内，随着模具预热温度的增加，合金的晶粒尺寸先减小后有所增大，其转折点为400℃；在650～750℃范围内，随着浇注温度的增加，合金的晶粒尺寸先增大后减小，其转折点为720℃。随着脉冲磁场强度或脉冲频率的增加，合金的抗拉强度和伸长率均逐渐提高；当脉冲磁场强度为0.25T时，合金的抗拉强度和伸长率较单一的直流磁场处理的试样分别提高了146％和113％。

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第1章 绪论

1.1 镁及镁合金概述

1.2 长周期结构增强镁合金

1.3 镁合金凝固组织的细化

1.4 直流磁场对金属凝固组织的影响

1.5 脉冲磁场对金属凝固组织的影响

1.6 本论文研究目的和意义

第2章 实验方案与方法

2.1 实验材料及熔炼

2.2 实验装置

2.3 实验总体流程与研究方案

2.4 测试方法

第 3 章 直流磁场对纯镁和 Mg97Y2Cu1合金凝固组织、结晶织构及力学性能的影响

3.1 直流磁场对纯镁凝固组织、结晶织构和力学性能的影响

3.2 直流磁场对合金凝固组织、结晶织构和力学性能的影响

3.3 熔体温度对合金凝固组织和结晶取向的影响

3.4 分析与讨论

3.5 本章小结

第4章 脉冲磁场对Mg97Y2Cu1合金凝固组织和力学性能的影响

4.1 合金的第二相成分和元素分布

4.2 脉冲磁场对合金凝固组织的影响

4.3 脉冲磁场对合金结晶取向的影响

4.4 脉冲磁场对合金力学性能的影响

4.5 分析与讨论

4.6 本章小结

第5章 复合磁场对Mg97Y2Cu1合金凝固组织和力学性能的影响

5.1 复合磁场对合金凝固组织的影响

5.2 复合磁场对合金结晶取向的影响

5.3 复合磁场对合金力学性能的影响

5.4 分析与讨论

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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