稀土Er对ZK60和AZ91 Mg合金组织结构与性能的影响

摘要

本论文主要研究了稀土Er对ZK60和AZ91两种高强度Mg合金微观组织结构，性能以及变形行为的影响。旨在利用稀土Er的合金化以及净化作用，进一步提高Mg合金的性能。 研究结果表明，稀土Er对铸态ZK60合金的组织和力学性能有显著影响。在ZK60合金中添加稀土Er能够细化合金的组织。当Er的添加量达到1.0 wt.％时，细化效果最佳。ZK60合金中添加Er后形成了Mg-Zn-Er三元稀土相，提高了合金的共晶反应温度，使得合金的结晶温度间隔由原来的146℃缩短为80℃，减少了合金在凝固过程中初生α-(Mg)枝晶的长大时间，从而细化了ZK60合金的组织。含有Er的ZK60合金在室温和150℃时的抗拉强度和延伸率较不含Er的ZK60合金均得到提高。当Er的添加量为1.0wt.％时获得了最佳的力学性能，室温和150℃拉伸时的抗拉强度(σ<,b>)，屈服强度(σ<,0.2>)和延伸率(δ)分别达到：230 Mpa，120 Mpa，16.3％和170 Mpa，77 Mpa，42.4％。 采用Gleeble-1500D热/力模拟材料试验机，研究了ZK60和ZK60-1Er两种Mg合金的热压缩变形行为，并且应用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)较系统地研究了变形合金的微观组织结构。变形后的ZK60合金主要由基体α-(Mg)相、MgZn<,2>相以及在较低变形温度下(150℃和1250℃)动态析出的Mg<,2>Zn<,3>相组成。ZK60-1Er变形合金中除了含有α-(Mg)相和较低变形温度下(150℃和250℃)动态析出的Mg2Zn3相外，还含有块状和棒状的W<,Er>相(Mg<,3>Zn<,3>Er<,2>，面心立方(F.C.C.)结构)以及颗粒状的I<,Er>相(Mg<,3>Zn<,6>Er，面心二十面体准晶结构)等含有Er的稀土相。热压缩变形过程中，适当大小的稀土相会促进合金基体发生动态再结晶，增加再结晶晶粒的形核率，从而得到细小的再结晶组织。当变形温度为450℃时，颗粒状的I<,Er>相溶解，动态析出的棒状W<,Er>相增加。由于棒状W<,Er>相和颗粒状的I<,Er>相对合金晶界和基体的钉扎作用，添加Er增加了ZK60合金在热变形过程中的流变应力，提高了合金的变形激活能。 本论文还研究了在含有Er和MnCl<,2>的熔剂中Er的含量对AZ91合金的净化效果以及对合金组织和性能的影响。结果表明：将Er力口入含有MnCl<,2>的熔剂中，不仅保留了MnCl<,2>良好的除Fe效果，使合金中Fe/Mn比值低，熔炼工艺简单，而且熔剂中的Er对Mg合金熔体还具有明显的净化作用，能够有效地去除熔剂夹杂，从而提高合金的拉伸性能和耐腐蚀性能。熔炼AZ91合金时，在含有MnCl<,2>的熔剂中添加10％的Er，合金的σ<,b>和δ分别从156 MPa和1.8％上升到220 MPa和4.1％。同时，合金在5wt.％NaCl水溶液中的腐蚀速率从1.20 mg/(cm<'2>·d)下降到0.15 mg/(cm<'2>·d)。使用含Er熔剂精炼的AZ91合金拉伸断口形貌与使用不含Er熔剂精炼的AZ91合金相比较，其断裂机制没有发生改变，断口仍然呈现为准解理断裂的特征。然而，随着Er在熔剂中添加量的进一步提高，Er会进入合金中导致稀土相的生成。其中，一种是在β-(Mg<,17>Al<,12>)相附近的粗大稀土相Ψ-(Al<,7>ErMn<,5>)，另一种是β-(Mg<,17>Al<,12>)相内部的细小稀土相τ-(Al<,66.7>Mg<,23.3>Er<,10>)。稀土相在合金中的分布极不均匀，对铸态AZ91合金的基体具有割裂作用，降低了枝晶之间的结合力，改变了β-(Mg<,17>Al<,12>)相的形态，使得β-(Mg<,17>Al<,12>)相由原来的粗大网状分布转变成断续的块状分布，从而增加了合金中腐蚀微电池的数量，使得AZ91合金的力学性能和耐腐蚀性能反而下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 Mg合金的特点、分类及其应用

1.2 Mg合金化元素的作用

1.3 ZK60合金的组织结构与性能

1.4 AZ91合金的组织结构与性能

1.5稀土对Mg合金组织结构与性能影响的研究现状

1.5.1 ZK60-xRE合金

1.5.2 AZ91-RE合金

1.6稀土对Mg合金熔体的净化作用

1.7本文研究的目的和主要内容

参考文献

第2章实验方法

2.1合金的熔炼和铸造

2.1.1合金原料

2.1.2合金的熔炼

2.2合金铸锭的化学成分分析

2.3拉伸实验

2.4腐蚀实验

2.5热模拟实验

2.6金相试样的制备与观察

2.7扫描电镜观察

2.8 X射线物相分析

2.9透射电镜样品的制备与观察

2.10差热分析

第3章Er对铸态ZK60合金组织和力学性能的影响

3.1引言

3.2合金的熔炼和铸造

3.2.1熔剂的配制

3.2.2熔炼和铸造

3.3Er对铸态ZK60合金组织形貌及凝固行为的影响

3.3.1组织形貌

3.3.2凝固行为

3.4Er对铸态ZK60合金力学性能的影响

3.4.1室温拉伸性能

3.4.2高温拉伸性能

3.4.3高温拉伸断口形貌观察

3.5小结

参考文献

第4章Er对热压缩变形ZK60合金组织结构和流变行为的影响

4.1引言

4.2Er对热压缩变形ZK60合金组织结构的影响

4.2.1热压缩变形前ZK60和ZK60-1Er合金的组织

4.2.2 Er对热压缩变形ZK60合金金相组织形态的影响

4.2.3热压缩变形后ZK60合金中的相

4.2.4热压缩变形后ZK60-1Er合金中的相

4.3Er对热压缩ZK60合金流变行为的影响

4.3.1 ZK60和ZK60-1Er合金热压缩流变行为

4.3.2热压缩变形激活能Q的计算

4.3.3热压缩变形机制

4.4小结

参考文献

第5章添加Er于熔剂中精炼对铸态AZ91合金组织和性能的影响

5.1引言

5.2合金的熔炼与铸造

5.3 MnCl2和Er的净化作用

5.4含Er熔剂精炼对铸态AZ91合金组织的改善

5.5过量Er对合金的变质作用

5.6含Er熔剂精炼对铸态AZ91合金拉伸性能的影响

5.7拉伸断裂机制

5.8含Er熔剂精炼对铸态AZ91合金耐腐蚀性能的影响

5.9小结

参考文献

第6章全文结论

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

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