原位自生准晶对高锌镁合金强度和阻尼性能的影响及机理研究

摘要

镁合金是目前工业应用上最轻的结构金属，具有良好的铸造和加工性能、比刚度高、阻尼减震性良好和可循环利用等优点，广泛应用于交通运输、航空航天和3C产品等领域。但是由于存在稳定性较低的β-Mg17Al12相，AZ系镁合金的高温力学性能较差，限制了该合金系的推广发展。近来发展了一些高强度新型镁合金，例如稀土类镁合金，但是稀土价格昂贵限制其民用及工业应用。通过调控Mg-Zn-Al合金的Zn/Al比，用普通铸造的方式获得准晶相τ-Mg32(Al,Zn)49和?-Al2Mg5Zn2，对合金性能的提高有着积极的作用。较快的冷却速率能促进非平衡态的形成，对准晶的生成有益。目前现有的高阻尼镁合金的高温力学性能不甚理想。因此通过廉价的Zn 和 Al进行合金化，开发一种高强高阻尼镁合金具有重要的研究意义。 本文选用高锌镁合金为实验合金，设计用于快速凝固原位自生准晶的铜模具，通过数值模拟和实验对比，获得熔炼的最佳工艺，探究冷却速率对准晶相形貌和生成量的影响；研究不同Zn含量对高锌镁合金显微组织和力学性能的影响；研究在不同频率下，升温过程中不同Zn含量对高锌镁合金阻尼性能的影响。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）对合金的组织形貌、分布和相组成进行定性分析，通过维氏显微硬度及室温拉伸性能来表征合金的力学性能，并使用多功能内耗仪来检测合金的阻尼性能。主要研究结果如下： （1）与传统钢模具相比，本新型铜模具能明显细化铸造合金组织，改善组织形貌，室温抗拉强度提升了7.3%，伸长率提升了35.4%。当Zn的含量小于8%时，合金中大部分骨骼状第二相均匀分布在晶界处，少量的以颗粒状或块状分布在晶界和枝晶间。随着Zn含量的增加，晶粒得到细化，第二相分布也更均匀，形成空间网状结构。当Zn含量进一步增加，晶粒变得异常粗大，晶界变宽，枝晶结构更为粗糙。 （2）随着 Zn 含量的增加，试验合金的抗拉强度、延伸率先增加然后减少，而屈服强度一直逐渐增加。当Zn的含量为11%时，综合力学性能最佳，室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为 120MPa、186MPa和6.1%。Zn含量低于11%的镁合金的断口以穿晶断裂为主，形貌特征为杂乱而细小的解理刻面，有少量河流状花样，有一定数量的韧窝，合金中很少有通过撕裂形成的撕裂棱，这是一种由解理台阶和韧窝组成的混合型断口，为准解理断裂。Zn含量高于11%的镁合金的断口以沿晶断裂为主，形貌特征为较小的解理刻面和由解理台阶形成的发达的河流状花样组成，是解理断裂； （3）随着温度的上升，Mg-Zn-Al 合金的阻尼逐渐增大，该合金系的阻尼峰均出现在170℃附近。低于170℃时，各不同Zn含量的合金的内耗值随温度的上升变化不大，且Zn的含量越高，其内耗值越低，高频阻尼均大于低频阻尼；而在高于170℃时，结果与之前完全相反，随着温度的增加，内耗值均有了显著的增加，低频阻尼增大，超过高频阻尼。这是位错阻尼与晶界阻尼的共同作用结果。

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原位自生准晶对高锌镁合金强度和阻尼性能

的影响及机理研究

摘 要

第一章 绪论

1.1 镁及镁合金概述

1.1.1 镁

1.1.2 镁合金

1.2 镁合金强韧化

1.2.1 合金化强化

1.2.2 细晶强化

1.2.3 热处理强化

1.2.4 热变形加工

1.3 高锌镁合金现状

1.4 准晶相

1.4.1 准晶的分类

1.4.2 准晶的制备方法

1.5 ViewCast软件

1.6 镁合金阻尼机制

1.7 选题意义

1.8 研究内容

参考文献

第二章 实验过程及研究方法

2.2 实验合金的制备

2.2.1 实验原材料及辅料

2.2.2 实验设备

2.2.3 合金的熔炼工艺

2.3 组织观察

2.3.1 光学显微组织（OM）观察

2.3.2 扫描电镜（SEM）分析

2.3.3 X射线衍射（XRD）分析

2.4 性能测试

2.4.1 合金的力学性能测试

2.4.2 合金的阻尼性能测试

第三章 快速凝固铜模设计及数值模拟分析

3.1 模具材料选取及模具设计

3.1.1 铸造方式

3.1.2 模具材料选取

3.1.3 模具设计

3.2 数值模拟

3.2.1 铸造充型凝固模拟试验

3.3 不同模具实验结果对比

3.3.1 不同模具得到的试棒显微组织

3.3.2 不同模具得到的试棒室温拉伸性能

3.4 小结

参考文献

第四章 Zn含量对Mg-Zn-Al合金组织及力学性能的影响

4.1 引言

4.2 Zn含量对Mg-Zn-Al合金显微组织的影响

4.2.1 XRD物相分析

4.2.2 铸态合金的微观组织

4.3 Zn含量对Mg-Zn-Al合金力学性能的影响

4.3.1 Mg-Zn-Al合金的显微硬度

4.3.2 Mg-Zn-Al合金的室温拉伸性能

4.3.3 Mg-Zn-Al合金的室温拉伸断口形貌及分析

4.4 小结

参考文献

第五章 Zn含量对Mg-Zn-Al合金阻尼性能的影响

5.1 引言

5.2 不同Zn含量Mg-Zn-Al合金的阻尼性能

5.3 不同Zn含量Mg-Zn-Al合金的阻尼机理分析

5.4 小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文