镁基球形准晶的形成及镁合金中的作用行为研究

摘要

本作者以提高镁合金的强韧化和耐热性为目的，通过化学成分设计和工艺优化，用常规铸造制备出一种镁基球形准晶中间合金。以外加方式将其加入到镁合金熔体中，凝固结晶形成镁基准晶颗粒增强的镁合会。研究了镁基准晶的形成、结构演化和遗传效应对镁合金组织和性能的影响及其作用规律，探讨了镁基准晶颗粒增强镁合金的微观本质。 在对Mg-Zn-Y系准晶制备研究的基础上，就Ca、Mn等对Mg-Zn-Y系准晶的形成过程和宏观硬度的影响进行了研究。结果表明:Ca、Mn的加入都会影响准晶的形成和生长形念。当Mg-Zn-Y系准晶合金中含有0.05％的Ca时，可获得球形准晶；当Mg-Zn-Y系准晶中间合会中随着锰添加量的提高，准晶的形貌由花瓣状变为球形状，并且球径逐渐变小，数量增多，当Mn含量超过2％时，球形准晶的数量逐渐减少，形态变坏。随着Ca、Mn元素加入量的提高，两种准晶中间合金的宏观硬度均下降。同时发现当加入Mn元素时还对结晶相α-Mg树枝状晶的生长有影响，随着锰含量的提高，使α-Mg树枝状晶变短，粗大的一次品消失。常规铸造条件下可在大尺寸(φ30mm)范围内可获得镁基球形准晶中间合金。 研究中发现，在Mg-Zn-Y花瓣状准晶和Mg-Zn-Y-n球形准晶的内部存在裂纹缺陷，这类准晶的形成温度即熔点相对较低，尽管合金组织细化和常温力学性能明显提高，但高温强度提高幅度有限。根据Nd可增强镁合金高温耐热性的作用，为了进一步提高镁合金的高温力学性能，我们又发现并在常规铸造条件下制备出一种新的Mg-Zn-Nd基球形准晶中间合金。这种新的球形准晶与Mg-Zn-Y-Mn球形准晶的最大不同之处，办即可贵之处是在准晶内部没有裂纹，球形准晶相周围没有共生共晶相，但出现离异共晶和独立的层片状共晶相，准晶形成温度(熔点)较高，球化率和球化级别也好于Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金，这些特征均表明:把Mg-Zn-Nd基球形准晶作为耐热镁基合金的强化相，比Mg-Zn-Y-Mn球形准晶对镁合会耐热性显示出更高的增强作用、更好的工艺宽容性和更低的生产成本。 论文利用准晶表面能低、热力学稳定的特点，以外加方式将自制的镁基准晶中间合金加入镁基合金熔体中，在常规铸造条件下凝固成形，获得一种准晶颗粒弥散均匀分布的由多相复合组成的镁基合金。由于准晶颗粒作用的结果，使铸态组织明显细化，其常温强韧度大幅度提高。研究发现:就准晶对镁合金的增强效果而言，Mg-Zn-Y-Mn球形准晶的强化效果大于Mg-Zn-Y花瓣状准晶，尤其韧度的提高效果更为明显。在AZ91合金中加入Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金后，在室温下该合金具有更高的抗拉强度和屈服强度，分别比加准晶前的AZ91合会提高38％和34％，伸长率提高了40％，冲击韧度提高60％以上，耐热性也有较大幅度的提高。在ZA85镁合金和高锌镁合会中加入Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合会后，也同样具有很好的细化和强化效果。 本文经过对准晶和由准晶增强的镁合金的制备研究，以及准晶结构演化规律研究，探明球形准晶在镁合会结晶凝固过程中的遗传效应与细化变质作用行为。研究表明:弥散均匀分布于α-Mg相中和晶界β-Mg17Al12相内部或附近的准晶颗粒可起到强化基体与晶界、降低镁合会基体中元素的扩散速率、阻碍位错运动和阻止晶界滑动的作用，使晶界α-Mg17Al12相断网和趋于球化，改变时效析出方式，从而有效提高镁合金的常温强韧性和高温耐热抗蠕变性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 准晶的发现

1.2 准晶的分类

1.2.1 从热力学的角度分类

1.2.2 从结构的角度分类

1.2.3 稳定的二十面体准晶

1.3 准晶结构的描述

1.4 准晶结构理论的新进展

1.5 镁系准晶

1.6 准晶的应用研究现状

1.7 本文研究的目的和意义

1.8 本研究对国民经济发展的意义

参考文献

第二章 试验方法及分析手段

2.1 合金制备工艺及过程

2.1.1 实验设备、原料及其它

2.1.2 熔炼及浇注过程

2.1.3 热处理工艺的确定及过程

2.2 分析测试方法

2.2.1 金相组织观察

2.2.2 X射线衍射分析

2.2.3 扫描电子显微镜分析

2.2.4 透射电子显微镜分析

2.3 力学性能测试

2.3.1 宏观硬度测试

2.3.2 显微硬度测试

2.3.3 常、高温拉伸实验

2.3.4 冲击韧度实验

2.4 技术路线

第三章 Mg-Zn-Y准晶中间合金的研究

3.1 引 言

3.2 合金的制备

3.2.1 实验用原材料

3.2.2 合金成分

3.2.3 实验方法

3.3 实验结果分析

3.3.1 Mg-Zn-Y准晶中间合余的组织形貌

3.3.2 成分对Mg-Zn-Y准晶数量的影响

3.3.3 冷却速度对Mg-Zn-Y准晶中间合金的影响

3.3.4 Mg-Zn-Y准晶合金的组织分析

3.3.5 Mg-Zn-Y准晶的形成机制

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Mg-Zn-Y-Mn球形准晶中间合金的研究

4.1 引 言

4.2 中间合金的制备

4.2.1 实验用原材料及熔剂

4.2.2 合会成分

4.2.3 实验方法

4.3 实验结果分析

4.3.1 Mn对Mg-Zn-Y合金结晶凝固过程的影响

4.3.2 Mn对Mg-Zn-Y合金硬度的影响

4.4 Mn对球形准晶相形成机制分析

4.4.1 Mn对球形准晶相形核过程的影响

4.4.2 Mn对球形准晶相长大过程的影响

4.4.3 形成球形准晶的理论判据

4.5 本章小结

参考文献

第五章 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合会的研究

5.1 引言

5.2中间合金的制备

5.2.1 实验原材料及熔剂

5.2.2 Mg-18%Ca中间合金的制备

5.2.3 合金成分

5.2.4 实验方法

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 微量Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合金结晶过程的影响

5.3.2 Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合金宏观硬度的影响

5.3.3 Ca对Mg-Zn-Y准晶中间合会结晶生长过程的影响机制分析

5.4 本章小结

参考文献

第六章 Mg-Zn-Nd球形准晶中间合金的研究

6.1 引言

6.2 中间合金的制备

6.2.1 实验用原材料及熔剂

6.2.2 合金成分

6.2.3 实验方法

6.3 实验结果分析

6.3.1 Mg-Zn-Nd准晶中间合金的组织形貌

6.3.2 Nd对球形准晶形成的影响

6.4 Mg-Zn-Nd准晶中间合金中球形准晶的形成过程

6.4.1 Nd对球形准晶形成的影响

6.4.2 Mg-Zn-Nd准晶中问合金中球形准晶的长大过程

6.4.3 球形准晶相形成的理论依据

6.5 工艺条件与球形准晶生长形念的关系

6.6 本章小结

参考文献

第七章 镁基准晶中间合金对AZ91合会组织及性能的影响

7.1 引言

7.2 Mg-Zn-Y准晶中间合金对AZ91合金组织与性能的影响

7.2.1 Mg-Zn-Y准晶中间合金对AZ91合金组织的影响

7.2.2 Mg-Zn-Y准晶中间合会对AZ91合金力学性能的影响

7.3 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合金组织与性能的影响

7.3.1 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合会组织的影响

7.3.2 Mg-Zn-Y-Ca准晶中间合金对AZ91合会力学性能的影响

7.4 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合会组织与性能的影响

7.4.1 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合会组织的影响

7.4.2 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合会对AZ91合金力学性能的影响

7.4.3 MZY和MZYM准晶中间合会对AZ91合会性能影响的对比分析

7.4.4 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对AZ91合金的强韧化机制分析

7.5 热处理对AZ91-MZYX(X=0，Ca，Mn)组织与性能的影响

7.5.1 热处理对AZ91-MZYX(X=0，Ca，Mn)组织的影响

7.5.2 热处理对AZ91-MZYX(X=0，Ca，Mn)拉伸力学性能的影响

7.6 本章小结

参考文献

第八章 Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金对ZA85组织和性能的影响

8.1 引言

8.2实验方法

8.3结果与讨论

8.3.1 MZYM准晶中间合金对ZA85组织的影响

8.3.2 MZYM准晶中间合金对ZA85力学性能的影响

8.4 本章小结

参考文献

第九章 Mg-Zn-Y-Mn准晶对高锌镁合金组织和性能的影响

9.1引言

9.2试验方法

9.3试验结果与分析

9.3.1 MZYM准晶中间合会对高锌镁合金组织的影响

9.3.2 MZYM对高锌镁合金常温力学性能的影响

9.3.3 高锌镁合金的断口特征

9.3.4 MZYM对高锌镁合会高温力学性能的影响

9.4 本章小结

参考文献

第十章 结 论

致 谢

攻读博士学位期间发表的论文及发明专利目录

博士学位论文独创性说明