Sr、B对AZ91D镁合金组织和性能的影响

摘要

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、良好的铸造性能、电磁屏蔽能力以及易于再生利用等一系列独特的优点，被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的材料”。其结构件在汽车、飞机、计算机、通讯等领域获得了日益广泛的应用。AZ91镁合金兼有良好的铸造工艺性能、室温力学性能和成本低等优点，是目前应用最广泛的压铸镁合金。但是，由于在凝固过程中，粗大的p相以离异共晶的形式沿晶界析出，合金的塑性较差，并且由于该合金的结晶温度间隔较宽，凝固收缩大，热裂倾向严重，致使合金铸造工艺复杂，严重阻碍了AZ91的应用和发展。因此，在AZ91镁合金的基础上开发出具有较高抗拉强度、高韧性并且能满足成形性能要求的新型镁合金显得尤为重要。 实践证明，细小的等轴晶可以改善镁合金的显微组织和力学性能。本课题通过向熔体中加入Sr、B对AZ91D合金进行细化，提高其强韧性。利用光学显微镜(OM)，X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(13SC)、带能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)等分析手段，通过对合金拉伸性能、疲劳性能、流动性、自腐蚀电位的测试与分析，较系统地研究了Sr、B对AZ91D镁合金组织和性能的影响及其作用机理，从而为研制新型高性能镁合金提供理论依据。 研究结果表明，AZ91D合金中晶粒大小约为250gm，添加0.8﹪Sr后，晶粒大小约为120μm，细化了60﹪。加入0.03B后，AZ91D-0.5Sr合金的晶粒尺寸由原来的125gm降低到添加后的80μm，细化了36﹪。铸态．AZ91D、AZ91D-0.2Sr、AZ91D-0.5Sr合金均由α-Mg和β-Mg<,17>Al<,12>相组成。当Sr的添加量达到0.8﹪，合金中出现新相Al<,4>Sr。在AZ91D-0.5Sr合金的基础上添加B后，合金中同样出现新相Al<,4>Sr。由于Sr与Al的结合，导致Al<,4>Sr周围Al含量相对减少，晶界上共晶β-Mg<,17>Al<,12>相数量减少，从而由连续与半连续网状结构逐渐变为断续、弥散分布的带状结构。 AZ91D合金的抗拉强度和伸长率分别为129MPa和1.1﹪。添加0.8﹪Sr以后，抗拉强度达160MPa，较AZ91D合金提高了23.6﹪：伸长率为1.3﹪，提高了12﹪。在AZ91D-0.5Sr合金的基础上添加0.09﹪B，合金的抗拉强度和伸长率分别为151MPa和1.6﹪，抗拉强度较AZ91D-0.5Sr合金提高了10.2﹪。铸态下AZ91D合金的断裂方式是典型的脆性断裂。合金经Sr、B变质处理后，断口呈现一定的韧窝和撕裂棱，合金的韧性变好。 Sr的加入，对合金的固相线影响不大，但能明显降低合金的液相线。液相线从AZ91D合金的596℃下降到添加0．5﹪Sr后的566℃，结晶温度间隔减小了32℃。添加量分别为0．2﹪、0．5﹪时，Sr对AZ91D合金凝固过程的影响主要表现为降低了合金的液相线并且在合金凝固前期，富集在固/液界面前沿，从而抑制晶粒的快速长大。当合金中Sr的加入量达到0．8﹪时，富集在固/液生长界面的Sr与Al结合生成高熔点的Al<,4>Sr相，Al<,4>Sr相分布在α-Mg相前沿，形成溶质过冷层，从而降低了α-Mg晶粒的生长速率，细化了组织。 Sr、B元素的加入能改善合金的流动性，提高其铸造性能。AZ91D合金流动性浇注试样的长度为330mm，加入0．5﹪Sr后，流动性浇注试样的长度为380mm，提高了21﹪。AZ91D-0．5Sr-0．09B合金的流动性试样长度为580mm，比AZ91D合金提高了76﹪。说明加入Sr、B都提高了合金的流动性，能够改善其充型能力。 加入Sr和B后，合金的自腐蚀电位得到一定程度的提高。AZ91D-0．5Sr-0．09B合金的自腐蚀电位约为-1．55V，比AZ91D合金的自腐蚀电位提高了约0．04V，腐蚀稳定性得到改善。 高周疲劳试验中，合金的疲劳源起源于合金熔炼过程中产生的铸造缺陷。添加0．5﹪Sr后试样断口上可以看到规则的海滩波纹状辉纹。AZ91D合金的疲劳断裂区显示准解理特征。添加Sr后在合金试样断口的疲劳断裂区，韧窝特征明显，撕裂棱也比AZ91D合金明显增多。这些韧窝和撕裂棱的存在能够减小疲劳裂纹扩展的速率，增加疲劳寿命，从而改善疲劳性能。 Sr对AZ91D合金的细化机理为：由于Sr在镁合金中是表面活性元素，在凝固过程，Sr富集于固/液界面前沿，降低了合金中的结晶潜热，从而增大了实际过冷度，提高形核率，阻碍了晶粒的生长。 在AZ91D合金中联合添加Sr和B的复合细化机理为：加入微量B后，B与熔体中的SrO和MgO发生反应。使原来被包裹住的Mg和Sr得以释放，从而有更多的Sr在熔体中发挥细化作用，并且与合金中的Al结合形成Al<,4>Sr。Al<,4>Sr的形成有利于合金组织的细化。此外，B与MgO反应，减少了熔体中氧化物的含量，净化了熔体，有利于合金综合性能的改善。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1镁及镁合金的特点

1.1.1纯镁的物理性质

1.1.2镁合金的特点

1.2镁合金的晶粒细化

1.2.1合金化

1.2.2液态时变质或过热处理

1.2.3半固态加工

1.2.4塑性成形

1.2.5粉末成形

1.3 AZ91镁合金及其性能

1.3.1 AZ91镁合金的特点

1.3.2 AZ91镁合金的压铸性能和腐蚀性能

1.4课题的提出

1.5研究内容、技术路线

1.5.1研究内容

1.5.2技术路线

第二章试验方法及分析手段

2.1试验方案的设定

2.1.1合金成分的设定

2.1.2固溶处理工艺的选择

2.2合金的制备过程

2.2.1合金熔炼前的准备

2.2.2合金熔炼

2.3组织分析

2.3.1金相显微分析

2.3.2 XRD(X-Ray Diffraction)分析

2.3.3 SEM(Scanning Electron Microscope)分析

2.3.4 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)分析

2.3.5 DSC(Differential Scanning Calorimetric)分析

2.4性能测试

2.4.1常温拉伸性能测试

2.4.2流动性能测试

2.4.3腐蚀性能测试

2.4.4高周疲劳性能测试

第三章Sr对AZ91D镁合金显微组织和力学性能的影响

3.1 Sr对AZ91D显微组织的影响

3.1.1 Al-10Sr中间合金的组织和形貌

3.1.2 Sr对AZ91D合金相组成的影响

3.1.3 Sr对AZ91D合金显微组织的影响

3.1.4合金中Sr元素的分布

3.2 Sr与AZ91D合金熔体作用的热力学分析

3.3 Sr对AZ91D合金力学性能和断口形貌的影响

3.3.1 Sr对AZ91D合金力学性能的影响

3.3.2 Sr对AZ91D合金拉伸断口形貌的影响

3.4固溶处理对AZ91D和AZ91D-0.5Sr合金显微组织的影响

3.5 Sr对AZ91D合金高周疲劳性能的影响

3.5.1疲劳积累损伤和Miner规则

3.5.2疲劳断口形貌

3.6 Sr对AZ91D合金细化机理探讨

3.7本章小结

第四章Sr和B联合添加对AZ91D显微组织和力学性能的影响

4.1 Sr和B对AZ91D合金显微组织的影响

4.1.1 Al-3B中间合金的组织与形貌

4.1.2 Sr和B对AZ91D合金相组成的影响

4.1.3 Sr和B对AZ91D合金显微组织的影响

4.2 Sr和B对AZ91D合金力学性能和断口形貌的影响

4.2.1 Sr和B对AZ91D合金力学性能的影响

4.2.2 Sr和B对AZ91D合金断口形貌的影响

4.3固溶处理对合金显微组织的影响

4.4 Sr和B对AZ91D合金复合细化机理探讨

4.5本章小结

第五章Sr、B对AZ91D合金铸造性能和腐蚀性能的影响

5.1 Sr、B对AZ91D合金铸造性能的影响

5.1.1 Sr、B对AZ91D合金凝固过程的影响

5.1.2 Sr、B对AZ91D合金流动性的影响

5.1.3 Sr、B影响AZ91D合金流动性的机理

5.2 Sr和B对AZ91D合金腐蚀性能的影响

5.2.1自腐蚀电位

5.2.2 Sr和B对AZ91D合金腐蚀性能影响机理探讨

5.3本章小结

第六章主要结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢