Mg-Al合金铸态晶粒细化理论和实验研究

发布时间：2018-03-11 04:18

  本文选题：Mg-Al合金　切入点：晶粒细化　出处：《重庆大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：镁合金作为轻质金属材料的典型代表,具有良好的抗阻尼性、比强度和比刚度高等优点,在航空航天、3C产品、汽车等领域表现出了极大的发展潜力。然而对于目前已经广泛使用的铸造镁合金,其力学性能及后续的可加工性能还不够理想,极大了限制了其进一步的工业化大规模应用。晶粒细化可有效提高镁合金的强度和延展性,开发出一种高效低成本的晶粒细化剂是改善镁合金综合性能、扩大镁合金应用的重要手段,因此开展镁合金晶粒细化剂和细化机理的研究具有重要的理论和实际意义。本文主要是针对晶粒细化比较困难的含A1镁合金进行研究,开发低成本、高效的晶粒细化剂,具体以纯镁、Mg-3A1和Mg-6A1体系为对象,通过对添加不同的化合物和合金元素细化晶粒效果的理论与实验研究,获得理想晶粒细化剂。根据Mg-Al-Si和Mg-Al-Sn热力学数据,构建了三元相图并设计了Mg-xAl-ySiC(x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0), Mg-xAl-ySiO_2(x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)以及Mg-xAl-ySn (x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、 2.0)合金,通过生长抑制因子(Q值)、边边匹配模型(E2EM)等手段预测了各体系中形核剂的晶粒细化效果和细化机理。通过金相分析、X射线衍射、能谱、背散射电子衍射、拉伸试验、扫描电镜、透射电子显微分析等手段,研究了成分、冷却速度、挤压变形等参数对铸态Mg-Al合金微观组织和力学性能的影响规律；根据合金中第二相形成和分布特征,研究了Mg_2Si、Mg_2Sn等对镁中Mg_(17)Al_(12)第二相的异质形核作用机理,得到了针对含A1镁合金的高效晶粒细化剂、探讨了晶粒细化机制,主要研究结果如下：低成本的非金属化合物SiC作为Mg-Al合金的晶粒细化剂,可起到很好的晶粒细化效果,相应力学性能也得以改善。Mg-3Al系合金的平均晶粒尺寸可从650.34μm降低到95.36 μm (Mg-3Al-2.0SiC),铸态Mg-3Al-O.8SiC合金的抗拉强度及压缩断裂强度可达到194 MPa、 298 MPa,延伸率12%,较同批次Mg-3A1合金分别提升了～15MPa、～24MP延伸率增加4%；在铸态Mg-6A1合金中添加1.5wt.%SiC后的压缩性能最优,断裂强度达到了363 MPa,较Mg-6A1合金提升了～48 MPa,延伸率为～15%。此外,基于对铸态组织的TEM表征,弄清了SiC对Mg-Al系合金的细化机制：即SiC不直接作为形核位点,而是先与A1反应释放出单质Si, Si较高的长抑制能力(Q=9.25)使部分Si在凝固过程中发挥了溶质分离效应,促进晶粒细化；部分Si则与Mg结合生成Mg_2Sio edge-to-edge模型计算表明Mg_2Si与Mg_(17)Al_(12)之间存在位相关系(?)Mg_(17)Al_(12)/(202)Mg_2Si(夹角0.48°),(?)Mg_2Si// (?)Mg17A112和(?)Mg17A112/(?)Mg_2Si(夹角0.48°),(?)Mg_2Si//(?)Mg_(17)Al_(12),这使得Mg_2Si可成为第二相Mg_(17)Al_(12)的形核位点,并改变其形貌和分布,尤其是在Mg-3A1体系中,Mg_(17)Al_(12)不再在晶界处或三角晶区呈片状或网状析出,而是在晶粒内部以分散的、颗粒状的形式析出。被分散的Mg_(17)Al_(12)相可作为α-Mg基体的形核质点,从而起到晶粒细化的效果。衍射斑分析和菊池线匹配验证了Mg_2Si与Mg_(17)Al_(12)之间的匹配关系。首次将低成本的SiO_2粉末添加至Mg-Al合金得到了很好的晶粒细化效果。Mg-3A1合金的平均晶粒尺寸为650.34μm,添加0.5 wt.% SiO_2后降低到了86.77μm。增加SiO_2含量至1.5 wt.%,铸态合金的屈服强度和抗拉强度继续提升至87 MPa和190 MPa,延伸率9.5%,较同批次Mg-3A1合金性能(屈服强度和抗拉强度分别为～79 MPa和～180 MPa,延伸率8.1%)略微提高；铸态Mg-3Al-SiO_2和Mg-6Al-SiO_2合金的最高压缩断裂强度分别可达～298 MPa和～325 MPa,表明这一成分范围SiO_2的添加可改善Mg-3Al合金的力学性能。值得注意,细晶的Mg-Al-SiO_2铸态合金经挤压变形后晶粒尺寸进一步细化,晶粒尺寸仅为15-18 μm,较挤压态Mg-6A1的平均晶粒尺寸(～50μm)显著降低。挤压态Mg-6Al-SiO_2合金的屈服强度和抗拉强度最高可达219 MPa和297 MPa,相较Mg-6A1合金分别提升了62 MPa和57 MPa,延伸率为13.6%：压缩断裂强度最高达～447 MPa,延伸率为-12%,变形后的合金性能提高明显。研究表明,添加A1和SiO_2的顺序、保温时间以及冷却速度等因素均会对合金的晶粒细化效果产生影响,这主要是同合金中生成的Mg_2Si相的数量和析出行为有关。低冷速下(1K/sec)合金的晶粒细化效果较高冷速(3K/sec)的更加明显。在冷速为1K/sec时,Mg完全熔化后先加入A1再加入SiO_2保温10min的晶粒细化效果最佳,晶粒尺寸从1092.45μm (Mg-3A1)降低到了379.07μm(Mg-3Al-2.0 SiO_2),减小了近2.5倍。衍射斑分析和菊池线标定表明该合金体系生成的Mg_2Si相与Mg基体之间不存在位相关系,说明Mg_2Si相不是Mg相的形核核心,晶粒细化效果是被分解出来的单质Si(Q=9.42)与合金中的A1溶质效应的共同作用。添加合金元素Sn也可对Mg-Al合金产生较好的晶粒细化效果,铸态Mg-Al-Sn合金的晶粒尺寸从940.72μm最低可降至435.47μm (AT310)。铸态Mg-6Al-0.2Sn合金的压缩屈服和断裂强度分别达到107 MPa和352 MPa,较同批次铸态Mg-6A1合金分别提高了32 MPa和17 MPa；随着Sn含量的增加,铸态Mg-6A1-Sn合金压缩屈服和断裂强度分别最高可达124 MPa和360 MPa,延伸率达到～32%。通过衍射斑分析和菊池线标定验证了Mg_2Sn与Mg_(17)Al_(12)之间存在位相关系：(?)Mg17A112//(20 2)Mg_2Sn(夹角3.96),(?)Mg_2Sn//(?)Mg17A112和(114)Mg17A112//(022)Mg_2Sn(夹角0.40°),(?)Mg_2Sn//(?)Mg17A112,且Mg_2Sn先于Mg_(17)Al_(12)在500℃左右生成(Mg_(17)Al_(12)在450℃左右生成),证明Mg_2Sn可以Mg_(17)Al_(12)的异质形核心。弥散分布的Mg_(17)Al_(12)相可对α-Mg基体产生很好的晶粒细化效果。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292

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本文编号：1596541