Mg-Al-Zn-RE（Ce、Y、Gd）合金中元素固溶及固溶强化作用研究
发布时间：2021-07-24 18:39
AZ系镁合金是镁合金的重要系列,在许多领域已经得到了实际应用。为了提升AZ系镁合金的力学性能,包括稀土元素在内的许多元素被用于该系镁合金的合金化处理。它们在AZ系镁合金中以多种存在形式,通过各种机制影响合金的力学性能。固溶是合金元素在AZ系镁合金中的重要存在形式,对α-Mg固溶体基体组织具有固溶强化作用,是合金重要的强化机制。而对于固溶强化作用,它既与元素的固溶程度有关,也与固溶元素的强化效率有关。因此,了解AZ镁合金中元素的固溶程度和固溶强化效率是把握镁合金中元素的固溶作用效果的前提和基础。但是,就AZ系合金以及添加稀土等元素进行进一步合金化的合金而言,目前都缺少相应的固溶量数据,更缺乏对多元合金中元素固溶能力变化原因的分析,同时不同元素的固溶强化效率及其机制也不甚清楚。为此,本工作首先探索建立了AZ镁合金以及添加稀土的AZ-RE镁合金元素固溶量的测定方法,在此基础上,实测了AZ和AZ-RE（Ce、Y、Gd）实验镁合金在多种凝固冷却速度下（压铸非平衡凝固和控温近平衡凝固）的元素固溶量,对合金组成和凝固冷却速度条件影响元素固溶量的规律以及原因进行了分析讨论,同时对不同元素影响固溶体力学...
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Mg-Al合金相图
第一章绪论5中的含量不会超过10%，因而当Al含量低于10%时，Mg合金的液固相线随着熔体中Al量的增加均降低，这样可以降低镁合金的熔炼和浇注温度，而且有利于减少溶液的氧化和燃烧，从而改善镁合金的铸造性能。Al在Mg中的固溶强化作用及时效强化作用可以提高Mg合金的抗拉强度[37]。有研究结果表明，当合金中的Al大于4%时，Mg-Al合金的耐腐蚀性能迅速提高，其原因是Al含量的增加导致析出更多的Mg17Al12相，Mg17Al12相比α-Mg基体更耐腐蚀。图1-2Mg-Al合金相图Fig.l-2BinaryAlloyPhaseDiagramofMg-AlZn也是AZ镁合金中重要的合金元素，Zn在Mg-Al-Zn系耐热铸造镁合金中对力学性能有重要的影响，一方面表现为自身的固溶强化，另一方面少量的Zn能增加Al在Mg合金中的溶解度，提高Al的固溶强化效果，由于Zn是以固溶态存在于α-Mg相中，从而使合金的室温强度得到提高。343℃时在镁中的固溶度可以达到6.2%，根据Mg-Zn二元相图（图1-3），100℃时Zn在镁中的固溶度为1.98%左右。可以提高图1-3Mg-Zn合金相图Fig.l-3BinaryAlloyPhaseDiagramofMg-Zn
内蒙古工业大学博士学位论文6铸件的抗蠕变性能，同时还能提高合金的抗腐蚀性能[38]。而且Zn的熔点较低，具有与Mg相同的晶体结构（hcp），具有固溶强化和时效强化的双重作用[39]。AZ镁合金中，一般而言，Al含量<10%，Zn含量<1%，Mg在合金中的质量比大于89%，图1-4所示为Mg-Al-Zn三元合金平衡相图的镁角部分，合金的组织主要有初晶α-Mg和Mg17Al12组成，Zn在AZ镁合金中不参与任何的化学反应，且加入量较少，很多文献报道Zn基本固溶于α-Mg中。在平衡凝固过程中，随着温度的降低，在熔体中会结晶出初晶α-Mg，随着温度的降低，初晶α-Mg越来越多，液相越来越少，液相的成分会随着液相面变化，固相的成分随着固相面变化，当温度与固溶度曲面相交时，会在α-Mg内部脱溶出β-Mg17Al12相，主要以块状或者点状存在于晶粒内部。Al含量越高，Mg17Al12量越多。但在铸件中β-Mg17Al12几乎是以共晶相的形式出现的，以不规则网状结构分布于初晶α-Mg的晶界处或枝晶之间。因为常规的铸造过程基本都属于非平衡凝固，在非平衡凝固过程中，由于冷却速度较快，在冷却到固相线以下时，液相仍然存在，当温度正好达到共晶温度，液相成分也正好满足共晶成分时会发生共晶反应生成共晶α-Mg以及共晶Mg17Al12，但是由于初晶α-Mg较多，所以共晶α-Mg会依附于其上生长，将共晶Mg17Al12置于晶界处或枝晶间，称之为离异共晶Mg17Al12。Al含量越高，液相线温度越低，结晶温度区间越宽，剩余液相越多，越容易发生共晶反应，离异共晶Mg17Al12量越多。不论是脱溶析出的Mg17Al12相还是发生共晶反应来的Mg17Al12相都是室温下的主要强化相，但是Mg17Al12的熔点非常低（473℃），所以AZ合金存在热稳定性较差这一现?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Al-RE（La,Y）合金相稳定性与固溶度的第一性原理[J]. 王海燕,高雪云,曾建民,任慧平,赵艳君. 稀有金属材料与工程. 2017(03)
[2]稀土元素钕含量对AM60镁合金组织和力学性能的影响[J]. 刘小兰. 轻合金加工技术. 2015(02)
[3]Effects of calcium, samarium addition on microstructure and mechanical properties of AZ61 magnesium alloy[J]. 陈玉安,金李,方丹,宋裕,叶睿宇. Journal of Rare Earths. 2015(01)
[4]AZ91-0.75Ce稀土镁合金差热分析及β相形成规律[J]. 张燕龙,杨伟,周珍珍,陈胜娜,陈寿辉,夏卫. 特种铸造及有色合金. 2014(05)
[5]稀土Ce和Y对AZ80镁合金组织和力学性能的影响[J]. 王军,朱秀荣,徐永东,王荣,聂景江,张立君. 中国有色金属学报. 2014(01)
[6]Sn添加对Mg-3.8Zn-2.2Ca镁合金铸态显微组织和力学性能的影响[J]. 杨明波,郭廷长,李洪亮,段成宇,张佳. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[7]镁合金的研究现状及应用[J]. 白志玲. 科技广场. 2013(06)
[8]AZ31镁合金微区电偶腐蚀的数值研究[J]. 高福勇,赵明,何广平,方克明. 北京科技大学学报. 2013(05)
[9]冷却速度对Mg-5Al-0.5Y合金组织和性能的影响[J]. 王武孝,关蕾,杨建东,张莎. 特种铸造及有色合金. 2012(02)
[10]稀土元素对镁合金晶粒细化的研究[J]. 袁付庆,张静,方超. 热加工工艺. 2012(02)
博士论文
[1]Mg-Al系压铸镁合金显微组织对力学性能和腐蚀性能影响的研究[D]. 姜巍.吉林大学 2017
[2]AZ、ZK系镁合金中合金相提取工艺的研究[D]. 刘传璞.重庆大学 2007
本文编号：3301206
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Mg-Al合金相图
第一章绪论5中的含量不会超过10%，因而当Al含量低于10%时，Mg合金的液固相线随着熔体中Al量的增加均降低，这样可以降低镁合金的熔炼和浇注温度，而且有利于减少溶液的氧化和燃烧，从而改善镁合金的铸造性能。Al在Mg中的固溶强化作用及时效强化作用可以提高Mg合金的抗拉强度[37]。有研究结果表明，当合金中的Al大于4%时，Mg-Al合金的耐腐蚀性能迅速提高，其原因是Al含量的增加导致析出更多的Mg17Al12相，Mg17Al12相比α-Mg基体更耐腐蚀。图1-2Mg-Al合金相图Fig.l-2BinaryAlloyPhaseDiagramofMg-AlZn也是AZ镁合金中重要的合金元素，Zn在Mg-Al-Zn系耐热铸造镁合金中对力学性能有重要的影响，一方面表现为自身的固溶强化，另一方面少量的Zn能增加Al在Mg合金中的溶解度，提高Al的固溶强化效果，由于Zn是以固溶态存在于α-Mg相中，从而使合金的室温强度得到提高。343℃时在镁中的固溶度可以达到6.2%，根据Mg-Zn二元相图（图1-3），100℃时Zn在镁中的固溶度为1.98%左右。可以提高图1-3Mg-Zn合金相图Fig.l-3BinaryAlloyPhaseDiagramofMg-Zn
内蒙古工业大学博士学位论文6铸件的抗蠕变性能，同时还能提高合金的抗腐蚀性能[38]。而且Zn的熔点较低，具有与Mg相同的晶体结构（hcp），具有固溶强化和时效强化的双重作用[39]。AZ镁合金中，一般而言，Al含量<10%，Zn含量<1%，Mg在合金中的质量比大于89%，图1-4所示为Mg-Al-Zn三元合金平衡相图的镁角部分，合金的组织主要有初晶α-Mg和Mg17Al12组成，Zn在AZ镁合金中不参与任何的化学反应，且加入量较少，很多文献报道Zn基本固溶于α-Mg中。在平衡凝固过程中，随着温度的降低，在熔体中会结晶出初晶α-Mg，随着温度的降低，初晶α-Mg越来越多，液相越来越少，液相的成分会随着液相面变化，固相的成分随着固相面变化，当温度与固溶度曲面相交时，会在α-Mg内部脱溶出β-Mg17Al12相，主要以块状或者点状存在于晶粒内部。Al含量越高，Mg17Al12量越多。但在铸件中β-Mg17Al12几乎是以共晶相的形式出现的，以不规则网状结构分布于初晶α-Mg的晶界处或枝晶之间。因为常规的铸造过程基本都属于非平衡凝固，在非平衡凝固过程中，由于冷却速度较快，在冷却到固相线以下时，液相仍然存在，当温度正好达到共晶温度，液相成分也正好满足共晶成分时会发生共晶反应生成共晶α-Mg以及共晶Mg17Al12，但是由于初晶α-Mg较多，所以共晶α-Mg会依附于其上生长，将共晶Mg17Al12置于晶界处或枝晶间，称之为离异共晶Mg17Al12。Al含量越高，液相线温度越低，结晶温度区间越宽，剩余液相越多，越容易发生共晶反应，离异共晶Mg17Al12量越多。不论是脱溶析出的Mg17Al12相还是发生共晶反应来的Mg17Al12相都是室温下的主要强化相，但是Mg17Al12的熔点非常低（473℃），所以AZ合金存在热稳定性较差这一现?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Al-RE（La,Y）合金相稳定性与固溶度的第一性原理[J]. 王海燕,高雪云,曾建民,任慧平,赵艳君. 稀有金属材料与工程. 2017(03)
[2]稀土元素钕含量对AM60镁合金组织和力学性能的影响[J]. 刘小兰. 轻合金加工技术. 2015(02)
[3]Effects of calcium, samarium addition on microstructure and mechanical properties of AZ61 magnesium alloy[J]. 陈玉安,金李,方丹,宋裕,叶睿宇. Journal of Rare Earths. 2015(01)
[4]AZ91-0.75Ce稀土镁合金差热分析及β相形成规律[J]. 张燕龙,杨伟,周珍珍,陈胜娜,陈寿辉,夏卫. 特种铸造及有色合金. 2014(05)
[5]稀土Ce和Y对AZ80镁合金组织和力学性能的影响[J]. 王军,朱秀荣,徐永东,王荣,聂景江,张立君. 中国有色金属学报. 2014(01)
[6]Sn添加对Mg-3.8Zn-2.2Ca镁合金铸态显微组织和力学性能的影响[J]. 杨明波,郭廷长,李洪亮,段成宇,张佳. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[7]镁合金的研究现状及应用[J]. 白志玲. 科技广场. 2013(06)
[8]AZ31镁合金微区电偶腐蚀的数值研究[J]. 高福勇,赵明,何广平,方克明. 北京科技大学学报. 2013(05)
[9]冷却速度对Mg-5Al-0.5Y合金组织和性能的影响[J]. 王武孝,关蕾,杨建东,张莎. 特种铸造及有色合金. 2012(02)
[10]稀土元素对镁合金晶粒细化的研究[J]. 袁付庆,张静,方超. 热加工工艺. 2012(02)
博士论文
[1]Mg-Al系压铸镁合金显微组织对力学性能和腐蚀性能影响的研究[D]. 姜巍.吉林大学 2017
[2]AZ、ZK系镁合金中合金相提取工艺的研究[D]. 刘传璞.重庆大学 2007
本文编号：3301206
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