功率超声—溶质协同作用对铝及其合金的组织影响研究

发布时间：2017-09-05 05:12

  本文关键词：功率超声—溶质协同作用对铝及其合金的组织影响研究

  更多相关文章： 铝合金 超声振动 晶粒细化 生长抑制因子 形核粒子

【摘要】：纯铝具有密度小、熔点低、塑性高、导电导热性好、反射性高等特点,但强度和硬度低,不能用来制造承载的机械零件。以它为基配置的多种系列的铝合金都具有各自的特点,铝合金因其比强度高、耐腐蚀、易于回收等优异性能,在机械方面、交通方面、航空与军事等领域都有很大的应用,在国防和人民生活中占据着重要的地位。由于铝合金的晶粒大小和组织形态直接影响着铝合金的性能,要想获得优良性能,关键在于将原有的大型枝晶破碎,得到细小、均匀的等轴晶粒。利用超声波在液体中传播时会产生空化、声流、机械等特殊效应,通过这些效应可除气、除渣、减少成分偏析,细化晶粒。因此研究功率超声-溶质元素协同处理对铝及其合金的显微组织影响具有极其重要的理论意义和实际价值。本文在超声与未超声条件下,添加七种溶质元素(Cu、Mg、Si、Ti、Nb、Zr、V)到熔融的铝液中,通过光学显微镜(OM)观察、扫描电子显微镜(SEM),能谱分析(EDS),X射线衍射(XRD)等分析手段,研究了不同生长抑制因子Q时,超声-溶质对铝及其合金的组织影响规律与机制。取得了以下研究成果:对于铝合金铸锭,超声处理时,等轴晶区域出现在铸锭内部,且随着溶质元素的增加而增多,晶粒细化效果明显;包晶溶质元素(Ti、Nb、Zr、V)与共晶溶质元素(Cu、Mg、Si)的添加相比,显微组织的晶粒更均匀、细小。超声-溶质协同作用时,超声处理只改变第二相的形貌,并未改变第二相的种类。由于超声波的空化效应和声流效应,加剧了金属液的流动,此时局部形成的气泡发生破裂,产生瞬时压力,从而使合金的二次枝晶间距和第二相得到细化,部分区域的晶粒从树枝晶转变成等轴晶,且在一定范围内,随着溶质元素的增多,晶粒细化效果越明显。包晶溶质元素的形核能力比共晶溶质元素强。包晶溶质元素含量低于最大溶解度Cm时,晶粒大小的细化机制与添加共晶溶质是同理的,晶粒尺寸随着合金成分的增加而减小,且近似地与1/Q成线性关系;共晶溶质元素含量大于最大溶解度Cm时,晶粒尺寸随着合金成分的增多而变大,但包晶溶质元素含量大于最大溶解度Cm时,Q值不变,晶粒尺寸却继续减小,此时晶粒细化与Q值无关,晶粒尺寸不与1/Q成线性关系。作为试验的部分结果如下:超声条件下,随着包晶溶质元素Ti(Cm=0.15%Ti)的含量逐渐增加,晶粒尺寸大约从260μm减到75μm。包晶溶质元素Zr(Cm=0.11%Zr)的含量为0.1wt.%时,晶粒尺寸为240μm;含量为0.2wt.%时,晶粒尺寸减小到125μm;含量为0.3wt.%时,晶粒尺寸继续减小到116.5μm。添加共晶溶质元素Cu、Mg、Si时,铝合金的晶粒细化主要是添加合金元素时通过溶质偏析引起的成分过冷造成的;包晶溶质元素Ti、Nb、Zr、V的晶粒细化不仅通过溶质偏析,更重要的是通过异质成核引入Al_3Ti、NbAl_3、Al_3Zr、Al_3Zr_4、Al_3V、Al_(21)V_2等有效的形核粒子。
【关键词】：铝合金 超声振动 晶粒细化 生长抑制因子 形核粒子
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 铝及铝合金的概述10-12
• 1.2.1 铝和铝合金发展历史10
• 1.2.2 铝的性能及其应用10-11
• 1.2.3 铝及铝合金的分类11-12
• 1.3 金属的结晶机理12-15
• 1.3.1 金属结晶的基本条件12-13
• 1.3.2 金属结晶的过程13-14
• 1.3.3 影响铝合金晶粒大小的主要因素14-15
• 1.4 铝合金晶粒细化的主要方法15-17
• 1.5 超声波在金属凝固过程中的应用和研究进展17-23
• 1.5.1 超声波概述及应用17-18
• 1.5.2 超声振动细化晶粒方面的研究现状18-23
• 1.6 研究目的23-25
• 第2章 研究内容和实验方法25-34
• 2.1 研究内容25
• 2.2 试验材料、试验设备及测试仪器25-30
• 2.2.1 试验材料25-26
• 2.2.2 试验常规设备与测试仪器26-27
• 2.2.3 超声振动装置27-28
• 2.2.4 超声波清洗装置28-30
• 2.3 实验方法30-34
• 2.3.1 工艺流程30-31
• 2.3.2 超声振动法制备试样31-32
• 2.3.3 超声波导入方式设计32-33
• 2.3.4 试验条件的简化假设33-34
• 第3章 超声-溶质对铝及其合金显微组织的影响34-51
• 3.1 宏观组织的观察35-37
• 3.2 超声振动对同一试样表面不同部位的凝固组织的影响37-41
• 3.3 超声-共晶溶质元素对铝及其合金显微组织的影响41-44
• 3.4 超声-包晶溶质元素对铝及其合金显微组织的影响44-47
• 3.5 铸锭晶粒细化的大小分析47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 超声-溶质协同处理对铝及其合金显微组织影响机制51-62
• 4.1 晶粒尺寸与Q的关系51-52
• 4.2 晶粒尺寸与 1/Q的关系52-53
• 4.3 超声-溶质协同作用对铝及铝合金显微组织的影响机制53-61
• 4.3.1 超声条件下共晶合金系的显微组织53-58
• 4.3.2 超声条件下包晶合金系的显微组织58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-67
• 攻读硕士期间发表论文67-68
• 致谢68-69

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