Mg-Sn-Zn-Ca合金的微观组织与力学行为研究

发布时间：2017-09-20 03:15

  本文关键词：Mg-Sn-Zn-Ca合金的微观组织与力学行为研究

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【摘要】：镁合金具有比强度高、比刚度高、导热导电性能好、阻尼减振性好、电磁屏蔽能力强、易于铸造和切削加工和容易回收等诸多优点,在军工、通讯、航空、民用等多个领域都发挥着越来越重要的作用。但由于该材料绝对强度偏低、高温力学性能差、常温下塑性变形能力差、易腐蚀等一系列的缺点使其在应用方面仍然受到很大的限制。与传统的铸造镁合金相比,变形镁合金在强度、尺寸精度、延展性等各方面都具备更为优越的性能。研究与开发新型变形镁合金及其生产工艺已成为镁合金发展领域中的重要课题。针对上述问题,本论文进行了以下研究：(1)设计合金成分并依托真空熔炼技术获取一系列不同元素含量的Mg-Sn-Zn-Ca合金铸锭；(2)铸态Mg-Sn-Zn-Ca合金的显微组织；(3)通过Gleeble热模拟实验研究不同温度、应变速率对合金应力应变特点、显微组织的影响。(4)热挤压Mg-Sn-Zn-Ca合金的显微组织、织构特征及力学性能；(5)固溶和时效处理对Mg-Sn-Zn-Ca合金组织和性能的影响；主要研究结果如下：铸态Mg-Sn-Zn-Ca合金由α-Mg基体、Mg2Sn相、CaMgSn相以及少量的α-Mg和Mg4Zn7的离异共晶组织组成。Sn元素增加可改善铸态合金的树枝晶组织,使合金等轴化；Mg2Sn相逐渐由弥散分布的颗粒状析出物转变为沿晶分布的不连续的网状析出物。Ca元素增加使具有更高的热力学稳定性的CaMgSn相的析出增多,并由片针状逐渐向板条状发生转变,在一定程度上抑制Mg2Sn相的形成,使Mg2Sn相逐渐减少。Mg-5Sn-3Zn系列铸态合金在热压缩过程中,材料的流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的升高而升高,为正应变速率敏感材料。热压缩后合金的第二相沿垂直于压缩方向呈线性分布。相同温度下,动态再结晶随应变速率的降低而进行的更为充分,晶粒尺寸更为均匀。Ca元素对材料的低温塑性产生不利影响,含量越高,影响越严重。200℃、300℃较低温度下热压缩,合金应力峰值随Ca含量的增加呈下降趋势；400℃高温状态下,0.5 wt.% Ca元素的加入量对合金的力学性能有一定的改善作用。挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金的微观组织由铸态的树枝晶和粗大的等轴晶转变为细小的等轴晶粒与较粗大的变形晶粒共存,并沿挤压方向形成纤维组织,呈现为{0002}纤维织构,Sn, Ca含量的升高使织构强度逐步弱化。合金平均晶粒尺寸15～20 μm,Sn含量由3.5wt.%上升至5wt.%,合金的平均晶粒尺寸降低2-4 μtm；随Ca含量增加,合金的平均晶粒尺寸先降低后升高。与铸态相比,合金第二相的数量、尺寸下降,形状和分布也发生改变。沿晶分布的不连续网状Mg2Sn相转变为分布于晶内的极细小的颗粒状、不规则片状或颗粒状析出物；带有花斑样内部结构的球状或不规则球状的a-Mg和Mg4Zn7的离异共晶组织消失；片针状或板条状CaMgSn相转变为辐射花状析出物和断裂或碎裂的板条状析出物以及碎断后细小的片针状析出物。所有析出物均沿挤压方向呈线性分布。固溶处理后合金的晶粒尺寸上升至20～25μm；原有的粗大的变形晶粒被长大的再结晶晶粒取代,尺寸更为均匀；合金中第二相基本呈弥散分布。时效后合金的晶粒尺寸较单纯固溶处理后的更为均匀,而第二相尺寸细小、弥散分布在合金内。挤压后合金的硬度约53-59 HV0.1、抗拉强度264～279 MPa、延伸率15.19%～21.85%,Ca元素使合金的硬度值上升,随Ca含量的增加抗拉强度先上升后下降,延伸率逐步降低。固溶和时效可显著提升Mg-Sn-Zn合金硬度,但时效使Mg-Sn-Zn-Ca合金的硬度值降低。对热挤压后的合金进行固溶和时效处理,合金抗拉强度无明显提升,延伸率有所下降。
【关键词】：Mg-Sn-Zn-Ca合金 真空感应熔炼 热挤压 显微组织 力学性能
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 引言16
• 1.2 镁及镁合金概述16-20
• 1.2.1 镁及镁合金的性质16-17
• 1.2.2 镁及镁合金的研究与发展现状17
• 1.2.3 镁合金的主要应用17-20
• 1.3 镁的合金化20-22
• 1.4 镁合金的挤压成型工艺22-25
• 1.4.1 挤压成型工艺的特点22-24
• 1.4.2 挤压成型工艺的工艺参数24-25
• 1.5 镁合金的热处理工艺25-27
• 1.5.1 退火处理25-26
• 1.5.2 固溶处理26
• 1.5.3 固溶处理+人工时效26-27
• 1.6 课题研究内容及意义27-28
• 第二章 实验材料和实验方法28-32
• 2.1 实验方案28-29
• 2.2 合金的制备与处理工艺29-30
• 2.2.1 合金的熔炼29
• 2.2.2 合金的热处理29
• 2.2.3 合金的挤压29-30
• 2.2.4 合金的热压缩实验30
• 2.3 微观组织分析30-31
• 2.3.1 金相观察(OM)30
• 2.3.2 扫描电子显微镜观察(SEM)30
• 2.3.3 X射线衍射分析(XRD)30-31
• 2.4 力学性能测试31-32
• 2.4.1 拉伸力学性能测试31
• 2.4.2 硬度测试31-32
• 第三章 铸态Mg-Sn-Zn-Ca合金微观组织的研究32-51
• 3.1 合金成分设计32-35
• 3.2 铸态合金的组织及相组成35-50
• 3.2.1 铸态合金的金相组织研究35-38
• 3.2.2 铸态合金的XRD分析38-39
• 3.2.3 铸态合金的SEM观察及EDS分析39-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第四章 Mg-Sn-Zn-Ca合金热压缩变形行为及组织的研究51-60
• 4.1 前言51
• 4.2 实验准备及相关参数51-52
• 4.3 应力-应变曲线52-56
• 4.4 热压缩对合金组织的影响56-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 热挤压Mg-Sn-Zn-Ca合金显微组织与力学行为研究60-88
• 5.1 变形方式的选择60
• 5.2 挤压工艺对Mg-Sn-Zn-Ca合金组织的影响60-74
• 5.2.1 工艺参数的确定60-62
• 5.2.2 挤压变形后Mg-Sn-Zn-Ca合金的显微组织62-74
• 5.3 热处理工艺对挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金组织的影响74-79
• 5.3.1 固溶处理对挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金组织的影响74-76
• 5.3.2 固溶+时效处理对挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金组织的影响76-79
• 5.4 热处理前后挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金力学性能的研究79-82
• 5.4.1 热处理前后挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金显微硬度的研究79-81
• 5.4.2 热处理前后挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金拉伸性能的研究81-82
• 5.5 挤压态Mg-Sn-Zn-Ca合金织构的研究82-86
• 5.6 本章小结86-88
• 第六章 结论88-90
• 参考文献90-96
• 致谢96-98
• 附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果98-100
• 学位论文评阅及答辩情况表100

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本文编号：885569