深冷后SMAT对AZ31镁合金显微组织和力学性能的影响

发布时间：2017-11-01 03:05

  本文关键词：深冷后SMAT对AZ31镁合金显微组织和力学性能的影响

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【摘要】：在科学与技术取得巨大进步的今天,铜、铝、铁、锌等金属矿产资源正在贫瘠化,环境污染日益严重,人们的节能减排和环境保护意识逐渐增强,工程材料的轻量化备受关注。镁合金被公认为新世纪的绿色工程材料,相较于铝合金、铜合金等其他金属合金,它具有比强度和比刚度高、减振性能好、切削加工性能好、磁屏蔽性优良等独特的优点。但是镁合金塑性差、绝对强度低、摩擦磨损性能差且容易被腐蚀,这些缺点极大地限制了其应用。表面机械研磨处理(SMAT)是新世纪后发展起来的一种表面改性技术,它通过使材料表面纳米化并形成一定厚度的梯度纳米结构,从而提高金属材料综合力学性能。然而,SMAT处理后,尽管合金的强度得到明显的提高,但延伸率却大幅下降,合金的综合力学性能并未显著提高。深冷处理是常规冷处理的延伸,它可以改善镁合金的组织均匀性,促进合金中第二相颗粒的析出,从而提高材料的强度、塑性和耐磨损等性能。本文基于提高AZ31镁合金综合力学性能的研究目的,采用深冷处理对AZ31镁合金进行预处理,然后再进行不同时间的SMAT处理。通过金相显微镜、X射线衍射、扫描电镜及透射电镜表征了深冷及深冷SMAT处理前后合金微观结构的变化,还测定了处理前后合金硬度、强度及延伸率等力学性能,讨论了深冷及深冷SMAT对AZ31镁合金微观结构和力学性能的影响,探讨了材料组织演变和性能改善的机理,得到如下结论:1.AZ31镁合金经过深冷处理后,显微组织方面晶粒更加细化且伴有更多更均匀的β-Mg颗粒的析出,合金的强度硬度略有增大,延伸率和断裂韧性获得大幅提高。深冷7d后,试样的平均晶粒尺寸由6.8μm细化至6.1μm,β-Mg颗粒的体积分数由1.1%增加至4.2%,且颗粒平均直径减小了40%。合金内晶粒的小幅细化使材料的强度硬度有所增加,更多且更均匀的第二相析出导致AZ31镁合金在塑性变形过程中更易发生孪生变形,深冷7d后合金的塑性大幅提升42.8%,断裂韧性显著提高49.2%,断裂机制呈现由准解理断裂向韧窝断裂转变的趋势。2.AZ31镁合金经过深冷SMAT处理后,表面层的晶粒细化至纳米级,形成了由表及里晶粒尺寸逐渐增大的梯度纳米结构;合金的强度、硬度显著提高,但塑性和断裂韧性却明显下降,深冷7d+SMAT 3min处理后试样的综合力学性能最好。随着SMAT时间的增加,深冷7d后的试样表面晶粒逐渐细化,梯度纳米结构层厚度和硬度逐渐增大,SMAT 6min后表面层晶粒细化至约38nm,梯度纳米层厚度可达147μm,硬度增大约51%。SMAT处理过程中的剧烈塑性变形会显著增大材料的位错密度,使位错运动受到阻碍,加工硬化率提高,从而降低AZ31镁合金的塑性和断裂韧性,合金的断裂机制由韧窝断裂向解理断裂转变。但同时合金的屈服强度和抗拉强度大幅增加,经SMAT 3min处理后达到最大值,分别提高约33.7%、32.3%。3.选取了深冷7d后的合金进行不同时间的SMAT处理,经过深冷与SMAT复合处理后,AZ31镁合金屈的服强度、抗拉强度明显提高,延伸率的降低程度减小,获得了良好的强度-塑性匹配,综合力学性能明显更优。在进行SMAT处理前进行深冷预处理可以使AZ31镁合金析出更多的β-Mg颗粒,且分布更加均匀。这些第二相颗粒在合金的SMAT处理过程中可以促进孪晶的形核并抑制孪晶长大,有利于材料剧烈塑性变形时应力的释放,减缓加工硬化率的下降趋势,从而降低SMAT处理对AZ31镁合金塑性的损害;同时,第二相颗粒能阻碍拉伸变形过程中位错的滑移和交错等运动,从而增大SMAT处理后AZ31镁合金的强度。
【关键词】：镁合金 深冷处理 表面机械研磨处理 梯度纳米结构 显微组织 力学性能
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 镁合金概述11-18
• 1.1.1 镁合金及其工业应用11-13
• 1.1.2 镁合金塑性变形机制13-16
• 1.1.3 镁合金的发展趋势16-18
• 1.2 深冷处理18-21
• 1.2.1 深冷处理概述18
• 1.2.2 深冷处理的机理18-19
• 1.2.3 镁合金深冷处理的研究19-21
• 1.3 表面梯度纳米化21-26
• 1.3.1 表面梯度纳米化概述21-22
• 1.3.2 表面梯度纳米化的方法22-24
• 1.3.3 镁合金表面机械研磨处理的研究24-26
• 1.4 选题意义和研究内容26-28
• 1.4.1 选题意义26-27
• 1.4.2 研究目标及内容27-28
• 第2章 研究路线和实验方法28-37
• 2.1 研究路线28-29
• 2.2 处理工艺29-30
• 2.2.1 深冷处理29-30
• 2.2.2 表面机械研磨处理30
• 2.3 显微组织结构分析方法30-35
• 2.3.1 金相观察30-31
• 2.3.2 X射线衍射31-32
• 2.3.3 扫描电镜观察32-33
• 2.3.4 透射电镜观察33-35
• 2.4 力学性能测试方法35-37
• 2.4.1 显微硬度35
• 2.4.2 拉伸性能35-37
• 第3章 深冷处理对AZ31镁合金的组织和力学性能的影响37-52
• 3.1 引言37
• 3.2 显微组织37-43
• 3.2.1 金相37-39
• 3.2.2 X射线衍射39-40
• 3.2.3 透射电镜40-43
• 3.3 力学性能43-49
• 3.3.1 显微硬度43-44
• 3.3.2 拉伸性能44-47
• 3.3.3 断口形貌和断裂功47-49
• 3.4 组织演变和性能改善的机理49-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第4章 深冷后SMAT对AZ31镁合金组织和力学性能的影响52-69
• 4.1 引言52
• 4.2 显微组织52-56
• 4.2.1 金相52-54
• 4.2.2 X射线衍射54-55
• 4.2.3 透射电镜55-56
• 4.3 力学性能56-64
• 4.3.1 显微硬度56-57
• 4.3.2 拉伸性能57-61
• 4.3.3 断口形貌和断裂功61-63
• 4.3.4 应变硬化行为63-64
• 4.4 SMAT过程中的表面纳米化机理64-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第5章 结论与展望69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-77
• 攻读学位期间的研究成果77

【参考文献】

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本文编号：1124938