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原位反应生成粒子增强镁基复合材料的组织与性能

作　者: 王连登
导　师: 傅高升
学　校: 福州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 原位反应 镁基复合材料 Mg2Si增强相 MgO增强相 显微组织 力学性能 Sr变质
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


本文针对镁合金的高温强度与蠕变性能较差，长期使用时温度不能超过120℃，采用原位反应生成技术，在真空感应炉中使用Ar气保护，使反应添加物与镁液原位反应生成Mg2Si/MgO增强镁基复合材料；采用OM，ESEM，EDAX和XRD等现代分析析方法及拉伸试验等，探讨了添加物与Mg原位反应生成增强相的热力学、动力学特性及其可行性，初步建立原位反应增强的反应模型；探讨了制备镁基复合材料的工艺因素对纯镁基复合材料组织的影响规律，并选择Si与ZM5反应生成所需的增强相作为研究对象，探讨了Si含量对Mg2Si/ZM5组织与力学性能的影响规律，并初步研究了Sr对原位反应生成的增强相Mg2Si的变质效果及作用机理。获得了以下主要研究结果： 1．反应添加物如Si、SiO2、Al4（SiO4）3（硅酸铝）、Al2（SO4）3、B2O3、Al2O3等均能与Mg液原位反应生成所需要的增强相Mg2Si、MgO，但其中Al2O3由于反应温度过高，并不适合作为反应添加物。 2．反应添加物Si、SiO2等与镁液原位反应生成的增强相Mg2Si、MgO可明显提高纯镁基的力学性能，如加2.5％Si的纯镁基复合材料的室温和高温屈服强度可分别提高85.3％、74.4％；加5％SiO2的纯镁基复合材料室温和高温屈服强度可分别提高106.8％、72.9％；加5％硅酸铝后，材料的室温和高温屈服强度可分别提高64.6％、82.6％。但增强相Mg2Si、MgO的形成降低了材料的伸长率。 3．工艺因素（如熔炼工艺、搅拌工艺、反应添加物的粗细等）对MgO/Mg2Si增强纯镁基复合材料显微组织具有明显的影响作用。采用机械搅拌方法可明显提高复合材料组织中原位反应生成的增强相的分布均匀性；添加物粒子的最佳尺寸为50-100μm；添加物（SiO2）的预处理也可以进一步提高原位反应生成的粒子的分布均匀性，改善材料组织的均匀性。 4．在ZM5合金中加入Si后，其铸态组织中除Mg17Al12相存在外，还可原位反应生成高硬度、高模量、高熔点、热稳定性好的Mg2Si弥散增强相，主要分布于晶内和晶界处。当Si含量小于0.5％时，在ZM5中主要形成共晶的细小短棒状或片状的Mg2Si相，Si含量大于1.0％时，出现了比较粗大的块状或汉字状初生Mg2Si相和片状或短棒状的共晶Mg2Si相，并随着Si含量的增大而增多增粗。经T6热处理后，ZM5中的过饱和固溶体不经过任何中间阶段直接析出非共格的平衡相γ，并以连续和非连续析出两种方式在晶内与晶界中形成。Si的加入会使晶界处的Mg17，Al12相的非连续析出减少，促使晶内连续析出相的形成，且Si对镁基合金晶粒组织有一定的细化作用。时效过程对于Mg2Si相的大小、形态没有影响。 5．ZM5中加入Si形成的Mg2Si/ZM5复合材料，其铸态与热处理（T6）态室温与高温（200℃）强度比ZM5有明显的提高，当Si含量为1.0％～1.5％时，铸态的抗拉强度分 福州大学硕士学位论文一别为184．54Wa与187．33Wa，提高幅度分别可达20o与15o，屈服强度提高幅度分别达，61．5％、25厂％；但伸长率均降低。经T6热处理后，与铸态相比，室温和高温强度均有明一显提高，如 0．5％St时，室温抗拉强度和屈服强度的提高幅度分别为 43．l％、33．0％，1．5％St。时，高温抗拉强度与屈服强度的提高幅度为13．9％、18．0％。当山含量超过一定值后，出。现了块状或汉字状的粗大MgZSi相，常温和高温力学性能又有所降低。室温或高温Q00℃)一下铸态 MgZSi ／ZMS复合材料的主要断裂方式为准解理断裂；经 T6热处理后，断裂方式变。成以解理断裂为主。。 6．在 150℃，50Wa试验条件下，与 ZMS相比，Mg布 的抗蠕变性能得到明显。提高，蠕变速率明显降低，仅为Z＊5的33．4％，蠕变寿命为208h，是ZMS的1．5倍；在一175℃，50MPa试验条件下，Mg布 的蠕变寿命也得到明显提高（为 17lhX与 ZMS一相比，提高了 5．9倍：此外，St的加入，提高了 MgZSi／ZMS的蠕变激活能，表明了其蠕j变抗力得到显著提高，因此在 ZMS中加入a后形成的第二相 Mg￡ i对于提高 ZMS的高温。蠕变性能的效果显著。。 7石r对 Mg水 复合材料中的增强相 Mg布有着较明显的变质效果。对含 5刀％St、j2刀％St与0．5％St的Mg术 复合材料，加入Sr后，Mg￡ 相可由粗大的汉字状、块状｝或树枝状变为细小、多角形的块状，并可细化基体的晶粒组织，明显提高了材料的力学性一2能，在高温强度提高的同时，高温塑性还得到较大幅度的提高。对含2．0防 的Mg￡万 之复合材料，加 0．5％Sr时，与未加 Sr相比，室温抗拉强度、屈服强度和伸长率提高幅度分 j别为 23．8％、34．5o、24二6O；］JO 0．3％Sr时，高温抗拉强度、屈服强度和伸长率提高幅度。分另为 10．7O、ZI．7O、245．40，毛长率比未力 Sr的提高了 3．5倍，含2·0％St的Mg。St／ZM5）复合材料中Sr的最佳加入量为0．1％－0．5％。同时材料的硬度随着Sr含量的增加呈上升趋：势。未加 Sr的Mg企尼 复合材料(含2．0％St或0．5％StL其室温或高温下的断裂机制j主要为准解理断裂，Sr加入后，改变了Mg水化 复合材料的断裂方式，变为准解理和｝韧窝的混合型?

全文目录


中文摘要  2-4
英文摘要  4-9
第一章 文献综述  9-24
  1．1 前言  9
  1．2 镁合金性能的基本特征  9-10
  1．3 镁的物理化学特性  10-12
  1．4 国内外镁合金的应用状况  12-15
    1．4．1 镁合金在汽车上应用  12-13
    1．4．2 镁合金在电子工业上的应用  13
    1．4．3 镁合金在其它方面的应用  13
    1．4．4 目前镁合金运用中存在的问题  13-14
    1．4．5 我国镁合金的发展机遇、挑战与前景  14-15
  1．5 镁合金合金化原理及其研究热点  15-17
    1．5．1 合金元素及其作用  15-16
    1．5．2 各种合金化强化原理  16-17
  1．6 当前镁合金研究的主要方面  17-19
  1．7 颗粒增强镁基复合材料制备工艺特点  19-21
  1．8 本文研究的目标及主要内容  21-23
  1．9 本章小结  23-24
第二章 实验研究方法  24-32
  2．1 增强相及反应添加物的选择与确定  24-26
  2．2 原材料准备  26
  2．3 合金的熔炼设备及工艺  26-28
  2．4 拉伸试样制备和热处理  28-29
  2．5 力学性能测试  29-30
  2．6 微观组织分析  30-32
第三章 反应添加物在镁液中原位反应的热力学动力学分析  32-47
  3．1 反应添加物与镁液原位反应的热力学计算  32-34
    3．1．1 化学反应标准自由能的计算  32
    3．1．2 几种反应添加物的自由能计算与分析  32-34
  3．2 几种反应添加物在镁合金中反应动力学初探  34-39
    3．2．1 几种添加物在镁液中反应后的组织  34-39
  3．3 反应添加物对镁基复合材料力学性能的影响  39-42
    3．3．1 添加反应物后镁基复合材料的力学性能  39-40
    3．3．2 分析讨论  40-42
  3．4 几种添加物在镁液中的反应过程  42-46
    3．4．1 SiO_2与镁合金液的反应过程  42-43
    3．4．2 SiO_2与镁液反应模型的初步建立  43-44
    3．4．3 B_2O_3与镁液的反应过程  44-45
    3．4．4 Si与镁液的反应过程  45-46
  3．5 本章小结  46-47
第四章 工艺因素对MgO／Mg_2Si增强纯镁基复合材料组织的影响  47-58
  4．1 熔炼工艺的确定  47-48
  4．2 机械搅拌对增强相组织均匀性的影响  48-51
  4．3 反应添加物尺寸对镁基材料组织的影响  51-52
  4．4 反应添加物的预处理对镁基复合材料组织的影响  52-55
  4．5 锶元素对增强相Mg_2Si形貌的影响  55-57
  4．6 本章小结  57-58
第五章 Si含量对Mg_2Si增强ZM5基复合材料组织和力学性能的影响  58-76
  5．1 Si在ZM5基体中的铸态组织特征  58-59
  5．2 Si含量对Mg_2Si／ZM5基复合材料组织的影响  59-64
    5．2．1 ZM5的铸态组织特征  59-60
    5．2．2 Si含量对Mg_2Si／ZM5基复合材料铸态组织的影响  60-62
    5．2．3 Si含量对热处理Mg_2Si／ZM5复合材料热处理态组织的影响  62-64
  5．3 Si含量对铸态与热处理态Mg_2Si／ZM5复合材料力学性能的影响  64-67
    5．3．1 Si含量对ZM5铸态与热处理态室温力学性能的影响  64-66
    5．3．2 Si含量对ZM5铸态与热处理态高温力学性能的影响  66-67
  5．4 拉伸断口分析  67-70
    5．4．1 室温拉伸断口分析  67-68
    5．4．2 高温拉伸断口分析  68-70
  5．5 Si对Mg_2Si／ZM5高温蠕变性能的影响  70-75
    5．5．1 试验结果  70-71
    5．5．2 蠕变断口分析  71-73
    5．5．3 分析讨论  73-75
  5．6 本章小结  75-76
第六章 Sr对ZM5基复合材料中Mg_2Si增强相的变质作用  76-87
  6．1 Sr含量对Mg_2Si／ZM5复合材料组织的影响  76-79
  6．2 Sr含量对Mg_2Si／ZM5复合材料力学性能的影响  79-82
    6．2．1 Sr含量对2．0％Si的Mg_2Si／ZM5复合材料力学性能影响  79-81
    6．2．2 Sr含量对0．5％Si的Mg_2Si／ZM5复合材料力学性能影响  81-82
  6．3 断口特征分析  82-83
  6．4 Sr在Mg_2Si／ZM5复合材料中的存在形式及其变质机理初探  83-86
  6．5 本章小结  86-87
结论  87-91
参考文献  91-94
致谢  94-95
个人简历  95
硕土期间论文发表情况  95

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属复合材料
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