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AZ31镁合金变质剂及其细化行为的研究

作　者: 黄维
导　师: 秦高梧；任玉平
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: AZ31镁合金 ε-AlMn相 ZnO纳米棒 AlCo相晶粒尺寸晶粒细化
分类号: TG146.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 77次
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内容摘要

镁合金被誉为二十一世纪的绿色工程材料,近年来在汽车、航空、通讯、电子、机械等领域得到广泛应用。但由于镁合金材料自身的强度低、塑性差、耐蚀性和高温性能差等原因,使得镁合金的应用远不及A1合金和Fe合金等传统金属材料。细化镁合金的铸态组织对于降低成本和提高其综合力学性能具有重要的现实意义。在镁合金各种细化方法中,在熔炼过程中添加变质剂最为简单且廉价,然而有关目前广泛应用的含Al镁合金的细化剂研究并没有突破性进展。因此,本研究通过X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)研究了三种变质剂,即Al-Mn中间合金、Al-Co中间合金及纳米ZnO对AZ31镁合金的细化行为,为进一步探索Mg-Al基镁合金变质剂细化机理,提高其综合力学性能提供有价值的参考。关于镁合金变质效果的表征目前还没有统一的标准,当前普遍采用的是400℃固溶处理时间(12-24h)后观察晶粒尺寸,而本研究发现铸态AZ31镁合金在400℃保温4h时就可以清晰地观察到α-Mg基体的晶界,从而提高了实验效率。本研究还发现,在750℃浇注时,静置时间对AZ31镁合金的晶粒尺寸影响并不明显,这意味着可以采用同一个静置时间的AZ31镁合金晶粒尺寸作为参考,来比较不同静置时间时添加变质剂的细化行为。三种Al-Mn中间合金,即由单相A18Mn5构成的Al-63wt.%Mn、由A18Mn5和ε-AlMn组成的双相Al-66wt.% Mn合金和由单相ε-AlMn构成的A1-74wt.%Mn合金,用来评价对AZ31镁合金晶粒尺寸的细化作用。研究结果表明,单相的A18Mn5中间合金并没有细化作用,只有含ε-AlMn相的Al-Mn中间合金对AZ31镁合金有细化作用,而且Al-Mn中间合金中的ε-AlMn相含量对AZ31镁合金的细化效果并没有明显的影响,这意味其细化机制是由于ε-AlMn相的晶体结构与α-Mg相同,且晶格错配度很小,从而起到了异质形核的作用。同时还发现,分别采用电弧熔炼的和Cu辊甩带制备的Al-74wt.% Mn合金对AZ31镁合金晶粒细化效果并无明显差别。确定了在熔炼温度750℃时,电弧熔炼的Al-74wt.%Mn合金最佳添加量为0.5wt.%,最佳静置时间为40min,对AZ31镁合金晶粒的细化效果最明显,即由原始的90μm减小到53μm。由单相AlCo相构成的A1-70wt.%Co合金对AZ31镁合金细化作用的研究结果表明,A1-70wt.%Co对AZ31镁合金晶粒也起到了明显的细化作用,且当A1-70wt.%Co合金的添加量≥1wt.%时,其对AZ31镁合金晶粒尺寸的细化效果趋于稳定。确定了在熔炼温度为750℃时,Al-70wt.% Co的最佳添加量为1%,最佳静置时间为60min,晶粒细化效果最明显,即由原始的90μmm减小到45μm。分别采用电弧熔炼的和Cu单辊甩带制备的Al-70wt.%Co合金对AZ31镁合金晶粒尺寸的细化作用并无明显差别。由于AlCo金属间化合物的晶体结构为体心立方结构,最小错配度在<1120>Mg/<100>AlCo晶向上为12%,因此,AlCo相在Mg合金中起到异质形核的作用还有待于进一步研究。通过均匀沉淀法获得了直径大约为100nm,长径比为-10的ZnO纳米棒。进而将此种ZnO添加到AZ31镁合金熔体中,也产生了显著的细化作用。随着ZnO添加量由0.3wt.%增加至1wt.%时,晶粒发生了显著地细化。确定了在熔炼温度为720℃,静置时间为3min,ZnO添加量为1wt.%时,晶粒细化效果最明显,即由原始的90μm减小到49μm。静置时间对晶粒细化效果没有产生明显的影响。ZnO对AZ31的细化机制是由于ZnO与α-Mg晶体结构相同,(1101)ZnO//(1101)Mg晶面上[2113]ZnO//[2113]Mg晶向之间的晶格错配度为0.59%,从而起到了异质形核的作用。上述研究结果表明,单独加入Al-74wt.% Mn、Al-70wt.% Co和ZnO都能显著地细化AZ31镁合金,在最佳工艺条件下,晶粒尺寸分别减小了41%、50%和45%,其中以A1-70wt.%Co中间合金的细化效果最好。硬度测试结果表明了添加上述三种变质剂后,AZ31镁合金铸态及等温处理后的硬度均得到了一定的提高。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-32
  1.1 镁及镁合金的特点及应用  12-17
    1.1.1 镁的性质  12
    1.1.2 镁合金的分类  12-13
    1.1.3 镁合金的优点  13
    1.1.4 镁合金的发展趋势  13-14
    1.1.5 镁合金的应用  14-17
  1.2 镁合金晶粒细化的意义  17-19
  1.3 镁合金晶粒细化手段  19-24
    1.3.1 镁合金晶粒细化方法  19-22
    1.3.2 镁合金晶粒细化剂的选择原则  22-24
  1.4 Mg-Al基合金晶粒细化剂的研究现状  24-27
  1.5 镁合金晶粒细化效果的评价  27-29
  1.6 本研究的意义及内容  29-32
第二章实验与分析方法  32-38
  2.1 技术路线  32-33
  2.2 细化剂的制备  33-34
    2.2.1 Al-Mn及Al-Co合金的制备  33-34
    2.2.2 ZnO的制备  34
  2.3 AZ31镁合金的熔炼  34-35
  2.4 金相试样的制备及组织分析  35-36
  2.5 晶粒尺寸的测量方法  36-38
第三章 AL-X(Mn,Co)中间合金对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  38-62
  3.1 等温热处理时间及静置时间对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  38-42
    3.1.1 等温热处理时间的确定  38-40
    3.1.2 静置时间对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  40-42
  3.2 Al-Mn合金对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  42-51
    3.2.1 Al-Mn合金的相组成对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  42-45
    3.2.2 Al-Mn合金添加量对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  45-47
    3.2.3 Al-Mn合金的制备方法对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  47-48
    3.2.4 静置时间对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  48-50
    3.2.5 分析与讨论  50-51
  3.3 Al-Co合金对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  51-62
    3.3.1 Al-Co中间化合物制备及相组成  51-52
    3.3.2 Al-Co合金的添加量对AZ31镁合金晶粒大小的影响  52-55
    3.3.3 Al-Co合金制备方法对AZ31镁合金细化效果的影响  55-56
    3.3.4 静置时间对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  56-58
    3.3.5 分析与讨论  58-62
第四章 ZnO的制备及其对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  62-70
  4.1 均匀沉淀法制备ZnO  62-63
  4.2 ZnO对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  63-70
    4.2.1 ZnO添加量对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  63-66
    4.2.2 静置时间对AZ31镁合金晶粒尺寸的影响  66-67
    4.2.3 分析与讨论  67-70
第五章结论  70-72
参考文献  72-76
致谢  76

AZ31镁合金变质剂及其细化行为的研究

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