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Mg-Sn-Mn合金相图计算与优化

作　者: 林琳
导　师: 李莉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 镁合金 相图计算 Mg-Sn-Mn三元系 等温截面
分类号: TG113.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文选定研究Mg-Sn-Mn合金体系,期待通过在镁合金中添加Sn和Mn两种元素提高镁合金的力学性能和耐腐蚀性。为了更好的改进镁合金的性能、优化合金成分和热处理工艺,本文从相平衡关系及热力学数据库角度使用Thermo-Calc软件对Mg-Sn-Mn三元体系相图进行研究,掌握相图和相关热力学信息,并对Mg-Sn-Mn合金性能进行表征。本文利用相图计算技术(CALPHAD),系统地收集、整理和评估现有的Mg-Mn、Mg-Sn、Mn-Sn热力学和相图数据,其中液相和端际相采用替代溶液模型,所有化合物均为化学计量比,计算所得Mg-Mn二元相图含有六个相区,分别为Liquid、Liquid+δMn、Liquid+γMn、Liquid+βMn、Liquid+αMn和Mg+αMn; Mg-Sn二元相图含有七个相区,分别为Liquid、Liquid+Mg2Sn、Mg2Sn+βSn、Liquid+βSn、Mg+Mg2Sn、Liquid+Mg和Mg; Mn-Sn二元相图含有十七个相区,分别为Liquid、MnSn2+Mn2Sn、Liquid+MnSn2、Liquid+Mn2Sn、Mn19Sn6+Mn2Sn、βMn+Mn19Sn、βMn+Liquid、δMn+βMn、βMn+γMn、γMn+δMn、δMn+Liquid、Liquid+Mn19Sn6、αMn+βMn、δMn、γMn、βMn、和aMn,相平衡、相区、热力学数据均与实验数据相吻合。结合Mg-Mn、Mg-Sn、Mn-Sn二元系热力学数据,运用热力学计算方法合理外推计算了Mg-Sn-Mn三元系部分等温截面相图。以实验为基础,优化了Mg-Sn-Mn三元体系富镁角的673K、773K等温截面相图,对该体系合金在673K、773K平衡条件下的热力学性质进行了研究。得出在富镁角区域有四个相区,一个单相区Mg,两个两相区Mg+Mn、Mg+Mg2Sn一个三相区Mg+Mn+Mg2Sn。优化后Mg-Sn-Mn三元系富镁角673K等温截面相图中Mg中Sn原子分数为0-0.72%,Mn原子分数为0-0.17%；优化后Mg-Sn-Mn三元系富镁角773K等温截面相图中Mg中Sn原子分数为0-2.7%,Mn原子分数为0-0.32%；虽然Sn和Mn元素都可以起到细化Mg-Sn-Mn合金晶粒的作用,但是Sn元素的细化效果更为明显。当Sn元素增加到一定含量,在晶界及二次枝晶处析出Mg2Sn,这与相图计算结果相符。Sn元素的加入使合金硬度显著增加,有效改善其力学性能；Mn元素对合金硬度的影响与合金的相组成有关,当合金中相组成为单相Mg时,合金硬度随Mn含量的增加而升高,当合金相组成为两相Mg+Mn时,合金硬度随着Mn含量的增加而降低,所以合金硬度随Mn含量增加而先增后减,Mn含量为0.5%时合金硬度达到最大值。随着合金中Mn和Sn含量的增加,铸态、673K平衡处理、773K平衡处理后的Mg-Sn-Mn镁合金耐蚀性能变好,但Mn元素的影响比Sn元素的影响大,Mn在合金中的析出可以有效提高合金的耐蚀性,达到最初设计合金体系时的目的。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章 绪论  12-25
  1.1 镁及镁合金概述  12-16
    1.1.1 镁的基本性质  12-13
    1.1.2 镁合金的特性及应用  13-14
    1.1.3 合金元素对镁合金组织和性能的影响  14-15
    1.1.4 生物医用镁合金研究进展  15-16
  1.2 相图热力学计算基础  16-22
    1.2.1 相图计算原理及过程  17-18
    1.2.2 相图热力学模型  18-20
    1.2.3 Thermo-Calc热力学软件  20-22
  1.3 镁合金相图发展概况  22-23
  1.4 本文研究目的及主要内容  23-25
第2章 实验材料与方法  25-30
  2.1 实验技术路线  25
  2.2 实验材料  25-27
    2.2.1 Mg-Sn-Mn合金成分设计  25-26
    2.2.2 Mg-Sn-Mn合金的制备  26-27
    2.2.3 热处理工艺  27
  2.3 实验方法  27-29
    2.3.1 金相分析  27-28
    2.3.2 物相分析  28
    2.3.3 微区成分分析  28
    2.3.4 硬度测试  28-29
    2.3.5 电化学测试  29
    2.3.6 相图计算方法  29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 Mg-Mn、Mg-Sn和Mn-Sn二元体系相图计算  30-43
  3.1 描述Mg-Mn体系中各相的热力学模型  30-31
    3.1.1 参考态和纯组元的Gibbs自由能  30
    3.1.2 固溶体相的热力学模型  30-31
  3.2 描述Mg-Sn体系中各相的热力学模型  31-32
    3.2.1 参考态和纯组元的Gibbs自由能  31-32
    3.2.2 固溶体相的热力学模型  32
    3.2.3 金属间化合物相  32
  3.3 描述Mn-Sn体系中各相的热力学模型  32-34
    3.3.1 参考态和纯组元的吉布斯自由能  33
    3.3.2 固溶体相的热力学模型  33-34
    3.3.3 金属间化合物相  34
  3.4 相图计算结果与分析  34-41
    3.4.1 Mg-Mn二元合金相图  34-36
    3.4.2 Mg-Sn二元合金相图  36-39
    3.4.3 Mn-Sn二元合金相图  39-41
  3.5 小结  41-43
第4章 三元Mg-Sn-Mn系合金富镁角的相图计算  43-70
  4.1 Mg-Sn-Mn系富镁角相图的合理外推  44-50
    4.1.1 Mg-Sn-Mn系富镁角的各相热力学模型  44-47
    4.1.2 Mg-Sn-Mn系富镁角的外推结果  47-50
  4.2 相组成表征研究  50-55
    4.2.1 物相组成  50-52
    4.2.2 微区成分分析  52-55
  4.3 Mg-Sn-Mn系富镁角相图优化  55-60
    4.3.1 673K等温截面数据  56-57
    4.3.2 773K等温截面数据  57-58
    4.3.3 Mg-Sn-Mn系富镁区相图的优化结果  58-60
  4.4 Mg-Sn-Mn系合金实验相图应用  60-68
    4.4.1 金相分析  60-65
    4.4.2 显微硬度测试  65-66
    4.4.3 电化学极化曲线  66-68
  4.5 小结  68-70
结论  70-71
参考文献  71-76
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  76-77
致谢  77-78
附录A  78-81
附录B  81-82
附录C  82-86
附录D  86-87
附录E  87-91
附录F  91-92
附录G  92-97
附录H  97-98
附录I  98-99
附录J  99

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金相学（金属的组织与性能） > 金属的组织 > 状态图（相图）
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