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颗粒增强对AZ31B镁合金A-TIG接头组织和力学性能的影响

作　者: 刘凯
导　师: 沈骏
学　校: 重庆大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金 A-TIG焊接 SiC颗粒微观组织力学性能
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文以AZ31B镁合金为研究对象，通过宏观形貌观察、显微组织分析和力学性能测试，系统研究了外加SiC颗粒和活性剂（Cr₂O₃、TiO₂和CaF₂）对镁合金活性剂钨极氩弧焊接（Activing Flux TIG Welding, A-TIG）接头宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。揭示了SiC颗粒的强化机理并讨论焊接接头微观组织演变规律及其与力学性能之间的关系。最后，分析了两种不同尺寸SiC颗粒对镁合金SiC颗粒增强A-TIG焊接的影响规律并讨论焊接接头力学性能与SiC颗粒尺寸之间的内在联系。在实验事实的基础上，结合理论分析，得到以下主要结论：在Cr₂O₃活性剂中添加不同质量分数的微米SiC颗粒形成复合活性剂，然后进行镁合金A-TIG焊接。通过宏观形貌观察、微观组织分析、显微硬度和拉伸性能测试，研究了Cr₂O₃活性剂中微米SiC颗粒添加量对镁合金A-TIG焊接接头宏观形貌、微观组织及力学性能的影响。结果表明：随着Cr₂O₃活性剂中SiC颗粒添加量的增多，焊缝熔深逐渐减小。但是，所有涂覆Cr₂O₃活性剂的焊缝熔深都显著地增深。Cr₂O₃活性剂中添加SiC颗粒改善了焊缝表面形貌；然而，当Cr₂O₃活性剂中SiC颗粒质量分数达到45%时，焊缝表面形貌恶化。随着涂覆Cr₂O₃活性剂焊缝熔池液态金属对流方向的改变，SiC颗粒弥散分布到焊缝中并细化焊缝熔合区α-Mg晶粒。由于SiC颗粒的弥散强化作用和焊缝α-Mg晶粒的细化，焊接接头的力学性能（极限拉伸强度和显微硬度）得到改善。过多的SiC颗粒添加导致其在焊缝中的弥散分布能力被抑制，焊接接头极限拉伸强度降低。采用不同类型的活性剂（TiO₂和CaF₂）并在活性剂中添加质量分数为40%的SiC颗粒，形成复合活性剂进行镁合金A-TIG焊接。通过宏观形貌观察、微观组织分析、显微硬度和拉伸性能测试，研究了不同活性剂对镁合金SiC颗粒强化A-TIG焊接接头宏观形貌、微观组织及力学性能的影响。结果表明：TiO₂活性剂中添加SiC颗粒改善了镁合金A-TIG焊缝表面形貌，而CaF₂活性剂中添加SiC颗粒却恶化了焊缝表面形貌。TiO₂活性剂中添加SiC颗粒细化焊缝熔合区α-Mg晶粒。由于CaF₂活性剂在焊接过程中不能通过改变熔池Marangoni对流方向将SiC颗粒弥散分布到焊缝中，CaF₂活性剂中添加SiC颗粒时，焊缝熔合区α-Mg无晶粒细化现象。添加SiC颗粒的TiO₂活性剂改善了焊接接头力学性能，纳米SiC颗粒能够更有效地提高焊接接头力学性能。CaF₂活性剂中添加SiC颗粒时，焊接接头的极限抗拉强度值有所减小。将两种不同尺寸的SiC颗粒（平均直径分别为10μm和40nm）添加到TiO₂活性剂中形成复合活性剂，然后对镁合金进行A-TIG焊接。通过显微组织观察、显微硬度和拉伸性能测试，研究了SiC颗粒尺寸对镁合金SiC颗粒增强A-TIG焊接接头微观组织及力学性能的影响。结果表明：与涂覆含微米SiC颗粒的TiO₂活性剂镁合金焊缝深宽比（D/W）相比，涂覆含纳米SiC颗粒的TiO₂活性剂焊缝D/W随着活性剂中纳米SiC颗粒添加量（<40%）的增加而显著地增大。焊缝表面成形对活性剂中微米SiC颗粒添加量的变化更加敏感。焊缝熔合区α-Mg晶粒尺寸随着活性剂中SiC颗粒添加量（<40%）的增加而减小；但是，过多的SiC颗粒添加量导致其在熔合区产生颗粒团聚现象并粗化α-Mg晶粒。同时，活性剂中纳米SiC颗粒添加量变化对焊缝熔合区α-Mg晶粒细化效果的影响更加的显著。焊接接头力学性能随着TiO₂活性剂中纳米SiC颗粒添加量（<40%）的增加而显著地增加。当TiO₂活性剂中纳米SiC颗粒的含量达到40%时，焊接接头的极限拉伸强度值达到最大（约为母材的98%）。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 选题背景  9
  1.2 镁及镁合金的概述  9-10
  1.3 镁合金焊接的国内外研究现状  10-13
    1.3.1 镁合金的焊接性  10
    1.3.2 镁合金的钨极氩弧焊  10-12
    1.3.3 镁合金的其它焊接方法  12-13
  1.4 镁合金的活性剂钨极氩弧焊  13-17
    1.4.1 A-TIG 焊接增加焊缝熔深的机理  13-15
    1.4.2 A-TIG 焊接在国内外的研究进展  15-17
  1.5 颗粒增强镁基合金概述  17-18
  1.6 本文的主要研究内容  18-21
2 研究内容与方法  21-27
  2.1 实验材料  21-23
    2.1.1 焊接材料  21-22
    2.1.2 活性剂的选择  22
    2.1.3 增强颗粒的选择  22-23
  2.2 焊接设备  23
  2.3 工艺方案及焊接参数  23-24
  2.4 实验方法  24-27
    2.4.1 焊前处理  24-25
    2.4.2 金相试样的制备及组织观察  25
    2.4.3 扫描电子显微镜  25
    2.4.4 显微硬度计  25-26
    2.4.5 万能材料试验机  26-27
3 微米 SiC 颗粒添加量对镁合金 A-TIG 焊接接头微观组织和力学性能的影响  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 SiC 颗粒添加量对镁合金 A-TIG 焊缝宏观形貌的影响  27-29
  3.3 SiC 颗粒添加量对镁合金 A-TIG 焊缝微观组织的影响  29-32
    3.3.1 AZ31B 镁合金 TIG 焊接接头典型的微观组织  29-30
    3.3.2 SiC 颗粒添加量对焊缝熔合区微观组织的影响  30-32
  3.4 SiC 颗粒添加量对镁合金 A-TIG 焊接接头力学性能的影响  32-36
    3.4.1 SiC 颗粒添加量对焊接接头拉伸强度的影响  32-34
    3.4.2 SiC 颗粒添加量对焊缝显微硬度的影响  34-36
  3.5 本章小结  36-37
4 活性剂对镁合金 SiC 颗粒增强 A-TIG 焊接接头微观组织和力学性能的影响  37-47
  4.1 引言  37
  4.2 活性剂对镁合金 SA-TIG 焊接接头宏观形貌的影响  37-39
  4.3 活性剂对镁合金 SA-TIG 焊接接头微观组织的影响  39-42
  4.4 活性剂对镁合金 SA-TIG 焊接接头力学性能的影响  42-46
    4.4.1 活性剂对焊接接头显微硬度的影响  42-43
    4.4.2 活性剂对焊接接头拉伸性能的影响  43-46
  4.5 本章小结  46-47
5 SiC 颗粒尺寸对镁合金颗粒增强 A-TIG 焊接接头微观组织和力学性能的影响  47-59
  5.1 引言  47
  5.2 SiC 颗粒尺寸对镁合金 SA-TIG 焊接接头宏观形貌的影响  47-50
    5.2.1 SiC 颗粒尺寸对焊缝表面成形的影响  47-48
    5.2.2 SiC 颗粒尺寸对焊缝熔深和深宽比的影响  48-50
  5.3 SiC 颗粒尺寸对镁合金 SA-TIG 焊接接头熔合区微观组织的影响  50-54
  5.4 SiC 颗粒尺寸对镁合金 SA-TIG 焊接接头力学性能的影响  54-57
    5.4.1 SiC 颗粒尺寸对焊缝熔合区显微硬度的影响  54-55
    5.4.2 SiC 颗粒尺寸对焊接接头拉伸强度的影响  55-57
  5.5 本章小结  57-59
6 结论  59-61
致谢  61-63
参考文献  63-71
附录  71
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  71
  B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录  71

颗粒增强对AZ31B镁合金A-TIG接头组织和力学性能的影响

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