本文選題：Mg-Al合金　切入點(diǎn)：晶粒細(xì)化　出處：《重慶大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：鎂合金作為輕質(zhì)金屬材料的典型代表,具有良好的抗阻尼性、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、3C產(chǎn)品、汽車等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢鴮?duì)于目前已經(jīng)廣泛使用的鑄造鎂合金,其力學(xué)性能及后續(xù)的可加工性能還不夠理想,極大了限制了其進(jìn)一步的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。晶粒細(xì)化可有效提高鎂合金的強(qiáng)度和延展性,開發(fā)出一種高效低成本的晶粒細(xì)化劑是改善鎂合金綜合性能、擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用的重要手段,因此開展鎂合金晶粒細(xì)化劑和細(xì)化機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文主要是針對(duì)晶粒細(xì)化比較困難的含A1鎂合金進(jìn)行研究,開發(fā)低成本、高效的晶粒細(xì)化劑,具體以純鎂、Mg-3A1和Mg-6A1體系為對(duì)象,通過對(duì)添加不同的化合物和合金元素細(xì)化晶粒效果的理論與實(shí)驗(yàn)研究,獲得理想晶粒細(xì)化劑。根據(jù)Mg-Al-Si和Mg-Al-Sn熱力學(xué)數(shù)據(jù),構(gòu)建了三元相圖并設(shè)計(jì)了Mg-xAl-ySiC(x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0), Mg-xAl-ySiO_2(x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、2.0)以及Mg-xAl-ySn (x=3,6; y=0.2、0.5、0.8、1.5、 2.0)合金,通過生長(zhǎng)抑制因子(Q值)、邊邊匹配模型(E2EM)等手段預(yù)測(cè)了各體系中形核劑的晶粒細(xì)化效果和細(xì)化機(jī)理。通過金相分析、X射線衍射、能譜、背散射電子衍射、拉伸試驗(yàn)、掃描電鏡、透射電子顯微分析等手段,研究了成分、冷卻速度、擠壓變形等參數(shù)對(duì)鑄態(tài)Mg-Al合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律；根據(jù)合金中第二相形成和分布特征,研究了Mg_2Si、Mg_2Sn等對(duì)鎂中Mg_(17)Al_(12)第二相的異質(zhì)形核作用機(jī)理,得到了針對(duì)含A1鎂合金的高效晶粒細(xì)化劑、探討了晶粒細(xì)化機(jī)制,主要研究結(jié)果如下：低成本的非金屬化合物SiC作為Mg-Al合金的晶粒細(xì)化劑,可起到很好的晶粒細(xì)化效果,相應(yīng)力學(xué)性能也得以改善。Mg-3Al系合金的平均晶粒尺寸可從650.34μm降低到95.36 μm (Mg-3Al-2.0SiC),鑄態(tài)Mg-3Al-O.8SiC合金的抗拉強(qiáng)度及壓縮斷裂強(qiáng)度可達(dá)到194 MPa、 298 MPa,延伸率12%,較同批次Mg-3A1合金分別提升了～15MPa、～24MP延伸率增加4%；在鑄態(tài)Mg-6A1合金中添加1.5wt.%SiC后的壓縮性能最優(yōu),斷裂強(qiáng)度達(dá)到了363 MPa,較Mg-6A1合金提升了～48 MPa,延伸率為～15%。此外,基于對(duì)鑄態(tài)組織的TEM表征,弄清了SiC對(duì)Mg-Al系合金的細(xì)化機(jī)制：即SiC不直接作為形核位點(diǎn),而是先與A1反應(yīng)釋放出單質(zhì)Si, Si較高的長(zhǎng)抑制能力(Q=9.25)使部分Si在凝固過程中發(fā)揮了溶質(zhì)分離效應(yīng),促進(jìn)晶粒細(xì)化；部分Si則與Mg結(jié)合生成Mg_2Sio edge-to-edge模型計(jì)算表明Mg_2Si與Mg_(17)Al_(12)之間存在位相關(guān)系(?)Mg_(17)Al_(12)/(202)Mg_2Si(夾角0.48°),(?)Mg_2Si// (?)Mg17A112和(?)Mg17A112/(?)Mg_2Si(夾角0.48°),(?)Mg_2Si//(?)Mg_(17)Al_(12),這使得Mg_2Si可成為第二相Mg_(17)Al_(12)的形核位點(diǎn),并改變其形貌和分布,尤其是在Mg-3A1體系中,Mg_(17)Al_(12)不再在晶界處或三角晶區(qū)呈片狀或網(wǎng)狀析出,而是在晶粒內(nèi)部以分散的、顆粒狀的形式析出。被分散的Mg_(17)Al_(12)相可作為α-Mg基體的形核質(zhì)點(diǎn),從而起到晶粒細(xì)化的效果。衍射斑分析和菊池線匹配驗(yàn)證了Mg_2Si與Mg_(17)Al_(12)之間的匹配關(guān)系。首次將低成本的SiO_2粉末添加至Mg-Al合金得到了很好的晶粒細(xì)化效果。Mg-3A1合金的平均晶粒尺寸為650.34μm,添加0.5 wt.% SiO_2后降低到了86.77μm。增加SiO_2含量至1.5 wt.%,鑄態(tài)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)提升至87 MPa和190 MPa,延伸率9.5%,較同批次Mg-3A1合金性能(屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為～79 MPa和～180 MPa,延伸率8.1%)略微提高；鑄態(tài)Mg-3Al-SiO_2和Mg-6Al-SiO_2合金的最高壓縮斷裂強(qiáng)度分別可達(dá)～298 MPa和～325 MPa,表明這一成分范圍SiO_2的添加可改善Mg-3Al合金的力學(xué)性能。值得注意,細(xì)晶的Mg-Al-SiO_2鑄態(tài)合金經(jīng)擠壓變形后晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化,晶粒尺寸僅為15-18 μm,較擠壓態(tài)Mg-6A1的平均晶粒尺寸(～50μm)顯著降低。擠壓態(tài)Mg-6Al-SiO_2合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)219 MPa和297 MPa,相較Mg-6A1合金分別提升了62 MPa和57 MPa,延伸率為13.6%：壓縮斷裂強(qiáng)度最高達(dá)～447 MPa,延伸率為-12%,變形后的合金性能提高明顯。研究表明,添加A1和SiO_2的順序、保溫時(shí)間以及冷卻速度等因素均會(huì)對(duì)合金的晶粒細(xì)化效果產(chǎn)生影響,這主要是同合金中生成的Mg_2Si相的數(shù)量和析出行為有關(guān)。低冷速下(1K/sec)合金的晶粒細(xì)化效果較高冷速(3K/sec)的更加明顯。在冷速為1K/sec時(shí),Mg完全熔化后先加入A1再加入SiO_2保溫10min的晶粒細(xì)化效果最佳,晶粒尺寸從1092.45μm (Mg-3A1)降低到了379.07μm(Mg-3Al-2.0 SiO_2),減小了近2.5倍。衍射斑分析和菊池線標(biāo)定表明該合金體系生成的Mg_2Si相與Mg基體之間不存在位相關(guān)系,說明Mg_2Si相不是Mg相的形核核心,晶粒細(xì)化效果是被分解出來的單質(zhì)Si(Q=9.42)與合金中的A1溶質(zhì)效應(yīng)的共同作用。添加合金元素Sn也可對(duì)Mg-Al合金產(chǎn)生較好的晶粒細(xì)化效果,鑄態(tài)Mg-Al-Sn合金的晶粒尺寸從940.72μm最低可降至435.47μm (AT310)。鑄態(tài)Mg-6Al-0.2Sn合金的壓縮屈服和斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到107 MPa和352 MPa,較同批次鑄態(tài)Mg-6A1合金分別提高了32 MPa和17 MPa；隨著Sn含量的增加,鑄態(tài)Mg-6A1-Sn合金壓縮屈服和斷裂強(qiáng)度分別最高可達(dá)124 MPa和360 MPa,延伸率達(dá)到～32%。通過衍射斑分析和菊池線標(biāo)定驗(yàn)證了Mg_2Sn與Mg_(17)Al_(12)之間存在位相關(guān)系：(?)Mg17A112//(20 2)Mg_2Sn(夾角3.96),(?)Mg_2Sn//(?)Mg17A112和(114)Mg17A112//(022)Mg_2Sn(夾角0.40°),(?)Mg_2Sn//(?)Mg17A112,且Mg_2Sn先于Mg_(17)Al_(12)在500℃左右生成(Mg_(17)Al_(12)在450℃左右生成),證明Mg_2Sn可以Mg_(17)Al_(12)的異質(zhì)形核心。彌散分布的Mg_(17)Al_(12)相可對(duì)α-Mg基體產(chǎn)生很好的晶粒細(xì)化效果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG292

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