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稀土Er对ZK21变形镁合金组织和性能的影响

作　者: 张旭峰
导　师: 张静
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: ZK21变形镁合金稀土Er 塑性变形组织和性能
分类号: TG146.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

塑性差已成为变形镁合金加工与应用上的一个瓶颈,改善变形镁合金的塑性是变形镁合金研究与应用中急需解决的关键技术之一。含稀土变形镁合金具有铸造性能优异,塑性变形潜力大,比强度高,力学性能优异等诸多优点。本文以ZK21(Mg-1.5%Zn-0.6%Zr,wt%,下同)变形镁合金为基础合金,采用稀土元素Er进行改性,使用金相、X-射线衍射分析、差热分析、扫描电镜和能谱分析等实验手段研究了Er含量在0~4.0%范围内合金的铸态、热处理态和变形态的显微组织;在热模拟实验基础上,对合金进行了轧制、挤压塑性变形;分析了稀土Er在合金中的存在形式及对各种条件下显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,半连续铸造ZK21镁合金铸态组织主要是由α-Mg和晶界上少量非平衡Mg-Zn共晶相组成。稀土Er加入后,与Mg、Zn元素形成(Mg,Zn)4Er三元相;均匀化后以(Mg,Zn)6Er三元化合物的形式存在;随着Er含量的增加,Er在基体中的固溶度逐渐增加。一定量稀土元素Er对合金铸态组织具有细化作用,ZK21合金平均晶粒尺寸为94μm,当添加稀土Er含量达到2.0%时,合金平均晶粒尺寸最小,为62μm。轧制变形中镁合金发生了明显的动态再结晶。热轧至2mm时,含Er0.4%合金的平均晶粒尺寸由均匀化态的200μm细化至30μm;冷轧至1.5mm时,平均晶粒尺寸为15μm,合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为285MPa、270MPa和16%,具有较好的综合力学性能,合金经260℃、1h退火处理后,延伸率上升至21%。稀土Er的加入能促进合金在热变形过程中的均匀塑性变形和均匀再结晶。350℃热挤压时,ZK21镁合金再结晶不充分,在组织中存在着大量的未发生再结晶的原始组织,随着稀土Er的加入,未再结晶组织逐渐变少,在稀土Er达到1.0%时,所占比例最小,此时组织较为均匀,表现出较好的塑性。420℃热挤压,ZK21合金发生完全动态再结晶并造成再结晶晶粒长大,晶粒大小不均匀;稀土Er加入后,抑制再结晶晶粒的长大,再结晶平均晶粒尺寸为4~6μm,并且随着Er含量的增加,合金的延伸率逐渐升高,含4.0%Er的合金在热挤压后的室温抗拉强度和屈服强度分别为270MPa和230MPa,延伸率高达到37%。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-28
  1.1 镁及镁合金性能  8-12
    1.1.1 镁的物理性能  8-9
    1.1.2 镁合金的性能特征  9-10
    1.1.3 镁合金的分类  10-12
  1.2 镁合金的塑性  12-19
    1.2.1 影响镁合金塑性的因素  13-15
    1.2.2 镁合金塑性的改善  15-19
  1.3 高塑性镁合金的研究现状及应用  19-22
    1.3.1 Mg-Al 系合金  19-21
    1.3.2 Mg-Zn 系合金  21-22
  1.4 稀土在变形镁合金中作用与应用  22-24
  1.5 本课题的研究目的与意义  24-26
    1.5.1 意义  24-25
    1.5.2 目的  25-26
  1.6 本文的主要研究内容  26-28
2 实验方案与研究方法  28-36
  2.1 研究方案及路线  28
  2.2 合金成分设计及熔炼制备  28-30
    2.2.1 金属重力型铸造  28-29
    2.2.2 半连续铸造  29-30
  2.3 合金显微组织及相分析  30-32
    2.3.1 金相显微分析  30-31
    2.3.2 扫描电镜和能谱分析  31
    2.3.3 DSC 差热分析  31-32
    2.3.4 X 射线衍射分析  32
  2.4 热处理实验  32
  2.5 硬度测试  32-33
  2.6 热模拟实验  33
  2.7 变形加工工艺  33-35
    2.7.1 轧制  33
    2.7.2 挤压  33-35
  2.8 力学性能测试  35-36
3 稀土 Er 在 ZK21 合金中的存在形式及显微组织研究  36-54
  3.1 铸态显微组织形貌  36-39
  3.2 铸态合金中元素的分布  39-40
  3.3 铸态组织的相组成  40-42
  3.4 均匀化态显微组织形貌  42-43
  3.5 均匀化态合金中元素的分布  43-44
  3.6 均匀化态组织的相组成  44-46
  3.7 固溶态显微组织形貌  46-49
  3.8 固溶态合金中元素的分布  49-50
  3.9 固溶态合金的硬度  50-53
  3.10 本章小结  53-54
4 热模拟及轧制变形过程中合金组织演变和性能研究  54-58
  4.1 ZK21-0.4Er 合金的高温塑性变形行为的热模拟研究  54-55
  4.2 ZK21-0.4Er 合金轧制过程中显微组织的演变  55-56
  4.3 ZK21-0.4Er 合金轧制后的力学性能  56-57
  4.4 本章小结  57-58
5 热挤压过程中合金组织演变和性能研究  58-68
  5.1 ZK21-xEr 合金350℃挤压后显微组织  58-60
  5.2 ZK21-xEr 合金350℃挤压后力学性能  60-62
  5.3 ZK21-xEr 合金420℃挤压后显微组织  62-64
  5.4 ZK21-xEr 合金420℃挤压后力学性能  64-66
  5.5 本章小节  66-68
6 分析与讨论  68-72
  6.1 稀土Er 对合金铸态、热处理显微组织的影响分析  68-69
  6.2 稀土Er 对合金变形态显微组织的影响  69-70
  6.3 稀土Er 对ZK21 镁合金力学性能的影响  70-72
7 结论  72-74
致谢  74-76
参考文献  76-80
附录  80

稀土Er对ZK21变形镁合金组织和性能的影响

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