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模拟月球环境温度下的镁合金显微组织与力学性能研究

作 者: 张学锋
导 师: 吴国华;刘文才
学 校: 上海交通大学
专 业: 材料工程
关键词: 高低温循环处理 AZ31 GW103K 微观组织 力学性能 断裂机制
分类号: TG146.22
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


镁合金类航天器(如月球车)零部件减重效应大,使用过程中常承受低温甚至高低温交变循环的复杂工作环境,研究清楚镁合金在该条件下的力学性能断裂机制意义重大。本文在实验室条件下模拟月球环境温度变化特点,首先对商业牌号变形镁合金AZ31和新型高强镁稀土合金GW103K进行低温浸泡(-196℃,10天)或高低温交变循环处理(-196℃×11h+200℃×11h)等预处理,然后系统研究两种合金在低温(-196℃)、室温(25℃)和高温(200℃)条件下的力学性能、微观组织和断裂机制,并尝试解释两种合金的塑性变形机制。AZ31合金的研究结果表明,与挤压态AZ31合金(σ0.2=217MPa,σb=288MPa,=18.3%)相比,低温浸泡或高低温循环处理对合金的室温拉伸性能没有明显影响,各状态AZ31合金室温拉伸断裂机制主要为准解理断裂。与室温拉伸相比,低温拉伸时各状态AZ31合金的屈服强度和抗拉强度均大幅度提高,但延伸率明显降低。与挤压态AZ31合金低温性能(σ0.2=333MPa,σb=442MPa, =7.1%)相比,低温或高低温循环处理后合金的低温拉伸强度增幅稍小。另外,低温下各状态合金塑性较差,以脆性断裂为主。而与室温和低温拉伸相比,各状态AZ31合金的高温屈服强度和抗拉强度均明显降低,同时延伸率大幅度提高。经过低温或高低温交变处理前后,AZ31合金的高温拉伸性能没有明显差别,且高温拉伸断裂机制主要为韧性断裂。铸态GW103K合金的研究结果表明,该合金具有较好的室温和高温强度,但塑性稍差。低温浸泡或高低温交变循环处理对铸态GW103K合金的室温性能影响较小。同时,低温浸泡处理对合金高温屈服强度和抗拉强度也无明显影响,但高低温循环处理会带来合金的高温强度的降低,且随循环次数增加,降低幅度增大,经20次高低温交变循环处理前后,铸态GW103K合金的高温屈服强度和抗拉强度分别由215MPa、243MPa降至121MPa、146MPa。而低温拉伸时,铸态GW103K合金具有更高的屈服强度和抗拉强度,分别达到311MPa和358MPa,低温延伸率较差,同时低温浸泡或高低温交变处理均未对合金的低温强度和塑性产生明显影响。这主要是由于各状态铸造GW103K合金在不同温度下断裂均主要由硬脆的共晶相引起,断裂方式主要为沿晶断裂。挤压T5态GW103K合金的研究结果表明,室温拉伸时挤压T5态GW103K合金屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为295MPa、398MPa和5.2%,低温浸泡处理后合金的室温力学性能稍有降低,而高低温循环处理可改善合金的室温力学性能,且经过20次高低温循环处理后挤压T5态GW103K合金的室温力学性能最优。挤压T5态GW103K合金的高温屈服强度和延伸率明显高于室温,分别为317MPa和8.6%,而高温抗拉强度(362MPa)却比室温时显著降低。低温浸泡处理对合金高温性能无明显影响,而高低温循环处理却降低了合金的高温强度,且随着循环次数的增加,高温强度进一步降低。低温拉伸时,各状态下挤压T5态GW103K镁合金均具有比室温和高温更高的力学性能。挤压T5态GW103K合金的低温屈服强度和抗拉强度分别为349MPa和506MPa,与AZ31和铸态GW103K合金不同的是,挤压T5态GW103K合金的低温延伸率相对室温时也明显提高,由5.2%增至7.1%。低温浸泡处理虽改善了挤压T5态GW103K合金的低温屈服强度,但也降低了其抗拉强度和延伸率。与之不同,高低温循环处理能进一步提高挤压T5态GW103K合金的低温强度。各状态下挤压T5态GW103K镁合金室温拉伸时为典型准解理断裂;200℃高温拉伸时,断裂方式为准解理断裂和微孔聚集型的韧性断裂;而-196℃低温拉伸时,断裂方式为解理断裂和韧性断裂并存的复合断裂机制。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-32
  1.1 镁及镁合金概述  13-21
    1.1.1 镁的基本性质  13-14
    1.1.2 镁的合金化  14-15
    1.1.3 镁合金塑性变形机制  15-21
  1.2 AZ31 镁合金研究现状  21-23
    1.2.1 合金化元素在Mg-Al-Zn 系镁合金中的作用  21-22
    1.2.2 AZ31 镁合金室温微观组织  22
    1.2.3 AZ31 镁合金室温力学性能  22-23
  1.3 Mg-Gd-Y 系镁合金研究现状  23-26
    1.3.1 合金化元素在Mg-Gd-Y 系镁合金中的作用  23-24
    1.3.2 Mg-Gd-Y 系镁合金室温微观组织  24
    1.3.3 Mg-Gd-Y 系镁合金室温力学性能  24-26
  1.4 镁合金低温力学性能研究现状  26-27
  1.5 研究目的和研究内容  27-28
  参考文献  28-32
第二章 实验过程及研究方法  32-38
  2.1 研究路线  32
  2.2 材料制备  32-34
    2.2.1 合金熔炼铸造  32-34
    2.2.2 合金热挤压  34
  2.3 热处理  34-35
    2.3.1 时效处理  34
    2.3.2 液氮浸泡和高低温交变循环处理  34-35
  2.4 力学性能测试  35-37
    2.4.1 硬度试验  35
    2.4.2 拉伸试验  35-36
    2.4.3 压缩实验  36-37
  2.5 显微组织观察和分析  37
    2.5.1 金相观察  37
    2.5.2 XRD 物相分析  37
    2.5.3 SEM 和断口形貌观察  37
  2.6 本章小结  37
  参考文献  37-38
第三章 AZ31 镁合金显微组织和力学性能  38-54
  3.1 引言  38
  3.2 低温或高低温循环处理AZ31 镁合金拉伸前室温金相组织  38-39
  3.3 低温或高低温循环处理AZ31 镁合金不同温度下力学性能  39-42
    3.3.1 室温力学性能  39-41
    3.3.2 高温力学性能  41
    3.3.3 低温力学性能  41-42
  3.4 低温或高低温循环处理AZ31 镁合金不同温度下拉伸断裂行为  42-48
    3.4.1 室温断裂行为  42-44
    3.4.2 高温断裂行为  44-46
    3.4.3 低温断裂行为  46-48
  3.5 分析与讨论  48-51
    3.5.1 低温或高低温循环处理 AZ31 镁合金不同温度下拉伸的强化机制  48-50
    3.5.2 低温或高低温循环处理 AZ31 镁合金不同温度下拉伸的断裂机制  50-51
  3.6 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第四章 铸态 GW103K 镁合金显微组织和力学性能  54-69
  4.1 引言  54
  4.2 低温或高低温循环处理铸态GW103K 镁合金拉伸前室温金相组织  54-56
  4.3 低温或高低温循环处理铸态GW103K 镁合金不同温度下力学性能  56-58
    4.3.1 室温力学性能  56-57
    4.3.2 高温力学性能  57-58
    4.3.3 低温力学性能  58
  4.4 低温或高低温循环处理铸态GW103K 合金不同温度下拉伸断裂行为  58-64
    4.4.1 室温断裂行为  58-61
    4.4.2 高温断裂行为  61-62
    4.4.3 低温断裂行为  62-64
  4.5 分析与讨论  64-67
    4.5.1 低温或高低温循环处理对铸态GW103K 镁合金性能的影响  64-65
    4.5.2 低温或高低温循环处理铸态 GW103K 镁合金不同温度下拉伸断裂机制  65-67
  4.6 本章小结  67
  参考文献  67-69
第五章 挤压态 GW103K 镁合金显微组织和力学性能  69-91
  5.1 引言  69
  5.2 低温或高低温循环处理挤压T5 态GW103K 合金拉伸前室温金相组织  69-70
  5.3 低温或高低温循环处理挤压T5 态GW103K 合金不同温度下力学性能  70-73
    5.3.1 室温力学性能  70-72
    5.3.2 高温力学性能  72
    5.3.3 低温力学性能  72-73
  5.4 低温或高低温循环处理挤压T5 态GW103K 合金不同温度下拉伸断裂行为  73-80
    5.4.1 室温断裂行为  73-75
    5.4.2 高温断裂行为  75-77
    5.4.3 低温断裂行为  77-80
  5.5 分析与讨论  80-88
    5.5.1 低温或高低温循环处理对挤压态 GW103K 镁合金性能的影响  80-82
    5.5.2 低温或高低温循环处理挤压态GW103K 镁合金不同温度下拉伸断裂机制  82-83
    5.5.3 AZ31 和 GW103K 镁合金强化机制的差异讨论  83-88
  5.6 本章小结  88-89
  参考文献  89-91
第六章 结论  91-93
致谢  93-94
攻读硕士期间的成果  94

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