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Al-Mg-Mn-Zr-Er合金组织和力学性能研究

作 者: 张志军
导 师: 王为
学 校: 北京工业大学
专 业: 材料学
关键词: Al-Mg合金 Er 疲劳极限 平面应力断裂韧性
分类号: TG131
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 154次
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内容摘要


微合金化是提高铝合金综合性能的有效方法之一。本文采用传统的铸锭冶金法制备含Er的Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.4Er合金。借助硬度测试(HBS)、金相显微组织观察(OM)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)与能谱分析(EDS)、透射电镜观察(TEM)等分析测试手段,研究了退火制度对Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.4Er合金的力学性能与微观组织的影响,深入分析了Er在合金中的存在形式、与合金元素的交互作用以及对合金的强化机理,并初步研究了实验合金的疲劳极限和平面应力断裂韧性,分析了Er对疲劳极限和平面应力断裂韧性的作用及机理。研究退火温度和时间对合金力学性能的影响,结果表明,退火温度对合金力学性能影响很大,而退火保温时间对合金力学性能影响程度小。冷轧变形量为81.3%的合金在不同温度下退火2小时,在125℃~225℃之间,强度下降缓慢,225℃~275℃之间强度急剧下降,延伸率显著上升,275℃之后强度几乎不再发生变化。结合硬度法和金相法确定了合金的再结晶起始温度为225℃,再结晶终了温度为275℃。通过实验对比研究表明,冷轧板在125℃退火1个小时,合金的综合力学性能最佳。按照国标GB/T3075-1982,测试了合金室温下的条件疲劳极限。合金板材在应力比R=0.1,循环寿命为107条件下的疲劳极限为293.6MPa。与传统的5083板材相比,实验合金的疲劳极限有了很大的提高。用扫描电镜对疲劳断口进行观察和分析,结果表明:疲劳裂纹起源于试样侧表面,因为在循环载荷作用下,该处存在应力集中,导致裂纹萌生和扩展。随着退火温度的提高,合金的疲劳寿命显著下降。按照HB5261-83,采用紧凑拉伸试样,测试了出合金板材的平面应力断裂韧性KC为51.92MPa·m1/2。对合金不同退火温度的试样进行了SEM和TEM观察。发现合金中除了α-Al基体、Al6Mn相外,合金中存在大量的Al3(Er,Zr)粒子,大小为几十纳米,这些粒子与基体成共格关系,并且弥散分布于基体中,起到了析出强化的作用。在退火过程中,这些第二相粒子并没有长大粗化,说明它们具有很好的高温稳定性。这些纳米级粒子能够强烈钉扎位错和亚结构,对晶界迁移及晶粒的长大有显著的抑制作用,阻碍了再结晶的形成。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 Al-Mg 系合金特点和性能  10-12
    1.1.1 Al-Mg 系合金中的主要合金元素  10-11
    1.1.2 Al-Mg 系合金的力学性能  11
    1.1.3 Al-Mg 系合金的再结晶行为  11-12
  1.2 稀土铝合金研究概况  12-14
    1.2.1 铒(Er)的特点及其应用  12-13
    1.2.2 Er 在铝合金中的研究概况  13-14
  1.3 铝合金的疲劳与断裂韧性  14-15
    1.3.1 金属的疲劳和断裂韧性  14
    1.3.2 金属材料疲劳断裂研究情况  14-15
  1.4 本论文的研究内容、目的及意义  15-18
    1.4.1 研究目的和意义  15-16
    1.4.2 研究内容  16-18
第2章 合金的制备与实验方法  18-24
  2.1 实验方案  18
  2.2 合金制备  18-19
    2.2.1 合金成分设计与熔铸  18-19
    2.2.2 合金铸锭的均匀化、轧制和热处理  19
  2.3 力学性能的测试  19-21
    2.3.1 硬度性能测试  19
    2.3.2 常温拉伸性能测试  19-20
    2.3.3 疲劳性能测试  20
    2.3.4 平面应力断裂韧性测试  20-21
  2.4 微观组织观察和结构分析  21-24
    2.4.1 金相组织观察与分析  21
    2.4.2 扫描电镜观察  21
    2.4.3 透射电镜样品制备与观察  21-22
    2.4.4 X-射线衍射分析  22-24
第3章 合金的组织能及力学性能研究  24-42
  3.1 不同状态下合金的力学性能  24-27
    3.1.1 退火温度对合金冷轧板力学性能的影响  24-25
    3.1.2 退火时间对合金冷轧板力学性能的影响  25-26
    3.1.3 不同退火态合金拉伸断口观察与分析  26-27
  3.2 不同退火温度下合金的微观组织  27-32
    3.2.1 金相组织观察  27-29
    3.2.2 不同退火温度下的SEM 观察  29-30
    3.2.3 合金的TEM 分析  30-32
  3.3 合金再结晶过程的研究  32-36
    3.3.1 合金再结晶温度的确定  32
    3.3.2 回复与再结晶过程  32-34
    3.3.3 合金中第二相对再结晶的影响  34-36
  3.4 合金元素的分布  36-40
    3.4.1 合金中的主要合金元素  36-37
    3.4.2 Er 的分布于存在形式  37-39
    3.4.3 合金中元素的偏聚  39-40
  3.5 本章小结  40-42
第4章 合金疲劳断裂性能研究  42-54
  4.1 疲劳性能研究  42-47
    4.1.1 疲劳极限的测定  42-44
    4.1.2 实验合金疲劳断口形貌观察  44-45
    4.1.3 疲劳断裂的过程分析  45-47
    4.1.4 退火对疲劳性能的影响  47
  4.2 合金平面应力断裂韧性研究  47-51
    4.2.1 断裂韧性测试  47-49
    4.2.2 平面应力断裂韧性断口分析  49-51
  4.3 分析与讨论  51-52
  4.4 本章小结  52-54
结论  54-56
参考文献  56-61
攻读硕士学位期间发表的论文  61-62
致谢  62

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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 > 合金学与各种性质合金 > 合金学理论
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