（材料加工工程专业论文）mn及sr、ca对镁铝基合金显微组织和力学性能的影响.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 m n 及s r 、c a 对镁铝基合金显微组织和力学性能酌影口阿 摘要 在日新月异发展的汽车和电子行业，m g m n i a l 系合金是一种新型，具 有良好抗蠕变性能、铸造性能、以及低成本的镁合金。然而该合金的某些 性能等尚未达到令人满意的程度，尤其常温和高温力学性能在同时兼顾方 面还存在一些问题。s r 是提高合金室温性能的重要合金元素；钙是提高合 金高温性能的重要合金元素，用钙进行合金化是提高镁合金高温性能的主 要措施之一。 基于以上背景本文主要内容选择m g 一8 a l 为基体合金。本文采用o m ， x 】王d 、s e m 、e d s 研究了m n 及s r 、c a 对镁铝基合金显微组织和力学性能 的影响。结果表明： ( 1 ) 适量的m n 能够细化m g 8 a l 合金显微组织，改变合金的析出相形 貌并形成新相a 1 8 m n 5 。随着m n 含量增加，合金室温抗拉强度、伸长率先 上升后下降。当m n 含量为0 3 时，合金综合力学性能最好，抗拉强度、 伸长率、室温硬度达到最大值1 4 7 m p a 、1 1 3 、5 1 7 衄与未添加m n 合金 相比，分别提高了11 4 、1 8 9 、1 8 8 。 ( 2 ) s r 的加入明显细化了m g 8 a l o 3 m n 基体组织，粗大的p m 9 1 7 a 1 1 2 相的尺寸和数量都减小，并有部分b m g l 7 a l - 2 相成短条状与颗粒状。当s r 含量进一步增多时，合金中产生a 1 4 s r 相，a 1 4 s r 相的形貌从细骨骼状逐渐 转变成网格状。在s r 含量为1 5 合金综合力学性能最好，抗拉强度、延 伸率、室温硬度分别达到最大值1 6 0 m p a 、1 5 0 4 、6 0 5 h b 与未添加m n 合金相比，分别提高了1 1 4 、1 8 9 、1 8 8 。与添加m n 的合金相比，分 别提高了8 8 ，3 6 3 ，1 7 。 ( 3 ) 在m g 。8 a 1 一o 3 m n 1 5 s r 中添加合金元素c a ，随着c a 的加入，合金组 织明显细化，p m g l 7 a l l z 相主要以颗粒状或小尺寸短条状弥散分布，数量也 f 太原理工大学硕士研究生学位论文 逐渐变少。当c a 的含量进一步增加时，合金中出现新相趟2 c a ，a 1 2 c a 相的 形貌从细骨骼状逐渐转变成网格状。在c a 含量为2 o 时合金综合力学性 能最好，抗拉强度、室温硬度分别达到最大值l4 5 m p a 、5 7 5 h b 。高温抗拉 强度达到了1 2 8 m p a 。 关键词：镁合金，m n ，s r ，c a ，微观组织，力学性能 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ _ 一 e f f e c t so fm na n dt h ec o m p o s i t e m o d i c a t i o no fs r a n dc ao nt 唧m i c r o s t 王m c 矾瓜ea n dp i 的p e r n e so f m g a 1a l l o y a bs t r a c t i nt h er e s e a r c ho fm a g n e s i u ma l l o y ，a l k a l i n ee a r t he i e m e n to c a l p i e sa s p e c i a ls t a m s a tp r e s e n t ，a l k a l i n ee a r mm a g n e s i u ma l l o y sr e s e a r c hi sa tav e r y r a p i d ( 1 e v e l o p m e n ts i t u a t i o n a h 虹n d so fn e wa l l o y sa n dn e wt e c l u l 0 1 0 9 i e sa r c c o m m o n l yr 印o r t e d 0 u rc o u n t qi s ab i gc o u n t 巧o fm a g n e s i u mr e s o u r c e s ，s o h o wt or e s e a r c ha n dd e v e l o pm a g n e s i u mr e s o u r c e si sa nu 略e n tt a s k f o ral o n g t i m e ，t h ea p p l i c a t i o no fa l k a l i n ee 砒he l e m e n t si sb e h i n dd e v e l o p e dc o u n t r i e s ， t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e yt or e s e a r c ha j l dd e v e l o pm a g n e s i u m 丘o m a l la s p e c t s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rs e l e c t m g 8 a la sm a t r i xa 1 1 0 y e f b c t so f 【i la n d t h ec o i l l p o s i t em o d i f i c a t i o no fs ra n d c ao nt h em i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so fm g a la l l o yh a v eb e e ni 1 1 v e s t i g a t e d b yu s i n gx r a yd i f l 疔a c t i o n ( ) ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a l l n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) i n t h i ss t u d y t h e r e s u l t si n d i c a t em a t ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s i n gm nc o n t e n t ，m g 一8 a lm a g n e s i u ma l l o yi so b v i o u s l y r e f i n e d ，t h es h a p eo fp m gl7 a 11 2i s 缸o mc o n t i n u o u so rs e m i - c o n t i n u o u si n t o s m a l ls i z e n e a rt h eb o u n d a r i e s ，n e wp h a s e sa 1 8 m n 5c a nb eo b s e r v e d ，a n dt h e 锄o u mo f 舢8 m n 5p h a s ei n c r e a s e s a m o n gt h em n - c o n t a i n i n ga l l o y s ，t h ea 1 1 0 y w i t ht h ea d d i t i o no f0 5 谢，t h eg r a i nb o u n d a r yi n c r e a s e da n dc o a r s e n i n g t h e a d d i t i o no fm _ nc a nm o d i 母m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm g - 8 a 1m a g n e s i u ma 1 1 0 y o b v i o u s l ya tr o o mt e m p e r a t i l r e a m o n gt h em n - c o n t a i n i n ga l l o y s ，t h ea l l o yw i t h t h ea d d i t i o no fo 3 w t m ne x h i b i t sm er e l a t i v e l yo p t i m u mm e c h a 血c a l p r o p e n i e s m e c h a n i c a lp r o p e n i e st e n s i l es t r e n g ma n de l o n gr e a c h e dt h e m a x i m u m14 7 m p aa n d1 1 3 ，r e s p e c t i v e l y ，c o i l l p a r e d w i t hm g 一8 a la l l o y l i i i n c r e a s e db y1 1 4 a n dl8 9 a st h em nc o n t e n tc o n t i n u ei n c r e a s e dt oo 5 a l t h o u g ht h em a c r o m a r d n e s so fm a g n e s i u ma l l o yh a si n c r e a s e d ，b u tt h et e n s i l e s t r e n g t hs 仃e ：n g t ha n de l o n g a t i o na r eg r e a t l yd e c r e a s e d a st h es rc o n t e n t i n c r e a s e d ，m g 一8 a l x m nm a g n e s i u ma l l o yw a sc h a n g e d 仃o mc l e a v a g e 抒a c t u r e t od u c t i l ef h c t u r e ，a n dt h e nt ot h ec l e a v a g ef h c t l l r em o d e ( 2 ) w i t ht h ei n c r e a s i n g1 2 s rc o n t e n t ，n e wp h a s e sa 1 4 s rc a nb eo b s e r v e d a tt h eg r a i nb o u n d 撕e s m e a n w h i l e ，t h es h a p eo f p m g l 7 a l1 2i sc h a n g e d a st h e s rc o n t e n ti n c r e a s e d ，t h ea m o u n to fp - m 9 1 7 a ll2p h a s ed i s 印p e a r sa n da 1 4 s r p h a s eb e c o m e sc o a r s eg r i d w i t hi n c r e a s i n gs rc o n t e m ，t h eh a r d n e s sv a l u eo ft h e t e s ta l l o yf i r s ti n c r e a s e d ，a n dt h e nd e c r e a s e d t h em a x i m u m h a r d n e s sv a l u ei s 6 0 5 h bw i mc o n t e n to f1 5 s r a m o n gt h es r - c o n t a i n i n ga l l o y s ，t h e a 1 1 0 yw i t h t h ea d d i t i o no f1 5 、玑s re x h i b i t st h e r e l a t i v e l yo p t i m u mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t h eb e s tt e n s i l ep r o p e r t i e sa tr o o m t e m p e r a t u r ei s16 0 m p a ，a n dt h ee l o n gr e a c h e d t h em a x i m u mo f15 0 4 a st h es rc o n t e n ti n c r e a s e d t h e6 a c t u r em e c h a n i s m o f a m 8 0 a l l o ya tr o o mt e m p e 胁r ew a sc h a n g e d 行o mc l e a v a g e 矗a c t u r et od u c t i l e 纳c t u r e ，a 1 1 dt h e nt om ec l e a v a g e 疗a c t u r em o d e ( 3 ) w i t hm ei n c r e a s i n gc ac o n t e n t ，a m 8 0 1 5 s rm a g n e s i u ma l l o vi s o b v i o u s l yc h a n g e d w i t ht h ei n c r e a s i n g1 c ac o n t e n t ，t h es h a p eo f p m 9 1 7 a 1 1 2 p h a s e sc h a n g ef 而mc o n t i n u o u so rs e m i c o n t i n u o u st os m a l ls i z e a st h ec a c o n t e n ti n c r e a s e dt o1 5 ，p p 江9 1 7 a l l 2p h a s ei s o b v i o u s l ys u p p i e s s e d ，a n dn e w p a r t l c l es h a p ep h a s e sa 1 2 c ac a nb eo b s e e d a sc ac o n t e n tc o n t i n u ei n c r e a s e d t h ep a r t i c l e s h 印ea 1 2 c ap h a s eo fm a g n e s i u ma 1 1 0 ya l m o s td i s a p p e a r ，a n d c h a n g et ot h es e m i 。c o n t i n u o u sh e 讯n 曲o n e ，a n dt h e nc o m p l e t e l yt r a n s f o m li m o c o n t l n u o u sg n d a m o n gt h e m n c o m a i n i n ga 1 1 0 y s ，a tr o o mt e m p e r a 咖a n dh i g h t e i n p e r a m r et h ea 1 1 0 yw i t ht h ea d d i t i o no f2 w t c ae x h i b i t st h er e l a t i v e l v o p t l m u mm e c h a n i c a lp r o p e n i e s h a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n 劬r e a c ht o5 7 5 h b a n d14 5 m p a ，m e a n w h i l e ，h i g h t e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t hr e a c ht o12 8 m p a a s t h ec ac o n t e n ti n c r e a s e d ，t h e 丘a c t u r em e c h a n i s mo f a m 8 0 一1 5s r - x c aa l l o va t i v 奎垦墨三盔堂堡主丛窒生堂垡笙塞 一 - 一 r o o mt e i n p e r a t u r ew a sc h a n g e df 如mc l e a v a g ef a c t u r et od u c t i l ef a c t u r e ，a n d t h e nt ot h ec l e a v a g e 丘a c t u r em o d e 1 汪w o r d s ：m g a la 1 1 0 y ，m n ，s r ，c a ，m i c r o s t m c m r e ，m e c h a n i c a lp r o p e n i e s v 盔堕堡三盔堂亟主婴窒生堂焦迨銮 型! 堕塑三盔堂堡主婴窒生堂垡迨塞 第一章：绪论 历史不断发展，人类不断进步。目前高技术产业竞争日益激烈，人们对材料的发展 应用提出了各种各样的要求，包括性能、外观以及轻便化。镁合金在金属材料中因密度 小、比强度、比刚度高、减振性能好、散热性好、良好的电磁屏蔽性、优良的可加工性 等原因倍受世界材料组织的青睐。但是自从第一次世界大战以来，镁合金的应用程度远 远不如铝合金的发展迅猛，主要原因是镁合金抗腐蚀性能差以及镁合金高温蠕变性能 差。镁在潮湿的环境下，以及许多盐溶液中容易受到腐蚀。当镁合金与其他金属相互接 触时，由于镁的电负性大，会发生电化学腐蚀。由于汽车发动机或者传动机在运行时的 温度都在1 5 0 以上，而常用镁合金的温度一般不会超过1 2 5 ，这一缺点将在汽车行 业中受到极大的限制。但是，随着镁合金的不断发展和研究，近些年来，镁合金的发展 涌现出强劲的势头。镁合金的主要应用范围也是在汽车行业和电子行业当中。因为汽车 轻量化能够满足降低能源消耗以及减少对环境污染的要求。此外，由于镁合金质量小， 散热性好，铸造性能优良的优点，镁合金在电子行业中的应用也与日俱增。因此，镁合 金将成为2 1 世纪最重要的轻质材料，所以对镁合金的研究有重要的战略意义。 1 1 镁及镁合金的概况 1 1 1 纯镁的性质 纯镁室温下呈银白色，密度为1 7 3 8 c i l l 3 ，为密排六方结构，晶体常数为 a 0 3 2 0 2 n m ，萨o 5 1 9 9 1 1 i i i ；晶胞的轴比为c a _ 1 6 2 3 7 ，空间群d 2 6 h - p 6 3 埘恤c ，配位数是 1 2 ，无同素异构的转变，是常用结构材料中最轻的金属，图l 一1 为镁合金的晶体结构。 在标准大气压下，它的熔点为9 2 3 k 、沸点是1 3 8 0 k 【1 1 。随着压力增加，镁的熔点也逐渐 随之提高。由于镁的标准电极电位很低，仅为2 3 7 v 1 2 1 ，是电负性很强的金属，所以镁 的耐蚀性能不好，在潮湿的大气、海水等介质中容易被腐蚀。即使在室温条件下镁也很 容易发生氧化，生成疏松多孔又很脆硬的氧化膜，而铝腐蚀会在表面生成一层致密的氧 化膜，因此耐蚀性比铝差很多。纯镁的一些物理化学常数见表1 1 所示。常温下，镁的 滑移面只有基面 0 0 0 1 ) ，由于滑移面很少，因此其塑性变形的能力很低。但当温度升高 到2 4 0 以上时，将产生新的滑移面： 1 0 1 1 ) 、 1 0 1 2 ) ，滑移面增加，从而塑性与室温 条件相比将显著提高【3 1 。 图l 一1 镁的晶体结构 f i g 1 _ l ，n l e 哪t a ls 仃u c m r e0 f a g n e s i 啪 表1 - l 镁的基本性质【4 ，5 j t a b l el - 1b a s i cp r o p 硎e so f m a g i l e s i 啪 湖l l 漕l l 冁 疆 洳溯 | 嘲鲤 礴 相对原子质量 原子直径n m 杨氏模量g p a 密度( 2 0 ) 儋锄。3 沸点 熔点 熔化潜热1 i o 8 时，除析 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 出a 1 2 c a 外还会析出m c a 相，m c a 熔点7 1 5 ，熔点也比较高，使m g - a l c a 合金 在高温条件下仍然保持优异的耐热性能，因此认为m g a 1 c a 合金是一种轻质耐热镁合 金的研究重点。 s r 是银白色金属，常温下密度为2 6 c m 3 ，熔点为7 6 7 ，地壳中的含量比较少， 只有0 0 2 。o 0 3 。s r 是一种变质剂、修复剂，变质时间可长达7 小时，早在舢合金 中以得到广泛的应用。该元素对合金的基体和第二相的形态、数量、分布都有明显的改 善。冒国兵【5 0 】等人在a z 9 1 合金中添加s r ，发现s r 能够显著减小晶粒寸( 晶粒尺寸从 2 5 嘶n 降至1 2 0 u m ) ，同时也研究了s r 对a m 5 0 镁合金高温性能的影响。李落星等【5 l j 研 究了c a ，s r 复合加入对a m 8 0 合金显微组织和力学性能的影响，同时又阐述了其对 a m 8 0 高温蠕变性能的影响。汤彬等【5 2 】、b a i 等吲和h i r a i 掣5 4 1 研究了c a 和s r 复合 添加对m g a l 合金性能的影响，结果表明：合金元素c a 可以提高耐热性，但合金的韧 性大幅降低；s r 可以对加c a 合金起到变质和修复作用，但对抗热裂性的改善不明显。 白星等【5 5 】研究了s r 对a z 9 1 镁合金的组织及力学性能的影响。研究表明，添加微量表 面活性元素s r ，可以阻碍晶粒生长，同时s r 与a 1 生成高熔点a 1 4 s r 相，a 1 4 s r 主要集中 在晶界处，一般呈多角块状和杆状。s r 的固溶，导致晶格畸变程度增加，增加了合金基 体强度【5 6 1 。晶界上的热稳定a 1 4 s r 颗粒相，阻碍了位错的运动，特别在高温情况下有效 钉扎了晶界并阻止了晶界处p m 9 1 7 a 1 1 2 相的滑移，从而改善了a z 9 1 合金的高温力学性 能。但添加过量s r 后，晶界附近a 1 4 s r 硬脆相增多且粗化，合金的强度和韧性降低。 1 3 本课题研究背景、研究的内容、研究意义 1 3 1 研究的背景、意义 在镁合金的研究中，碱土元素占有特殊的地位，目前在各国碱土镁合金的研究处于 非常迅速的态势，各种新合金、新工艺常见报道。我国是镁资源大国，储存产量居世界 第一，因此如何深层次的研究与发展镁资源是目前一项紧迫的课题。长期以来，碱土元 素在镁合金中的应用与发达国家有很大的差距，研究中对镁合金的强化机理做出的解释 比较笼统，许多合金的研究也处于模仿，因此真针对碱土元素对镁合金的不同作用进行 各方面的研究，无疑有重大的意义。本论文旨在以金属模具浇注的m g 8 a l 镁合金为研 究对象，利用普通铸造方法，确定最佳m n 含量；研究s r 含量对a m 8 0 镁合金显微组 织及室温力学性能的影响；研究s r 、c a 复合添加对a m 8 0 镁合金显微组织、室温力学 太原理工大学硕士研究生学位论文 性能以及高温的影响以拓宽镁合金在1 5 0 2 0 0 使用环境中的应用。 1 3 2 研究的内容 在常见的碱土元素中，c a 、s r 对镁合金的强化作用最佳，但有关此方面的研究还不 够透彻，有些研究工作尚待进一步研究。c a 、s r 的低廉价格也在客观原因上为碱土元素 镁合金的研究提供了有利条件。基于以上背景本文选择a m 8 0 镁合金添加碱土元素c a 、 s r 为研究对象，具体内容如下： ( 1 ) 研究m n 对m g 一8 a 1 镁合金组织、室温力学性能的影响，确定a m 8 0 中m n 的 最佳含量，同时对m n 元素的影响机理进行分析。 ( 2 ) 研究s r 对州8 0 镁合金组织、室温力学性能的影响，确定最佳含s r 量，同 时探讨影响机制。 ( 3 ) 在( 2 ) 的基础上，再合金中继续添加c a 元素，研究其对a m 8 0 镁合金组织、 室温与高温力学性能影响，同时探讨影响机制。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章实验过程及手段 2 1 镁合金的成分设计 加入不同含量的碱土元素，镁合金的显微组织和力学性能也会随之发生较大的变 化。因此在本文中对比较常见的碱土元素s r 、c a 对二元镁合金显微组织、力学性能进 行了研究对比，想从中寻求性能改变的机理。本文选择m g 一8 a l 镁合金，先确定m 争8 a 1 中最佳m n 含量，在此基础上单独添加s r ，阐明含s r 相的类型以及强化机理，通过最 佳的力学性能来确定最佳s r 含量，然后在此基础上添加c a ，研究细化机制以及室温与 高温下的拉伸性能。 表2 1m g 8 a 1 心厦n 合金系的成分设计方案( 叭) 1 a b l e 2 1t h ed e s i 髓e dc h e m i c a lc o m p o s “i o no f m 争a l s ra l l o y s ( 叭) noal c ab em n m g a 1 8 o o l 0b a l a 2 8 一 0 0 l0 1 5b a l a 3 撑8 0 o lo 3 b a l a 3 撑 8 一 o 0 1 o 5b a l 表2 2a m 8 0 - x s r a 金系的成分设计方案( 叭) 1 a b l e 2 2t h ed e s i 酗e dc h 锄i c a lc o m p o s i t i o no f a m 8 0 一x s ra l l o y 8 ( 丽) n o a l c as rb e m n m g b 1 f 8 00 0 1 5 0 3b a l b 一2 群8 一 lo 0 1 5o 3b a l - b 一3 i f | 8 1 50 0 1 5 0 3b a l b 4 群8 20 0 1 5 0 3b a l b 5 群8 2 50 0 1 50 3b a l b 一6 8 3o 0 1 50 3b a l 1 3 表2 3a m 8 0 1 5 s r - x c a a 金系的成分设计方案( 叭) t 抽l e 2 3t 1 1 ed e s 蜘e dc h 锄i c a lc o m p o s i t i o no f a m 8 0 一1 5 s r - x c aa 1 1 0 y s ( 、) l ，t ) _ _ - - _ i - _ _ - 。一 n o a 1c a s rb e m n m g c 1 811 5 0 0 1 5u 3 b a l c 2 j f j 8 1 51 5 0 0 1 50 3 b a l c 3 f j 8 c _ 4 撑8 2 2 5 1 5 o 0 1 5 1 5 o 0 1 5 0 3 0 3 b a l b a l c 5 ；f l 831 5 0 0 1 5o 3 b a l 2 2 实验过程设计 具体工艺路线如图2 1 所示。 图2 1 实验技术路线 f 培2 - lt h et e c h n i c a ll i n eo fe x p e r i m e n t s 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 合金制备 2 3 1 原材料准备 实验所用到的m g 为的工业纯镁( 9 9 9 ) ；实验所用到的a l 为纯度9 9 9 的铝锭： m n 为含锰量为1 0 、7 l ，t 的铝- 锰中间合金，其具体化学成分如表2 - 4 所示；b e 为含铍量为 3 6 叭的铝铍中间合金，其具体化学成分如表2 5 所示；c a 为含钙量3 0 的镁钙中间 合金，其具体化学成分如表2 5 所示；r j 2 覆盖剂与r j 6 精炼剂的如表2 6 所示。实验 前需将a 1 1 0 m n 、m g 3 0 c a 中间合金加工成颗粒状，添加时用铝箔包好。 表2 4 实验所用a l m n 中间合金的化学成分( 叭) t a b l e 2 - 4c h e i l l i c a lc o m p o s i t i o no f 越一m ni n t e 锄e d i a t ea l l o yw ( ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 7r j 2 覆盖剂与i u 6 精炼剂的化学成分( 谢) t 曲l e 2 7c h 锄i c a lc o m p o s i t i o no fr j 一2a n dr j 一6i m p r e g n a n tw ( ) 2 3 2 熔炼浇铸工艺 本实验中采用的是普通的s g 5 1 2 型井式干锅炉作为熔炼加热设备，如图2 2 所示。 所选坩埚的材料为4 5 号钢；干燥设备为1 0 l a 2 型电热鼓风干燥箱；采用灵敏的p t l o o 铂电阻传感器作为热电偶；另外，还有托盘天平、扒渣器、搅拌器等辅助工具。 热奄髑 图2 2 坩埚炉结构示意图 f i g 2 - 2t h es t n l c t u r ed i a 伊锄o fc n l c i b l ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c e 如m a c e 2 3 3 实验的前期工作 1 、清洗模具，并将模具加热至1 5 0 一2 0 0 ，然后涂上涂料，涂料为水玻璃与滑石 粉按一定配比配制而成的溶液( 表2 8 ) ，烘干后再预热1 5 0 一2 0 0 待用。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 8 涂料的配料成分( 质量分数，叭) 1 袖l e 2 8c h 锄i c a lc 0 ：m p o s i t i o no fc o a 恤g叭 2 、配制熔炼所需覆盖剂和精炼剂。覆盖剂的主要作用是在表面形成覆盖层，防止 镁合金与空气的接触，从而减少氧化物的生成。精炼剂的作用是吸附镁合金熔液中的废 渣，使废渣沉入锅底【5 7 】。 3 、将需要的原材料、精炼剂、实验工具在保温箱烘干去除表面水气。扒渣器和搅 拌器在使用前应预热至2 0 0 ，然后涂上涂料，随后在电阻炉上加热待用。 2 3 4 熔炼步骤 1 、将干锅在熔炼炉内预热至3 5 0 ，保温十分钟左右，使干锅呈暗红色，用坩埚钳 将坩埚取出。将少量r j 2 覆盖剂均匀地撒在坩埚的底部，然后用坩埚钳将预热2 0 0 的 镁块、铝块、铝铍中间合金放进坩埚内。再将少许r j 2 覆盖剂均匀地撒在镁块、铝块、 铝铍中间合金之上。用坩埚钳将坩埚放入炉内，并盖上坩埚盖。 2 、调节熔炼炉温度至7 2 0 ，并在此温度下保温2 5 分钟，当镁锭、铝锭充分熔化 后，加入铝锰中间合金，并用搅拌器上下搅拌大约一分钟，这个过程中不要用力过猛， 防止搅拌器与空气接触。搅拌结束后，均匀撒上r j 2 覆盖剂，盖上坩埚盖。 3 、继续在7 2 0 ，保温1 0 分钟左右，用坩埚钳打开坩埚盖，在炉内去除熔液表面 的浮渣氧化物，然后加入用铝箔包好的镁钙中间合金以及铝锶中间合金，并搅拌大约 1 分半钟，搅拌结束后均匀撒上r j 2 覆盖剂，盖上坩埚盖。 4 、将炉温调至7 4 0 ，保温2 0 分钟。 5 、在炉内除去表面浮渣，然后加入精练剂。用搅拌器搅拌1 分半钟左右，致使熔 体熔液表面呈镜面状。搅拌结束后均匀撒上r j 2 覆盖剂，盖上坩埚盖。 6 、将炉温调至7 4 0 ，恒温静置2 5 3 0 分钟，充分精炼使渣沉入锅底，然后随炉冷 降温至7 0 0 。 7 、当炉内温度降至7 0 0 时，用坩埚钳夹持从炉中取出坩埚。如果有炉渣及时除去， 然后将合金液浇铸进预热2 0 0 左右的金属模具中，大约4 5 秒钟可取出铸件。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 试样制备 2 4 1 拉伸试样的制备 图2 3 为拉伸试样的尺寸。 图2 3 拉伸性能测试试样尺寸( i n m ) f i g 2 - 3d i l i l e n s i o no ft e n s i l ep r o p e n ) ，t e s ts a i n p l e ( m m ) 2 4 2 金相分析、硬度测试、试样的制备 本实验中浇注成的试棒如图2 4 所示。首先从试棒上截取厚度大约为lo i l 瑚的一段， 然后在砂轮机粗加工至两面大约平行，然后进行人工水砂纸研磨至肉眼看不见划痕。随 后将试样进行机械抛光处理，然后用酒精将试样冲洗干净，随后进行腐蚀，腐蚀液为4 的硝酸酒精溶液。 卜 图2 _ 4 金相试棒示意图( m m ) f i g 2 _ 4m e t a l l o g r a p h yt e s t i l l gr o ds c h e i i l a t i cd r a w i n g ( m m ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 合金成分、组织和相组成测试 2 5 1 金相显微组织分析 首先将试样腐蚀，腐蚀时间大约为1 0 秒钟，然后用水冲洗干净，再用酒精熔液冲 洗静置至表面干净光滑无液滴。将试样在实验室用普通光学显微镜下进行组织观察，然 后使用m b a 2 1 0 0 型号的金相显微镜进行拍照。 2 5 2 拉伸断口形貌分析 使用型号为j s u 6 7 0 0 f 扫描电镜分析试验合金的微观组织形貌；微区成分分析采用 o x f o r d 型能量色散谱仪( e d s ) 。所用试样为深腐蚀后的金相试样。 2 5 3 ) a m 物象分析 使用型号为y - 2 0 0 0 x _ 射线衍射分析仪分析各种成分试验合金的相组成。技术参数： 扫描方式为连续扫描、扫描范围2 0 。8 0 。、c u k 。c 线、滤波片为镍、电压为3 0 k v 、电流 为2 0 i i l a 、扫描速度为3 6 0 m i n 。所用试样为铸态和热处理态金相试样。 2 6 力学性能测试 2 6 1 硬度测试 硬度测试：将熔炼完毕的金属液浇注成圆柱试棒，从试棒上锯下一截高度为1c i i l 左 右的圆柱试样。使用砂轮机打磨成两平行平面，通过粗磨、精磨、抛光等一系列工序后， 选用型号h b 一3 0 0 0 的布氏硬度计( 山东莱州华银试验机仪器有限公司) 打点，然后查阅 手册读取数据。 2 6 2 室温拉伸性能测试 室温拉伸力学性能测量，采用长春试验机研究所有限公司的d n s l o o 型电子万能试 验机进行拉伸，由应力和位移传感器分别得到应力和应变信号，利用计算机和配套软件 生成应力一应变曲线，然后计算出对应试样的屈服强度6 0 2 和抗拉强度0 b 。试样的延伸率 6 通过测量断裂前后的试样长度并计算得出。拉伸速度o 5 m m m i n ，结果取三个试样的平 均值。拉伸前需用锉和砂纸将试样打磨至光亮，以去除铸造过程中产生的飞边、毛刺等 表面缺陷。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 6 3 高温拉伸性能测试 本文测量高温( 1 5 0 ) 拉伸力学性能，采用自带保温炉的长春试验机研究所有限公 司生产的d n s l 0 0 型电子万能试验机进行拉伸，由应力和位移传感器分别得到应力和应 变信号，利用计算机和配套软件生成应力一应变曲线，然后计算出对应试样的屈服强度 6 0 2 和抗拉强度0 b 。试样的伸长率6 通过测量断裂前后的试样长度并计算得出。拉伸速 度0 5 m m m i n ，结果取三个试样的平均值。拉伸前需用锉和砂纸将试样打磨至光亮，以 去除铸造过程中产生的飞边、毛刺等表面缺陷。 。 高温试样拉伸前，先将环境箱升温到1 5 0 ，然后保温1 0 分钟，待环境箱内温度稳 定且均匀后开始加载，然后测试高温力学性能。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章m n 对m g 8 a 1 合金组织和性能的影响 a m 系列目前发展趋势快，是应用较广的合金之一 5 8 1 。然而关于m n 对镁合金显微 组织和力学性能的影响报道却不多，特别是对力学性能的影响机理。本章在m g 8 a l 合 金中添加m n 元素，研究不同m n 含量对该合金体系的组织和性能的影响，得到力学性 能最佳时的m n 含量。 3 1m n 对m g 一8 a l 合金组织的影响及机理分析 3 1 1m n 对m g 一8 a l 合金组织的影晌 图3 1m g 8 a l 镁合金在不同m n 含量下的铸态显微组织 f i g 3 一lt h em i c r o s t m c t u r e so f m g - 8 a lm a g n e s i u ma 1 1 0 yw i t hd i f f 酹e n tm na d d i t i o n s ( a ) o m n ( b ) 0 1 5 m n ( c ) 0 3 m n( d ) o 5 m n 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 1 为m 分8 a l 合金的铸态显微组织，由显微组织可以看出没有添加m n 时，组 织粗大，添加后晶粒明显细化，当含m n 量达到0 3 时，晶粒尺寸达到最小。图 3 2 为m 衍射图谱，由d 分析可知，m g 8 a l 室温铸态组织主要由0 【一m g 固溶体和 p m g l 7 灿1 2 相组成，p m g l 7 a 1 1 2 相主要呈连续或半连续骨骼状分布，如图3 - 1 a 所示。随 着m n 元素的加入，当含量为o 1 5 时，p m g l 7 a l l 2 相数量明显减少，形状大多呈 颗粒状或者小尺寸长条状，如图3 1 b 所示。当含m n 量为o 3 时，晶粒尺寸最小，晶 粒细化效果最佳，p m g l 7 a l l 2 多数为细小点状分布，此时出现第二相a 1 8 m n 5 ，如图3 3 c 所示。进一步增加m n 含量至o 5 时，虽然晶粒尺寸较未加m n 时仍然细化，但是基体 组织尺寸相对于含锰量0 3 时明显粗大，如图3 3 d 所示。 争 客 兰 饕 鲁 暑 图3 2m 哥8 a 1 x 缸镁合金的m 图谱( a1 o m n ，a 3 o 3 m n ) f i g 3 _ 2x r dp a t t e n l so f m g - 8 a l x m nm a g n e s i u ma l l o y s ( a 1 _ o m n ，a 3 - 0 3 m - n ) 图3 3 为合金m g 8 a 1 x m n 的s e m 形貌图。由图3 3 a 可以看出，在未添加m n 时， 合金的d - m g l 7 a 1 1 2 相组织比较粗大。添加m n 元素后p - m g l 7 a l l 2 相明显细化并且颗粒相 显著增多，如图3 3 b 所示。当m n 元素含量达到o 5 时，合金中颗粒状相数量增多但 相比含m n 量为0 3 时明显粗化，如图3 3 c 所示。图3 4 是含m n 量为0 3 的a 点颗 粒状相的e d s 分析图，由于合金中含有p m g l 7 a 1 1 2 的影响，因此去除p m 9 1 7 a 1 1 2 相相 对原子的百分比后，得到a l ：m n = 4 3 ：3 2 1 2 8 ：5 ，因此该颗粒相可判断为a 1 8 m n 5 。 图3 3m g 一8 a l 镁合金在不同含量下的 s e m 组织 f i g 3 - 3t h es e mi m a g e so fm g 8 a l m a g n 器i u ma l l o yw i t hd i 仃柏l t ma d d i t i o n ( a ) 0 m n ( b ) o 3 m n ( c ) 0 5 m n 图3 _ 4 添加o 3 m n 实验合金的e d s 能谱图 f i g 3 _ 4e d sr e s u l to f m a g n e s i u ma 1 1 0 yw i mo 3 m na d d i t i o n 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 2m n 对m g - 8 a 1 合金组织影响的机理分析 由m 分相图可知【5 8 】，元素6 5 0 时在0 【m g 中的固溶度最大，但是也仅有2 2 叭 ，在室温下的固溶度仅为0 1 叭。因此剩下的主要在伐一m g 的固液界面富 集f 5 9 1 。在金属凝固时，q m g 晶