复合添加B4C和Sn对含长周期堆垛有序结构相Mg-Y-Zn-Mn合金组织和性能的影响

摘要

含长周期堆垛有序（LPSO）结构的镁合金作为一种新型的高强度镁合金因其优良性能引起研究者的广泛关注。在这些合金中，Mg-Y-Zn 系长周期镁合金因其独特的组织和优良的性能成为研究的热点。人们通过合金化、变质处理、热变形等手段在 Mg-Y-Zn 基础上制备出性能优异的镁合金。LPSO结构的生成与Y元素含量有关，由于Y价格高昂，因此如何在低Y含量下获得更多的LPSO强化相成为重要的研究问题。 本文在Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金的基础上，通过常规铸造的手段制备了两种含长周期结构的镁合金（单独添加Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金，复合添加B4C 和Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金）。首先研究Sn对Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金显微组织和力学性能的影响，然后在含Sn的合金基础上添加B4C，探究复合添加B4C和Sn对Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金的影响，分析B4C改变LPSO相和镁基体生长方式的机理。随后对两种合金进行热处理，进一步研究合金在固溶（炉冷）工艺处理后显微组织和力学性能的变化，同时对复合添加B4C和Sn对W相球化，18R-LPSO与14H-LPSO之间转化进行了研究。最后探究挤压过程中两个重要参数（温度和速度）对挤压后合金组织和性能变化的影响，并探讨B4C对动态再结晶行为的影响。实验结果如下： （1）在合金中添加 Sn 元素能显著促进铸态 Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金中18R-LPSO相的生成，当Sn的添加量为0.35 wt.%时，18R-LPSO相的体积分数由原来的19.5%提高到了 31%，且合金的晶粒得到一定细化，但是仍为柱状树枝晶。合金中 18R-LPSO 相的生长具有明显的方向性，且其生长方向与 W 相平行。该合金抗拉强度和伸长率达到 209.8MPa 和 6.7%，比Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金的171.7MPa和5.7%分别提高了22.2%和17.5%。 （2）复合添加0.02 wt.%B4C和0.35 wt.%Sn后，Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金的显微组织得到明显的改善，晶粒由不规则的柱状树枝晶转变为等轴树枝晶；同时，B4C加入合金组织可以抑制某一方向上LPSO的生长，使LPSO相由强烈的方向性生长转变为无序生长。复合添加B4C和Sn不仅细化晶粒同时保证了 18R-LPSO 相的体积分数，合金的性能得到了显著提升，抗拉强度达到255MPa，屈服强度为215MPa，伸长率为8.8%。 （3）固溶（炉冷）处理Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金，单独添加0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1 合金和复合添加 0.02 wt.%B4C 和 0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金后，合金中的第二相都为条状的18R-LPSO相，层片状的14H-LPSO相，球状的W相。 （4）单独添加0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金经过固溶（炉冷）处理后其组织不均匀；复合添加 0.02wt.%B4C 和 0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金经过固溶（炉冷）处理后，合金的组织变得均匀，在B4C的作用下，W相的球化效果更好。复合添加B4C和Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金固溶（炉冷）后表现出最佳的力学性能，其抗拉强度达到了 252MPa，伸长率为18%。 （5）复合添加0.02 wt.%B4C和0.35wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金经不同温度和速度挤压后，组织中都发生明显的动态再结晶行为。合金的力学性能都得到提升。挤压速度一定，挤压温度越高，动态再结晶体积分数越大；挤压温度一定，挤压速度越快，动态再结晶体积分数越大。B4C 对动态再结晶有一定的延迟作用，复合添加B4C和Sn的合金中动态再结晶晶粒比例（68.95%）低于单独添加Sn的合金（75.8%）。 （6）当挤压温度为360℃，挤压速度为30mm/min进行挤压时，复合添加B4C和Sn的合金的力学性能最好，抗拉强度达到347.5Mpa，屈服强度320MPa，伸长率为21.2%，比单独加Sn的合金分别提高15%，52%，23.2%。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1镁及镁合金

1.2镁合金的强化

1.2.1细晶强化

1.2.2固溶强化

1.2.3析出强化

1.2.4形变强化

1.2.5强化工艺

1.3长周期镁合金

1.3.1结构特征

1.3.2形成与转化

1.3.3 Mg-Y-Zn长周期合金的研究现状

1.4锡在镁合金中的应用

1.4.1 Sn的添加对镁合金组织的影响

1.4.2 Mg-Sn合金

1.4.3 Sn对Mg-Zn系合金的影响

1.4.4 Sn对Mg-Al系合金的影响

1.4.5 Sn对长周期镁合金的影响

1.5碳化硼颗粒在镁合金中的研究现状

1.6选题意义及研究内容

1.6.1选题意义

1.6.2研究内容

第二章 实验过程与研究方法

2.1实验合金的制备

2.1.1实验工艺流程

2.1.2合金成分设计

2.1.3合金制备

2.2热处理工艺

2.3正挤压工艺

2.4分析和测试

2.4.1组织分析

2.4.2性能测试

第三章 Sn对铸态长周期堆垛有序结构Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金显微组织和力学性能的影响

3.1引言

3.2 Sn对铸态Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金显微组织的影响

3.3 Sn对铸态Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金力学性能的影响

3.4小结

第四章 复合添加B4C和Sn对铸态长周期堆垛有序结构Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金显微组织和力学性能的影响

4.1引言

4.2复合添加B4C和Sn对铸态Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金显微组织的影响

4.3复合添加B4C和Sn对铸态Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金力学性能的影响

4.3.1纳米压痕测试

4.3.2拉伸性能测试

4.3小结

第五章 固溶处理对合金显微组织和力学性能的影响

5.1引言

5.2固溶温度的确定

5.3固溶态（炉冷）对含0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1 合金的影响

5.3.1显微组织

5.3.2力学性能

5.4固溶态（炉冷）对复合添加0.02 wt.%B4C和0.35 wt.%Sn的Mg94Y2.5Zn2.5Mn1 合金的影响

5.4.1显微组织

5.4.2力学性能

5.5小结

第六章 正挤压对合金显微组织和力学性能的影响

6.1引言

6.2正挤压温度对合金显微组织和力学性能的影响

6.2.1温度对显微组织的影响

6.2.2温度对性能的影响

6.3正挤压速度对合金显微组织和力学性能的影响

6.3.1速度对显微组织的影响

6.3.2速度对力学性能的影响

6.4挤压态复合添加B4C和Sn合金与单独添加Sn合金对比

6.5小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文