论文部分内容阅读
镁合金以其比强度高,比刚度大,易于切削加工等优点而成为最有希望的轻质结构材料,但镁合金仍然存在绝对强度低,塑性差等缺点而严重限制其工业化应用。晶粒细化工艺可以同时提高镁合金的强度和塑性,以扩大其应用领域。然而目前工业使用的细化剂存在细化效率低,细化效果不稳定等问题,因此本文以相互依赖模型为理论依据,以工业生产为应用背景,在不同合金元素（Y、Gd、Ca）及颗粒相（Al4C3、Al2Y、TiC）作用下,对Mg-Al合金（AZ91）的晶粒尺寸、显微组织和力学性能开展研究,以期制备出高效、稳定、可工业化应用的含铝镁合金细化剂。采用合金化工艺,探究不同元素（Y、Gd、Gd/Ca）对AZ91镁合金的细化效率及其机理。研究结果表明:随Y含量逐渐增大,AZ91-xY（x=0、1、2、3wt.%,下同）合金铸态晶粒先粗化后细化,AZ91-3Y合金晶粒从原始的230μm细化到130μm,最佳细化效率为43.5%。Al2Y颗粒可以作为异质形核的核心,也可以分布在晶界附近限制晶粒生长以细化晶粒。随Gd含量逐渐增大,AZ91-xGd（x=0、1、2、3wt.%,下同）合金晶粒先细化后粗化,AZ91-1Gd合金的晶粒细化效率最高（60.9%）,Al2Gd、Al3Gd颗粒同样可以作为异质形核质点也可以在阻挡晶界移动而细化晶粒;AZ91-0.5Gd-0.5Ca和AZ91-1.0Gd-1.0Ca合金晶粒尺寸分别为85μm和92μm,Gd/Ca复合作用下,沿晶界产生的成分过冷作用（Ca）与颗粒相（Al2Gd、Al3Gd）的异质形核作用相互叠加而细化晶粒。利用MMS-2A摩擦实验机对比探究AZ91、AZ91-1Y合金的复合摩擦性能,研究结果表明:滚滑比10:1的复合磨擦工况下,随法向载荷逐渐增大（100 N、200 N、300 N）,AZ91与AZ91-1Y试样的复合磨损率线性增大而摩擦系数逐渐减小,试样表面应力分布符合赫兹理论;在100 N和300 N载荷下,AZ91及AZ91-Y合金的主要磨损机制分别是磨粒磨损和剥层磨损,AZ91-1Y合金耐磨性分别提高21.7%和5.9%,原位生成的Al2Y硬质颗粒可增强材料塑形变形抗力以提高AZ91-1Y镁合金的耐磨性。不同合金的力学性能测试结果及断口分析表明:随Gd含量逐渐增大,AZ91-xGd（x=0、1、2、3）合金抗拉强度先增大后减小,第二相强化与细晶强化复合作用导致AZ91-2Gd合金的抗拉强度最高（167 MPa）。团聚长大的Al-Gd颗粒相会在变形过程中萌生显微裂纹,降低AZ91-3Gd合金的力学性能,导致其断口有较大的解离面和破碎的颗粒相并呈现典型的脆性断裂特征。AZ91-0.5Gd-0.5Ca和AZ91-1.0Gd-1.0Ca合金的抗拉强度分别是163 MPa和172 MPa（AZ91基体,132 MPa）,伸长率（El.）分别4.6%和4.5%（AZ91基体,2.8%）,两种合金的断裂形式也是脆性断裂,试样断口以解理小平面为主,但相比单独添加Gd元素,合金断口的撕裂棱明显增多。采用自蔓延高温合成反应制备含有多相颗粒（Al2Y、Al4C3、TiC）的Al-Ti-C-Y中间合金,其物相种类及微观组织形貌的探究结果表明:自蔓延高温合成反应可以成功制备含多相颗粒（Al2Y、Al4C3、TiC）的Al-Ti-C-Y合金,但由于Al-C之间润湿性不足而残留一定量的碳粉。1.5wt.%含量的Al-Ti-C-Y中间合金作用下,AZ91合金的晶粒细化效率最佳（51.1%）,AZ91晶粒平均尺寸从237μm细化到116μm。