镁合金铸-锻复合成形应用基础研究

正项目负责人:姜巨福(E-mail:jiangjufu@hit.edu.cn)依托单位:哈尔滨工业大学项目批准号:510750991.项目简介由于涉及结构件的形状控制和力学性能控制,高性能复杂镁合金结构件的成形变得非常困难。本项目将传统的压铸工艺和锻造工艺的技术优势相结合,提出了高性能复杂镁合金结构件铸-锻复合成形技术。设计并制造了专用的卧式铸-锻复合成形装备与模具,对铸-锻复合成形过程中高速充填过程进行了数值模拟分析。利用设计、制造的工装对AZ91D、AM60B镁合     

时效处理对AZ91D压铸镁合金组织及性能的影响

为了了解AZ91D压铸镁合金在高温条件下服役的组织演化规律,通过组织观察、力学性能测试、断口形貌分析,研究了180℃时效后镁合金的组织转变、性能变化及其之间的关系.结果表明:AZ91D压铸镁合金在180℃时效后,显微组织由压铸态的非平衡伪共晶组织向固溶合金的平衡态组织转变,其强度和硬度随时效时间的延长先提高后降低,其变化规律与析出相的作用密切相关.     

半固态压铸AZ91D镁合金的时效行为

系统地研究了半固态高压压铸AZ91D镁合金铸件的时效行为.研究结果表明:无论是铸态组织还是固溶态组织、半固态高压压铸都可以有效缩短AZ91D铸件的时效时间.     

Y对镁合金AZ91力学性能的影响

为了找出稀土元素Y对镁合金AZ91力学性能的影响作用,从而为改善镁合金AZ91的力学性能和拓宽镁合金AZ91的应用领域提供依据,采用室温和高温拉伸试验,辅以断口分析和组织观察,对室温和150℃下不同Y含量的镁合金AZ91的抗拉强度和延伸率等力学性能进行了研究,得出了镁合金AZ91的力学性能随Y含量的变化关系.结果表明,随着稀土元素Y的增加,室温下的抗拉强度逐渐增加,延伸率略有增加;150℃下的抗拉强度逐渐增加,延伸率逐渐降低.加入适量的Y可改善镁合金AZ91的力学性能,使其满足高温下的应用要求.     

AZ31B镁合金手机外壳拉深模具设计

以AZ31B镁合金手机外壳的拉深模具设计和实际生产为例,对AZ31B镁合金的拉深成形过程进行研究。实际生产表明,选取合适的模具结构和参数可以改善AZ31B镁合金板材的拉深成形性能;在拉深成形时,通过对坯料温度和模具温度等主要影响因素的控制,可有效地消除AZ31B镁合金在拉深过程中的拉裂缺陷。     

变形条件对AZ31镁合金塑性的影响

对AZ31镁合金进行了不同轧角的冷轧及退火处理以细化其晶粒尺寸,然后在不同变形条件下对AZ31镁合金进行拉伸试验,研究了应变速率、变形温度、晶粒尺寸等因素对镁合金塑性的影响,并探讨了其超塑性的变形机理。结果表明:随着变形温度的升高,合金的流变应力单调递减,伸长率增大;在150～300℃,合金的变形激活能为90 kJ·mol~(-1),变形机制是晶界扩散控制的位错蠕变机制;在300～350℃,变形激活能为123 kJ·mol~(-1),变形机制是晶格扩散控制的晶界滑移;此合金的塑性成形条件适合工业生产。     

漂珠/AZ91D镁合金复合材料的显微组织与力学性能

以AZ91D镁合金为基体,以不同粒径(45128μm)的漂珠为颗粒增强相,采用搅拌铸造法制备了漂珠质量分数为010%的AZ91D镁合金基复合材料,并研究了复合材料的显微组织和力学性能。结果表明:复合材料中的漂珠分布均匀,主要由α-Mg、Mg17Al12、Mg2Si、MgO等物相组成;复合材料的硬度随漂珠含量增加而增大;当漂珠的质量分数为6%、平均粒径为60μm时,复合材料的硬度最高,为82.1HBW;当漂珠的平均粒径为90μm、质量分数为6%时,复合材料的抗压强度最高,为348.3 MPa;复合材料的断裂方式是以解理断裂为主的脆性断裂,漂珠在复合材料断裂过程中发生破损。     

AZ91D镁合金管件挤压成形技术研究

采用在5000kN液压机上进行了AZ91D合金管件的挤压成形工艺生产试验研究，研究了挤压温度、模具预热温度、润滑剂、挤压比等工艺参数在镁合金管件挤压过程中的影响并确定了管件挤压合理的工艺参数。试验得出，挤压成形镁合金管件具有较好的力学性能：抗拉强度吼在289．7～308．9MPa之间，屈服强度σ。在276．106-288．795MPa之间，伸长率占在7．5％～10．1％之间。     

红外热像法预测镁合金的疲劳性能

对AZ31B镁合金板材在室温下的高周疲劳性能进行了研究,用红外成像仪测量了疲劳试验过程中合金表面的温度变化;根据疲劳试验过程中温度-应力关系及试样表面温度分布差异,确定疲劳断裂位置和疲劳极限。结果表明:根据合金表面温度变化可以预测疲劳断裂位置;以此法确定的AZ31B镁合金的疲劳极限为107.5MPa,与常规疲劳试验测得的疲劳极限吻合较好;加载初期镁合金升温到一定温度后又下降至室温左右,在断裂前温度快速升高。     

石墨烯增强AZ91镁基复合材料的力学性能

分别以质量分数为0.1%的氧化石墨烯和石墨烯纳米片为增强相制备了AZ91镁基复合粉和复合材料,分析了氧化石墨烯与AZ91镁合金的界面反应机理;测试了复合材料的力学性能并观察了拉伸断口形貌。结果表明:以氧化石墨烯为增强相复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为224.85MPa,8.15%和70.14HV,与基体镁合金的相比分别提高了39.7%,35.4%和31.8%,高于以石墨烯纳米片为增强相复合材料的;氧化石墨烯因带有含氧官能团极易与镁合金粉混合均匀,且两者反应生成的MgO有利于提高石墨烯与镁合金基体的界面结合强度,从而提高复合材料的力学性能。     

热压对镁合金焊接接头拉伸性能的影响

通过拉伸试验机、光学显微镜、扫描电镜等研究了热压对AZ31B镁合金钨极氩弧焊焊接接头拉伸性能和断口形貌的影响。结果表明:热压后焊接接头的抗拉强度和伸长率分别可达200MPa和10%,比焊态的分别提高了18%和67%;焊态接头拉伸断口以解理断裂为主,呈现出较多的脚印状小平台,同时伴随有少量韧窝;而热压后焊接接头的断口具有平台撕裂畸变现象,可以观察到热压塑性变形流变线,晶界表现出一定的滑动协调现象。     

热处理对含微量镧AZ91镁合金组织和性能的影响

用XRD、SEM、EDS和显微硬度仪等研究了固溶、时效处理对真空精炼的含0.164 8%(质量分数)镧AZ91镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:加入微量镧后的AZ91镁合金在410℃×24h空冷固溶+170℃×30h空冷时效后,第二类β相大量析出,且呈不连续层片状沿晶界两侧分布;时效态含镧AZ91镁合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和显微硬度分别比铸态不含镧AZ91合金的提高了41.84%,65.08%,35.65%和47.62%;其原因是微量镧改变了热处理中铝原子的扩散状态,有效控制了第一、二类β-Mg17Al12相析出时的形态与分布。     

快速凝固结合粉末冶金法制备SiC_p/AZ91复合材料的组织及性能

用快速凝固结合粉末冶金法制备了SiC颗粒增强镁合金基复合材料(SiCp/AZ91)棒材,研究了SiC颗粒含量对复合材料室温力学性能及显微组织的影响.结果表明:制备的复合材料棒材中SiC颗粒在基体中分布均匀,但仍存在局部颗粒团聚现象;随SiC颗粒含量的增加,复合材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均逐渐降低;热挤压过程中,镁、SiC和SiO2之间发生了界面反应,在界面生成Mg2Si等脆性相,影响了复合材料的界面性能.     

镁合金板材温热成形韧性破裂准则

针对镁合金板材温热成形数值模拟过程中无法精确判断材料损伤破裂失稳的技术难题,建立考虑温度效应的镁合金板材温热成形韧性破裂准则;基于单向拉伸试验和温热成形极限试验,采用试验和数值模拟相结合的研究方法,确定镁合金板材温热成形韧性破裂准则中的材料参数;以建立的考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则作为判断破裂的标准,对AZ31镁合金板材的温热成形极限进行预测,并且通过温热拉延试验进行试验验证。研究结果表明,考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则适合镁合金温热成形数值模拟,应用建立的韧性破裂准则成功的预测板材温热破裂方式,揭示板材温热成形韧性破裂机理,预测结果与试验结果体现较好的一致性。     

AZ31B镁合金TIG焊焊接接头的疲劳性能

对8 mm厚AZ31B镁合金板及其三种TIG焊焊接接头的静载拉伸性能和疲劳性能进行试验研究。试验结果表明AZ31B镁合金母材的静载抗拉强度为245.50 MPa,TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的静载抗拉强度分别为193.55 MPa、229.89 MPa、227.39 MPa。脉动循环(r = 0)疲劳试验表明,在2×106循环次数下,AZ31B镁合金母材的疲劳强度为57.81 MPa,为其静载抗拉强度的23.5％。相同循环次数下,AZ31B镁合金TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的疲劳强度为24.60 MPa、20.14 MPa、17.25 MPa,分别为母材疲劳强度的42.6 %、34.8 %和29.8 %。按照国际焊接学会的规范,发现镁合金焊接接头的疲劳级别FAT仅为相应铝合金接头疲劳级别FAT的一半。由此看来,疲劳性能是影响镁合金在承受动态载荷结构中应用的主要因素之一。     

Effect of heat treatment and number of passes on the microstructure and mechanical properties of friction stir processed AZ91C magnesium alloy

In this paper, the effect of heat treatment and number of passes on microstructure and mechanical properties of friction stir processed AZ91C magnesium alloy samples were investigated. From six samples of as-cast AZ91C magnesium alloy, three plates were pre-heated at temperature of 375°C for 3 hours, and then were treated at temperature of 415°C for 18 hours and finally were cooled down in air. Three plates were relinquished without heat treatment. 8 mm thick as-cast AZ91C magnesium alloy plates were friction stir processed at constant traverse speed of 40 mm/min and tool rotation speed of 1250 rpm. After process, microstructural characterization of samples was analyzed using optical microscopy and tensile and Vickers hardness tests were performed. It was found that heat treated samples had finer grains, higher hardness, improved tensile strength and elongation relative to non-heat treated ones. As the number of passes increased, higher UTS and TE were achieved due to finer grains and more dissolution of β phase (Mg₁₇Al₁₂). The micro-hardness characteristics and tensile improvement of the friction stir processed samples depend significantly on grain size, removal of voids and porosities and dissolution of β phase in the stir zone.

     

AZ31B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系研究

对AZ31B镁合金光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸试验,采用ABAQUS对各试样拉伸过程进行了模拟分析。拟合得到了Johnson-Cook断裂失效模型的部分材料常数,建立了AZ31B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到ABAQUS中进行仿真模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了断裂失效模型的正确性。     

气氛对AZ31B镁合金扩散连接接头性能的影响

针对AZ31B镁合金扩散连接中的气氛保护难题,利用VDW-15型扩散焊设备对厚度为1．0mm的AZ31B镁合金薄板进行了在不同连接气氛条件下的扩散连接。分析了不同气氛下试样的表面状态,对连接接头进行了剪切强度、显微硬度等力学性能测试,利用金相显微镜、扫描电镜对不同气氛下的扩散连接接头显微组织、断口形貌进行了分析,试验结果表明,在扩散连接过程中采用抽真空至4．0×10^-3Pa,再回充高纯氩气保护的方法得到了性能较好的接头,试样表面光洁,剪切强度为39．5MPa,断口分析表明其为脆性断裂。     

AZ31镁合金板材在热处理中组织和性能的演变

研究了热处理对AZ31镁合金轧制板材显微组织、室温力学性能和成形性能的影响。热处理温度在300～350℃范围时,显微组织观察表明,热处理后孪晶消失、组织逐渐趋于均匀化、平均晶粒尺寸变小;力学性能和胀形性能测试结果表明,板材的屈服强度明显降低、抗拉强度略有下降、屈强比降低、伸长率提高,杯突值提高。在350℃、15 min空冷处理后,AZ31镁合金板材的综合性能最好。