1 一 ad i s s e r t a t i o ni n 堡堡壘! 壁i 壘! 壘e q ! = 也i 望g 墾望g i 衛(wèi)星皇! = i 望g s t u d y o nu l t r a s o n i cr e f j n e m e n to f s e v e r a l c o m m e r c i a l m a g n e s i u ma l l o y s b y l i uh o n g m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ug u i m i n n or t he a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 t 了 - r l ：l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究 成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果， 也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者虢、1 辦i 井 日期：調(diào)爭(zhēng)，；、乙 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論 文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。 ( 如作者和導(dǎo)師不同意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?；否則視為同意。) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： f | j ， 一 l 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)摘要 幾種工業(yè)鎂合金的超聲孕育細(xì)化研究 摘要 鎂合金以其重量輕、比強(qiáng)度高而日益廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、電子、航空航天等領(lǐng)域， 被認(rèn)為是2 1 世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)前景的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，但低強(qiáng)度是鎂合金應(yīng)用中存在的主要障 礙之一。然而，鎂合金析出沉淀強(qiáng)化手段有限，因此，細(xì)晶強(qiáng)化成為提高鎂合金力學(xué)性 能的一種重要途徑。大量研究已表明，超聲作為一種物理場(chǎng)，可以顯著細(xì)化經(jīng)超聲處理 的金屬熔體的凝固組織，是一種新興的并有廣闊應(yīng)用前景的金屬熔體細(xì)晶處理方法。 本文以a z 系列和a s 4 l 系列鎂合金為研究對(duì)象，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡 ( + 能譜分析儀) 、圖像分析軟件、x 衍射儀以及萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)等手段分別對(duì)連續(xù)與脈沖 超聲孕育處理的鎂合金熔體的凝固組織的宏觀形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、相組成和力學(xué)性能 進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下主要結(jié)論： ( 1 )連續(xù)超聲和脈沖超聲孕育處理均能夠使鎂合金組織明顯得到細(xì)化。超聲孕育處理的 效果與超聲的功率( 強(qiáng)度) 、處理時(shí)間、熔體溫度，以及脈沖超聲的脈寬、周期等 工藝參數(shù)有關(guān)。 ( 2 )連續(xù)超聲孕育處理a z 8 0 熔體時(shí)，高功率短時(shí)間或低功率長(zhǎng)時(shí)間孕育處理時(shí)均可以 獲得較好的晶粒細(xì)化效果。超聲功率對(duì)a s 4 1 合金熔體的影響存在一個(gè)最優(yōu)值；在 功率為l o o w ( 1 4 1 w c m 2 ) 時(shí)，隨時(shí)間延長(zhǎng)晶粒持續(xù)細(xì)化。a s 4 1 合金中的m s i 相隨 超聲功率增加而持續(xù)細(xì)化，但超聲孕育時(shí)間似乎有個(gè)孕育處理時(shí)間門(mén)檻值。 ( 3 )脈沖超聲孕育處理鎂合金熔體時(shí)，處理功率、處理時(shí)間、處理溫度對(duì)鎂合金微觀組 織的影響規(guī)律與連續(xù)超聲類(lèi)似。脈沖超聲的大脈寬和短周期等同于提高脈沖超聲的 平均功率，因此，提高脈寬與縮短脈沖周期對(duì)孕育效果的影響與提高處理的表觀功 率的結(jié)果類(lèi)似。 ( 4 )連續(xù)或脈沖超聲處理鎂合會(huì)熔體均顯著改變其凝固組織中的析出相的點(diǎn)陣常數(shù)。延 長(zhǎng)連續(xù)超聲孕育時(shí)間或增大脈沖超聲的功率，a z 8 0 合金中的p ( m g l 7 a 11 2 ) 相晶格常 數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；a s 4 l 合金中的m s i 相隨連續(xù)超聲功率的增加也呈 相同的變化規(guī)律。 ( 5 )超聲孕育處理后的a z 8 0 鎂合金的鑄態(tài)力學(xué)性能較未經(jīng)超聲孕育處理時(shí)顯著提高。 關(guān)鍵詞：鎂合金，超聲孕育處理，微觀組織，力學(xué)性能 ， j i l 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 摘要 s t u d yo n u l t r a s o n i cr e f i n e m e n to fse v e r a l c o m m e r c i a lm a g n e s i u m a 1 1 0 y s a b s t r a c t m a g n e s i 啪a l l o yh 硒b e e ne x t e n s i v e l y 印p l i e d t om a i l yl ( i n d so ff i e l d i n c l u d i n g a u t o m o b i l e ，e l e c t r o n ，a v i a t i o na 1 1 da e r o s p a c ed u et oi t sl i 曲tw e i g h ta n dl l i 曲s p e c i f i cs 吮n g t h ， a 1 1 d 、v a sc o n s i d e r e d 鷦也em o s tl i 姆i g h tc o n s t r u c t i o nm a t 嘶a l sw o n h yt ob ed e v e l o p e di i l 2l 也c e n t u 阱h o 、v e v e r ，l o ws 慨n g mf b a t u r eo fm a g n e s i u ma l l o yh a sb e c o m eam 匈o r d r a 、b a c ko fi t s a p p l i c a t i o n g 1 嘶nr e f i r l e m e n ti s o n eo fi i i l p o m m t ，a yt 0i m p r o v ei t s m e c h a n i c a lp r o p e n i e sb e c a u s eo fl a c ko fe f i e c t i v cp r e c i p i t a t i o ns t r e n 咖咖n gp h a s e m 鋤y r e s e a r c h e sh a ds h o w nt t l a tt l l es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r i l c t u r ec o u l db er e f i n e dn o t a b l ya n e ri t s m e t a lm e l t 撒c rt r e a t e db yu l t r 嬲0 1 1 i cf i e l d ，s 0t l l a tu l 仃a s o i l i cf i e l dh 嬲ab r i g h tf h t u r ei i l m i c r o s n 眥t i l r er e f i n e m e n t i i lm i sp a p e r ，m a c r o 蚰眥t u r ea i l dl i l i c r o s 臼眥t u r e ，f e a t u r eo fp r e c i p i t a t i o n p h a s e s ， m e c h a l l i c a lp r o p e i t i e so fa z 鋤da sm a g n e s i 啪a l l o y sw e r ci r e s t i g a t e dt h e i rm e l t s 缸e a t e d b y l ec o n t i m l o u sa i l dt l l ep u l s eu l 仃a s o n i cf i e l d st l l r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p e ，x - r a yd i m a c t i o n a m l y s i s ，e n e r j g ) rs p e c t n l i l la 1 1 a l y s i s ，l e i c aa i l a l y z es o f t w a r e ，s e m ( s e d x ) a n ds 0o n n l e m 勾o rc o n c l u s i o i l s 、v e r es u m m a r i z e da sf o l l o 謝n g ： ( 1 ) t h es 0 1 i d i f i c a t i o nm i c r o s t m c t u r e so fm a g i l e s i u ma l l o y sc o u l db er e f i n e do b v i o u s l y 啦e rm e i rm e l t s 訛a t e db ym ec o n t i n u o u so rt 1 1 e p u l s eu l t r a s o n i cf i e l d n ee 艉c to f u l 仃a s o n i c 訛a t m e n ti sr e l a t e dw i mt h ep a r a m e t e r so ft h ea p p l i e du l t r a s o n i cf i l e di n c l u d i n g l e u l t r a s o n i cp o w e r ( i n t e n s i t ) r ) ，t h ct r e a t i n gt i m e ，t h e 仃e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h ep u l s e 謝d t h a n dt h ep u l s ep e r i o do ft h ep u l s eu l t r a s o n i cf i e l d ( 2 ) t l l eb e t t e rm i c r o s t r u c t u r e sw i t hr e f i n e 伊a i n so fa z 8 0m a g n e s i u ma l l o y sc o u l db e o b 詛i n e dm e rt l l e i rm e l t 、v a sn e a t e db yt l l ec o n t i n u o u su l t r a s o n i cf i e l di nt l l ec o n d i t i o no f l l i g h - p o 、v e rf o rs h o r tt i m eo r1 0 、- p o w e rf o rl o n gt i m e a n df o ra s 4 1 a l l o y ，t l l e r ei s 鋤 o p t i m u mv a l u eo fp o w e ro ri m e n s i 夠，a i l dm er e f i n e m e n te f 佬c ti m p r o v e dc o n t i n u o u s l y 雒 p r o l o n g i n gn a t i n gt i m ew h e n t h ep o 、e r ( o ri n t e n s i t y ) i sl0 0 w ( o rl4 1w c m 2 ) t h em s i i i 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 摘要 p h a s ei 1 1a s 4 1a l l o yw a sr e f i n e dc o n t i n u o u s l yw h i l ei n c r e a s i n gt | l eu l t r 弱o n i cp c 、e r h o w e v e r i ts e e m sm a tm et l 】【e 】ci sat l l r e s h o l d 砌u ef o r 船e a t i n gt i m e ( 3 ) t h ee 仔e c t s o fu l 仃弱o i l i cp o 、v e r n i e a t i n gt i r i l e 鋤dn e a t i n gt e m p e r a t u r co nt l l e m i c r o s t l l j c t u r e so fm a g n e s i 唧a l l o y s 嬲印p l y i n gt 1 1 ep u l s ef i e l dt ot l l e i rm e l t s 、v e r es i m i l a rt 0 t h o s eo fc o n t i i l ：u o u sf | e l d b e c a u s en l e 謝d e 、i d mo rs h o r tp e r i o do ft h ep u l s eu l 位啪血cf i e l d i se q u i v a l e n c et 0m 曲t i m ea v e r a g ep o w e r ，t l l ee 腩c to fi n c r e a s i n g 證d mo rs h o 蛐g(shù)p e r i o d o f p u l s ef i l e di st 1 1 es 鋤e 粥t 1 1 er e s u l to fi n c r e a s i i 塢a p p a r e n tp o 、陽(yáng)r ( 4 ) n el a t t i c ep 觚吼e t e r so fp h a s e si i lm a g n e s i u m 甜l o y sc o l l l db ec h a l l g e do b v i o u s l y w h j l et l l e i rm e l t sw e r cl l l 廿嬲0 1 1 i c 臼e a t e d a sp r o l o n 西n g 仃e a t i i l gt i m e0 ri n c r e a s i n g 廿l ep u l s e u l n 鈾o i l i cp o w e r ，廿1 el a t t i c ep 觚l i i l e t e r so fp m g l 7 a 11 2i na z 8 0a l l o yr e d u c e _ f i r s t 鋤d 仕l e n m r e 嬲e ；觚d 恤e 臟c t s0 nm el a t t i c ep 猢e t e r so fm s ii na s 4 1a l l o yh a v em es 鋤e r e s u l t s ( 5 ) a sa z 8 0m a 弘e s i u ma 1 1 0 ym e l tw a s n 。e 砷e db yl l l 缸豁o i l i c 丘e l d ，n l em e c h a i l i c a l 讎n i e s o f i 鍶c a s ta l l o yw e r ei 刪，r o v e dg r e a t l y k e ”舊r d s ：m a g n e s i 眥a j l o y s ，u l t 】r a s o i l i cn i e a 衄e n t ，m i c r o s t l l t u r e ，m e c h a l l i c 出p r o p e r t i e s 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 目錄 目錄 摘要i a b s t r a c t i i 第一章緒論1 1 1 引言1 1 2 鎂合金的種類(lèi)、特點(diǎn)與用途1 1 2 1m g 合金的種類(lèi)1 1 2 2m g 合金的特點(diǎn)2 1 2 3m g 合金的用途2 1 2 鎂合金的組織形態(tài)，3 1 2 1a z 系列鎂合金的組織及形態(tài)3 1 2 1a s 系列鎂合金的組織及形態(tài)4 1 3 鎂合金的組織細(xì)化5 1 4 鎂合金的研究和發(fā)展6 1 5 鎂合金的發(fā)展前景7 1 6 超聲波原理及其特性8 1 6 1 超聲波原理8 1 6 2 超聲波特性9 1 7 金屬熔體超聲孕育處理和凝固研究現(xiàn)狀9 1 7 1 超聲孕育處理對(duì)凝固組織的影響9 1 7 2 超聲孕育處理對(duì)金屬熔體結(jié)晶過(guò)程的作用1 0 1 8 金屬熔體超聲孕育處理在鎂合金中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)“ 1 9 金屬熔體超聲孕育處理與凝固技術(shù)前景1 1 2 0 研究目的、方法和內(nèi)容1 2 第二章實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容1 3 2 1 實(shí)驗(yàn)的材料及準(zhǔn)備1 3 2 1 1 試驗(yàn)材料1 3 2 1 2 試驗(yàn)裝置1 3 2 2 試驗(yàn)方案及方法1 4 2 2 1 試驗(yàn)流程圖1 4 2 2 2 試驗(yàn)方法1 5 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)目錄 2 3 組織性能及檢測(cè)方法1 5 2 3 1 金相試驗(yàn)1 5 2 3 2 掃描電鏡( s e m ) 及能譜分析1 8 2 3 3x i m 實(shí)驗(yàn)1 8 2 3 4 力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)1 8 2 3 5 脈沖周期與脈寬的測(cè)定1 9 第三章連續(xù)超聲孕育處理對(duì)鎂合金組織的影響2 1 3 1 連續(xù)超聲功率對(duì)合金凝固組織的影響2 1 3 1 1 連續(xù)超聲功率對(duì)a z 8 0 、a z 9 1 鎂合金凝固組織的影響2 1 3 1 2 連續(xù)超聲功率對(duì)a s 4 l 凝固組織的影響。3 2 3 2 連續(xù)超聲孕育處理時(shí)間對(duì)合金凝固組織的影響3 6 3 2 1 連續(xù)超聲孕育處理時(shí)間對(duì)a z 8 0 、a z 9 1 鎂合金凝固組織的影響3 6 3 2 2 連續(xù)超聲孕育處理時(shí)間對(duì)a s 4 1 凝固組織的影響4 4 3 3 連續(xù)超聲孕育溫度對(duì)合金組織的影響4 6 3 3 1 連續(xù)超聲孕育溫度對(duì)a z 8 0 合金組織的影響4 7 3 4 連續(xù)超聲孕育處理對(duì)析出相結(jié)構(gòu)的影響5 0 3 4 1 連續(xù)超聲孕育處理對(duì)a z 8 0 合金x 射線(xiàn)衍射圖譜的影響5 0 3 4 2 連續(xù)超聲孕育處理對(duì)a z 8 0 鎂合金中b ( m g l 7 a 1 1 2 ) 相晶格常數(shù)的影響5 2 3 4 3 超聲處理對(duì)a s 4 1 合金x 射線(xiàn)衍射圖譜的影響5 4 3 4 4 超聲處理對(duì)a s 4 l 合金中m 戤s i 相晶格常數(shù)的影響5 6 3 5 分析與討論5 7 3 5 1 超聲細(xì)化機(jī)理5 7 3 5 2 連續(xù)超聲功率對(duì)組織細(xì)化的影響機(jī)理5 9 3 5 3 連續(xù)超聲孕育處理時(shí)間對(duì)組織細(xì)化的影響機(jī)理6 0 3 5 4 連續(xù)超聲孕育溫度對(duì)組織細(xì)化的影響機(jī)理- 6 0 3 6 小結(jié)6 1 第四章脈沖超聲孕育處理對(duì)鎂合金組織的影響6 2 4 1 脈沖超聲功率對(duì)合金凝固組織的影響6 4 4 1 1 脈沖超聲功率對(duì)a z 8 0 鎂合金凝固組織的影響6 4 4 1 2 脈沖超聲功率對(duì)a s 4 1 凝固組織的影響7 1 4 2 脈沖超聲孕育處理時(shí)間對(duì)合金凝固組織的影響7 7 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)目錄 4 2 1 脈沖超聲孕育處理時(shí)間對(duì)a z 8 0 鎂合金凝固組織的影響7 7 ：4 2 2 脈沖超聲處理時(shí)間對(duì)a s 4 1 凝固組織的影響8 0 4 ，3 脈寬對(duì)合金凝固組織的影響8 2 4 3 1 脈寬對(duì)a z 8 0 鎂合金凝固組織的影響8 2 i4 3 2 脈寬對(duì)a s 4 1 凝固組織的影響k 8 5 4 ，4 脈沖周期對(duì)合金凝固組織的影響8 9 ：4 4 1 脈沖周期對(duì)a z 8 0 、a z 9 1 鎂合金凝固組織的影響8 9 4 4 2 脈沖周期對(duì)a s 4 1 凝固組織的影響9 3 4 5 脈沖超聲孕育處理溫度對(duì)合金凝固組織的影響9 6 ；4 5 1 脈沖超聲孕育處理溫度對(duì)a z 8 0 鎂合金凝固組織的影響9 6 4 5 2 脈沖超聲孕育處理溫度對(duì)a s 4 l 凝固組織的影響9 9 4 6 脈沖超聲孕育處理對(duì)析出相結(jié)構(gòu)的影響1 0 2 l4 6 1 脈沖超聲處理對(duì)a z 8 0 合金x 射線(xiàn)衍射圖譜的影響1 0 2 4 6 2 脈沖超聲處理對(duì)a z 8 0 合金晶格常數(shù)的影響1 0 4 如7 分析與討論；1 0 4 4 8 小結(jié)1 0 7 第五章超聲孕育處理對(duì)鎂合金力學(xué)性能的影響j 1 0 8 5 il 連續(xù)超聲孕育處理對(duì)a z 8 0 鎂合金力學(xué)性能的影響1 0 8 ，5 1 1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果j 1 0 8 ：5 1 2 拉伸斷口形貌分析= 1 1 1 5 ；2 脈沖超聲孕育處理對(duì)a z 8 0 鎂合金力學(xué)性能的影響1 1 2 5 2 1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果1 1 2 5 2 2 拉伸斷口形貌分析一1 1 4 5 j3 分析討論j ：1 1 4 5 ：4 小結(jié)：1 1 5 結(jié)論。1 1 6 參考文獻(xiàn)1 1 7 致 射：1 2 1 ， ， ： i 1 1 引言 第一章緒論 鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為1 7 4 1 0 3k g m j 。由于鎂合 金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振性好，還具有優(yōu)良的切削加工性能，在汽車(chē)、 電子、軍事和航空航天工業(yè)中的應(yīng)用同益廣泛。因此，鎂合金被認(rèn)為是2 1 世紀(jì)最具開(kāi)發(fā) 前景的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。過(guò)共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數(shù)小、密度小、體積穩(wěn)定性好、熱 導(dǎo)能力強(qiáng)、耐磨和耐蝕等多種優(yōu)異的特性，因而它也是_ 二種極有發(fā)展f ； 途的結(jié)構(gòu)材料 【1 5 】 o 外加物理場(chǎng)制備材料是材料科學(xué)的前沿技術(shù)。外加物理場(chǎng)凝固技術(shù)是在金屬凝固前 后凝固過(guò)程中對(duì)金屬熔體施加物理場(chǎng)，利用金屬與物理場(chǎng)的相互作用，改善其凝固組織， 具有環(huán)境良好，操作簡(jiǎn)便，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)【6 】。對(duì)金屬熔體進(jìn)行超聲波處理是目前該領(lǐng) 域的研究熱點(diǎn)之一。金屬凝固時(shí)，利用超聲波在熔體中的空化作用，達(dá)到細(xì)化晶粒，均 勻化組織，除氣，除渣，提高力學(xué)性能的作用7 ，羽。 人類(lèi)進(jìn)入2 1 世紀(jì)后，一方面，環(huán)保意識(shí)的提高呼喚著綠色材料的誕生，無(wú)污染的物 理細(xì)晶技術(shù)無(wú)疑將在新世紀(jì)被受關(guān)注；另一方面，物理，材料和電子技術(shù)等領(lǐng)域科學(xué)技 術(shù)的飛速發(fā)展使大功率超聲設(shè)備和耐高溫變幅桿的生產(chǎn)成為可能，使超聲波凝固技術(shù)出 現(xiàn)了新亮點(diǎn)【6 j 。 超聲是一種無(wú)污染的物理場(chǎng)細(xì)晶方法，與傳統(tǒng)的變質(zhì)方法相比有其一定的優(yōu)越性， 是一種新型而有前景的應(yīng)用技術(shù)，本文應(yīng)用超聲處理鎂合金是一種比較新的研究方法。 1 2 鎂合金的種類(lèi)、特點(diǎn)與用途 1 2 1m g 合金的種類(lèi) 目前，國(guó)外工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的m g 合會(huì)主要有以下4 個(gè)系列：a z 系列( m g a 1 z n ) ； a m 系列( m g a 1 m n ) ；a s 系列( m g a l s i ) ；a e 系列( m g a 1 r e ) 。 國(guó)外常用的鎂合金的應(yīng)用范圍如下：a z 系列為最常用的鎂合會(huì)，具有良好的鑄造 性能和高的屈服強(qiáng)度，可用于形狀復(fù)雜的鑄造和變形部件，如汽車(chē)座椅，變速箱外殼等； a m 5 0 和a m 6 0 用于要求高延伸率和韌性，高抗彎曲性能的工件，如車(chē)輪，車(chē)門(mén)等；a s 2 l 和a s 4 l 用于較高溫度下的強(qiáng)度較高的部件；a e 4 2 用f 高溫下高蠕變強(qiáng)度下的部件。 ? ! ? 爭(zhēng) 硬? 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 我國(guó)鑄造鎂合金主要有m g z n - z r ，m g z n z r - r e ，m g - a l z n 三個(gè)系歹i j 【 1 2 2m g 合金的特點(diǎn) 鎂合金主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)【1 ，9 ，1 0 】： 1 ) 密度低，約為鋁合金的6 4 ，鋼的2 5 ，且比強(qiáng)度和比剛度高。 2 ) 收縮率均勻一致，在負(fù)載下具有良好的抗蠕變強(qiáng)度，不需退火和消 有良好的尺寸穩(wěn)定性。 3 ) 相變收縮率約為鋁合金的1 3 ，所以縮孔傾向小。 4 ) 吸震性好，有利于減振和降低噪音。 5 ) 比熱和結(jié)晶潛熱小，具有高熱導(dǎo)率，所以流動(dòng)性好，凝固快。鎂合金的沖型流 動(dòng)速度約為鋁合金的1 2 5 倍，用于壓鑄生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)率比鋁合金提高4 0 到5 0 ，鎂合金 壓鑄件可以比鋁合金壓鑄件的壁厚做得更薄、形狀更復(fù)雜。同時(shí)鎂合金還非常易于回收。 6 ) 無(wú)磁性，可用于電磁屏蔽。 7 ) 具有良好的加工性能。鎂合金鑄件可進(jìn)行高速切削加工，切削抵抗力小，相對(duì) 耗能低于其他金屬。 8 ) 與f e ，c o ，c r ，w 等元素不溶或微溶，對(duì)鋼質(zhì)坩堝、模具和工具侵蝕作時(shí)小。 外與鋼之間的粘附系數(shù)低，所以拔模斜度小，易脫模。 1 2 3m g 合金的用途 鎂合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域歸類(lèi)如下： 1 鋁合金的添加元素金屬鎂是鋁合金中的主要添加合金元素，世界年需求量在3 0 萬(wàn)t 左右。 2 鎂犧牲陽(yáng)極鎂犧牲陽(yáng)極作為有效的防止金屬腐蝕的方法之一，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距 離輸送的地下鐵制管遣和石油儲(chǔ)罐。目前，作為鎂犧牲陽(yáng)極的鎂合金有8 9 萬(wàn)t 年的市場(chǎng) 需求量，且每年以2 0 的速度增長(zhǎng)。 3 型材用鎂合金鎂合會(huì)型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或豳防領(lǐng)域。 近幾年由于鎂合金生產(chǎn)能力和技術(shù)水平的提高，極大地刺激了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，如 用作自行車(chē)架、輪椅、康復(fù)和醫(yī)療器械以及健身器材等】。 4 汽車(chē)用鎂合金近年來(lái)，各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車(chē)的節(jié)能和尾氣排放提出了越 來(lái)越嚴(yán)格的限制，迫使汽車(chē)斜造商采用更多高新技術(shù)，生產(chǎn)重鼉輕、耗油少、符合壞保 要求的新一代汽車(chē)1 2 ，b j 。世界各大汽車(chē)公司已經(jīng)將鎂合會(huì)制造零件作為重要發(fā)展方向。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 第一章緒論 5 電子類(lèi)產(chǎn)品殼體及結(jié)構(gòu)件隨著鎂合金生產(chǎn)技術(shù)的突破，鎂合金的使用成本也大 幅度下降，從而促進(jìn)了鎂合金在計(jì)算機(jī)、通信、儀器儀表、家電，醫(yī)療、輕工等行業(yè)的 應(yīng)用發(fā)展。其中，鎂合金應(yīng)用發(fā)展最快的是電子信息和儀器儀表行業(yè)，這些行業(yè)應(yīng)用的 鎂合金制品的單位重量和尺寸雖然不如汽車(chē)零部件，但它的數(shù)量大、覆蓋面大，總消耗 量也是巨大的【i 引，成為拉動(dòng)全球鎂消耗量增加的另一重要因素。 人類(lèi)進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，能源和環(huán)保題越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，各種各樣的新型 材料層出不窮。鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有很多其它金屬材料所無(wú) 法比擬的優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展空間。在很多情況下，鎂合金在汽車(chē)行業(yè)和電子行業(yè) 所替代的材料為難以回收利用的工程塑料，而鎂合金的回收費(fèi)用很低，因而被稱(chēng)為對(duì)環(huán) 境友好的材料。發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力度地開(kāi)發(fā)鎂基材料。近年來(lái)鎂合金在汽車(chē)和電子產(chǎn)品 上的廣泛應(yīng)用格外引人注目。鎂合金具有高的導(dǎo)熱性、抗磁干擾能力、可壓鑄薄壁件和 易回收等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品。目前的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等都與汽車(chē)排放的尾 氣有關(guān)，汽車(chē)的尾氣污染已經(jīng)成為世界一大公害，嚴(yán)重地威脅人類(lèi)的生存和發(fā)展，人們 期待著鎂合金作為輕質(zhì)材料用于汽車(chē)生產(chǎn)，以減輕汽車(chē)重量、節(jié)約能源、降低污染、提 高人類(lèi)生存的壞境質(zhì)量，因此鎂合金是2 1 世紀(jì)的“綠色”合金【2 】鎂合金以其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性 能，加工性能，減振等性能廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)，電子，航天航空，交通工具，體育用品 等行業(yè)，而且隨著工業(yè)輕量化以及節(jié)約能源追求環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，鎂合金在這些行業(yè)領(lǐng) 域內(nèi)的應(yīng)用將會(huì)迅速擴(kuò)大i l 訓(xùn)。 1 2 鎂合金的組織形態(tài) m g 合金成分的任何細(xì)微變化，都有可能改變其組織結(jié)構(gòu)，合金元素( 尤其是稀土 元素r e ) 將會(huì)引起中間相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化，對(duì)合金的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。 1 2 1a z 系列鎂合金的組織及形態(tài) a z 系列鎂合會(huì)的組織為仞生基體以及晶界共晶體，后者由階m g 相及肛( m g l 7 1 2 ) 組成 ( 見(jiàn)圖1 1 ) 。其巾p ( m g l 7 砧1 2 ) 是具有體【) 立方結(jié)構(gòu)的硬的脆性析出相，在合會(huì)中起劍同溶 強(qiáng)化的作用；z n 在m 爭(zhēng)舢合會(huì)中主要以固溶解念存在；與z n 不同，m n 以游離念存在，m n 呵以 和砧生成a 1 4 或a 1 6 ，當(dāng)有f e 存在的時(shí)生成m n a l f e 三元化合物。1 1 ，1 5 ，6 ，1 7 】 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 第一章緒論 營(yíng)i 一 c 口擎 堋赫k 鑫 1 2 1a s 系列鎂合金的組織及形態(tài) 溪掰乎，蛩3 二勢(shì) 鬟 k 礦t 一一農(nóng)毒。、： ：譬：o j 一滔譬、 一p 。 弛，：? ， 。：。0 。：j h 、： 冀，氣。y 琶i 磐、擎氣。一。 5 0u m - ， _ 。， ： 。： 整：蛙：三。2：= 芝二= = ： 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)第一章緒論 1 3 鎂合金的組織細(xì)化 細(xì)晶強(qiáng)化是提高鎂合金力學(xué)性能的一個(gè)很重要的方法，因?yàn)榫Я５拇笮≈苯佑绊懥?學(xué)性能。研究表明有兩種機(jī)制能促進(jìn)晶粒的細(xì)化【1 9 】：一種是鑄造初期在模壁過(guò)冷處有大 量的晶核產(chǎn)生，這些晶核在對(duì)流作用下被帶到熔體中間，從而促進(jìn)形核。另一種是由于 與懸浮在熔體中的晶核相毗鄰的晶粒長(zhǎng)大將造成局部成分過(guò)冷，能促進(jìn)形核。生長(zhǎng)抑制 因子2 0 1 ( 與液相線(xiàn)的斜率，初始成分以及元素的平衡分配系數(shù)有關(guān)) 的大小和晶核的形核 能力及數(shù)量對(duì)晶粒細(xì)化的效果都會(huì)產(chǎn)生影響。如果合金中加入的元素具有較大的生長(zhǎng)抑 制因子，晶粒的長(zhǎng)大能快速產(chǎn)生成分過(guò)冷使得晶核能夠穩(wěn)定快速的生長(zhǎng)。如果晶核的形 核能力較強(qiáng)，則表示形核所需的過(guò)冷度較低，形核更為容易。所以當(dāng)合金中品核的形核 能力較強(qiáng)且所含元素具有較大生長(zhǎng)抑制因子時(shí)，很容易得到細(xì)小的晶粒。目前鎂合金的 細(xì)晶強(qiáng)化方法主要有以下幾種： ( 1 ) 過(guò)熱法 過(guò)熱法是將合金過(guò)熱到合適的溫度范圍內(nèi)并保溫較短時(shí)間后，快速冷卻至澆注溫度 進(jìn)行澆注的工藝。在過(guò)熱溫度下攪拌可進(jìn)一步提高過(guò)熱處理的晶粒細(xì)化效果。但是由于 過(guò)熱處理增大了鎂合金液的氧化損失和吸氣量，且溶鐵量的增大降低了合金的抗腐蝕性 能，同時(shí)增加了能量和坩堝的消耗，因而在生產(chǎn)上己經(jīng)很少采用【2 l 2 2 1 。 ( 2 ) 氯化鐵法 氯化鐵法是在7 5 0 左右的合金液中加入無(wú)水氯化鐵( f e c b ) 以細(xì)化晶粒的工藝。該 法可獲得于過(guò)熱法相當(dāng)?shù)募?xì)化效果，但其操作溫度較低，并且熔體在澆注溫度下至少可 保持一小時(shí)而不降低細(xì)化效果。氯化鐵法只對(duì)含m n 的合金有效且合金的含鋁量大于3 ， 基于此人們認(rèn)為其細(xì)化原因與f e m n a j 化合物作為結(jié)晶核心有關(guān)【2 3 1 。z r 、b e 元素降低了 該工藝的效果，導(dǎo)致晶粒粗化。由于有f e 的加入從而降低了鎂合金的耐腐蝕性能，故氯 化鐵法未能引起工業(yè)上的注意【2 4 】。 ( 3 ) 加“碳”變質(zhì)法 加“碳”變質(zhì)法足在熔體中加入含碳化合物以細(xì)化晶粒的工藝，浚法網(wǎng)操作溫度 低、細(xì)化效果哀退小己成為鎂合會(huì)最主要的細(xì)化技術(shù)盼2 6 1 。加碳變質(zhì)法要求合金的含鋁 量至少為0 5 ，可作為晶粒細(xì)化劑的含碳化合物很多，如二氧化碳、碳脧鈣、碳酸鎂等。 這些碳化物的加入能夠在鎂合金熔液近中形成新的高熔點(diǎn)化合物，這些化合物將成為新 的異質(zhì)晶核，從而細(xì)化晶粒。近年來(lái)對(duì)無(wú)氯化物細(xì)化劑方面做了很多工作。研究表明， 石蠟、佛石一碳化物、以氫氣為載體脈沖噴入的純石器粉、以及a 1 4 c ，a i n ，s i c ，t i c 顆 粒均具有良好的晶粒細(xì)化效果。 s 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)第一章緒論 ( 4 ) 加s r 、c a 、t i 法 s r 可作為m g a 1 系合金的有效的晶粒細(xì)化劑。s r 可顯著降低純鎂和低鋁含量合金的 晶粒尺寸。研究表明【2 刀a z 9 l 合金經(jīng)c 2 c 1 6 處理后加入o 0 0 5 0 0 3 w t 的s 對(duì)降低晶粒尺寸 和縮孔具有明顯的效果【2 8 1 。 c a 能明顯降低純鎂的晶粒大小，同時(shí)對(duì)a z 9 1 等鎂合金的基體和第二相具有顯著的 細(xì)化效果。c a 能將鎂合金中的m s i 從漢字形轉(zhuǎn)變成小的多邊形，提高了合金的拉伸性 能和韌性【2 9 1 。 t i 是提高鎂合金耐腐蝕性的有益元素，最近的研究表明【3 0 】t i 的加入能夠極大地細(xì) 化a z 9 l 的晶粒，同時(shí)基本上消除了沿晶界分布的粗大p ( m g l 7 a 1 1 2 ) 相，p ( m g l 7 a 1 1 2 ) 相的 形態(tài)趨向粒狀化。 ( 5 ) 外場(chǎng)孕育法 上述提及的幾種組織細(xì)化方法多為變質(zhì)處理法，這種方法不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污 染，而且會(huì)對(duì)金屬液本身造成污染。外加物理場(chǎng)不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境和材料本身造成污染， 而且有顯著的細(xì)化晶粒效果。 外加物理場(chǎng)主要有電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)兩種。電磁場(chǎng)對(duì)組織的細(xì)化原理主要是利用電磁 場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力使熔體產(chǎn)生受迫振蕩，從而細(xì)化組織；超聲孕育細(xì)化組織的原理則是 利用超聲場(chǎng)在熔體中產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)達(dá)到細(xì)化組織的目的。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁場(chǎng)細(xì)化組織方面的研究報(bào)道較多，而超聲孕育細(xì)化組織方面的 報(bào)道很少。 1 4 鎂合金的研究和發(fā)展 鎂合金是一種輕質(zhì)合金，其比強(qiáng)度和比剛度要高于鋼和鋁，具有良好的阻尼性，較 好的尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械加工性和可回收性，因而被稱(chēng)為2 1 世紀(jì)的“綠色”工程材料。但是 由于鎂的化學(xué)活性高，與不同類(lèi)金屬混和時(shí)易發(fā)生電解腐蝕和微電腐蝕，其耐蝕性較差， 這在一定程度上限制了鎂合會(huì)的應(yīng)用。鎂合會(huì)的耐蝕性較差，其高溫強(qiáng)度和蠕變性能較 低，常溫下的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度和韌性較低，同時(shí)弓鋁合會(huì)相比，鎂合會(huì)的成本較 高。所有這些都限制了鎂合會(huì)的應(yīng)用。目前鎂合金的研究和發(fā)展主要有以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 耐蝕鎂合金 鎂合會(huì)的腐蝕速率主要受雜質(zhì)元素f e ，c u ，n i 等的影響，這些雜質(zhì)在鎂中的溶解度較 低，常以非連續(xù)的化合物顆粒出現(xiàn)，形成微電池加劇鎂合會(huì)腐蝕1 3 。通過(guò)嚴(yán)格限制鎂合 金中f e 、c u 、n i 等雜質(zhì)元素的含量，可以大大提高其耐蝕性。高純度鎂合會(huì)的耐蝕性可 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 第一章緒論 提高1 0 0 倍，使之可以在不經(jīng)保護(hù)的狀態(tài)下即可滿(mǎn)足大部分汽車(chē)應(yīng)用的要求。其次，對(duì) 鎂合金進(jìn)行表面處理，可根據(jù)不同的耐蝕性要求，選用不同的處理方法，如：化學(xué)表面 處理、陽(yáng)極氧化處理、有機(jī)物涂覆、電鍍、熱噴涂等。 ( 2 ) 耐熱鎂合金 稀土與鎂形成低熔點(diǎn)共晶體，合金的流動(dòng)性增加，疏松和熱裂傾向減少p 1 1 而且鎂與稀 土組成的相在高溫非常穩(wěn)定，近年來(lái)開(kāi)發(fā)出含稀土的鎂合金僦。僦具有同a z 9 l 同樣的 壓鑄工藝性能，且直到1 7 5 時(shí)其蠕變強(qiáng)度才下降到a z 9 1 在1 5 0 時(shí)的值。但是仍不能滿(mǎn)足 工作溫度在1 8 0 以上的汽車(chē)自動(dòng)變速箱殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)零件的性能要求。最新研究是通過(guò)向 鎂合金中加入c a 、s i 來(lái)迸一步改善鎂合金的高溫抗拉強(qiáng)度和蠕變性能。 ( 3 ) 變形鎂合金 變形鎂合金可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合結(jié)構(gòu)件的使用要求，經(jīng)過(guò)變形的鎂合金材料有較好的 強(qiáng)度和延展性。變形鎂合金有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)3 2 1 。變形鎂合金主要是在3 0 0 5 0 0 溫度在范圍內(nèi)通過(guò)擠壓、軋制和壓力鍛造進(jìn)行生產(chǎn)的。英國(guó)和日本都開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度和耐 蝕性強(qiáng)的變形鎂合金。 ( 4 ) 新的鎂合金成形工藝 真空壓鑄可以減少壓鑄件中的氣體含量【3 3 】，在鎂合金熔融液體進(jìn)入型腔之前的瞬 間，將型腔中的氣體抽出，使得鎂合金壓鑄充型過(guò)程不受氣流干擾，降低鎂合金中的縮 松量和縮松傾向，改善壓鑄件的力學(xué)性能。半固態(tài)成形由于金屬進(jìn)入型腔時(shí)為半固態(tài)， 因此無(wú)需s f 6 氣體保護(hù)，明顯縮短循環(huán)時(shí)間，減少了熱沖擊，提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)模具 壽命，環(huán)境污染小，生產(chǎn)過(guò)程安全。半固態(tài)成形可以減少常規(guī)壓鑄件固有的皮下氣孔和 疏松等缺陷，改善鎂合金的壓鑄態(tài)組織，提高鑄件質(zhì)量。同時(shí)由于凝固收縮小，可實(shí)現(xiàn) 金屬制品的近終成形，減少機(jī)加工，因此受到人們的注意【3 4 】。 鎂合金其他一些潛在性能，如：鎂合金的超塑性3 5 1 ，鎂合金大塊非晶【3 6 1 ，鎂基儲(chǔ)氫 材料1 37 j 等，都在進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)中。 1 5 鎂合金的發(fā)展前景 我幽是鎂資源大國(guó)，但在鎂合金的研究丌發(fā)、市場(chǎng)啟動(dòng)和產(chǎn)業(yè)化等方面部已經(jīng)嚴(yán)重 落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。鎂材料及其加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)我國(guó)材料加工領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展， 有色金屬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高因際競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)材料領(lǐng)域的跨越式發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略 意義。 隨著我國(guó)加w t o ，世界發(fā)達(dá)國(guó)家的鎂合盒制品會(huì)逐步向我國(guó)轉(zhuǎn)移，我豳汽車(chē)、通信 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)第一章緒論 和電子業(yè)將面j 艋十分嚴(yán)峻的形勢(shì)，同時(shí)也為提升鎂合金制品品質(zhì)及其出口附加值提供了 更大的機(jī)遇。因此，進(jìn)一步發(fā)展的市場(chǎng)定位是全球化多層次高品質(zhì)鎂合金制品的開(kāi)發(fā)和 制造。擴(kuò)大出口，以低成本、高附加值產(chǎn)品參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)將成為開(kāi)拓鎂合金市場(chǎng)的一個(gè) 巨大的發(fā)展空間【l ，1 1 ，1 4 1 。 1 6 超聲波原理及其特性 1 6 1 超聲波原理 超聲波通常指頻率大于2 0 0 0 0 h z 的高頻聲波。在強(qiáng)度較低時(shí)，超聲波可以作為探測(cè) 負(fù)載信息的載體與媒介，稱(chēng)為檢測(cè)超聲；當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值，則與傳聲媒質(zhì)相互作用， 可以改變以至破壞傳聲媒質(zhì)的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為高能超聲或功率超聲。 1 超聲波是機(jī)械波在傳播過(guò)程中其能量可為介質(zhì)吸收而衰減。在均勻介質(zhì)中平面波 通過(guò)極薄的厚度為d x 一層介質(zhì)后振幅的減弱( 一d a ) 應(yīng)正比于此處的振幅a ，也正比于這 厚度d ) 【，即 d l 4 = 卅出 比例系數(shù)與介質(zhì)的性質(zhì)和波動(dòng)的頻率有關(guān)，稱(chēng)為介質(zhì)的吸收系數(shù)。經(jīng)過(guò)積分得 彳2 叫oe x p ( 牛) 由于波的強(qiáng)度與振幅的平方成正比，所以平面波強(qiáng)度衰減的規(guī)律是 ，= 而e x p ( 一馳) 上式表明，波的強(qiáng)度隨著傳播距離的增加按指數(shù)規(guī)律衰減隴3 9 ，柏1 。 2 波的反射和折射。聲壓的幅值為 靠利印， 式中，p 為介質(zhì)密度，為介質(zhì)波速。彳= 甜m 是介質(zhì)質(zhì)元振動(dòng)的幅值。設(shè)z 砂，則靠以m = z ，即當(dāng)聲壓幅值尸m 確定時(shí)，z 值增大，則“m 減小，形式上和歐姆定律相似，z 和電 阻相當(dāng)，故稱(chēng)之為介質(zhì)的聲阻抗。 聲波在兩種不同介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射。反射聲波和入射聲波的聲強(qiáng)之 比，i ，o 稱(chēng)為聲波的反射系數(shù)，用p 表示，當(dāng)聲波垂直入射到分界面上時(shí) = ( z 2 - z i ) ( z j + z i ) z 式中z l 印l v i ，z 2 甲2 也分別表示介質(zhì)l 和2 的聲阻抗。折射盧波和入射聲波的聲強(qiáng)度之 比如稱(chēng)為折射系數(shù)，用n 表示，聲波垂直入射時(shí) 僅= 4 ( z i z j ) ( z i + z j 廣 8 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)第一章緒論 當(dāng)z 2 z l 或z 2 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文)第三章連續(xù)超聲孕育處理對(duì)鎂合金組織的影響 圖3 8 連續(xù)超聲孕育處理時(shí)功率對(duì)a z 9 l 顯微組織的影響( 超聲孕育溫度：6 7 5 ) f i g 。3 8e 行e c to f u l 乜憋o n i cp o w e ro nt h em i c m s t m c t u r eo f a z 9 la l l o y 硪e r 仃e a t m e n to f c o n t i n u o u s u l 仃筋o n i cf i e l d ( t r e a l i n gt e m p e 均t u r e ：6 5 0 ) ( a ) w i t h o u tu l t r 豁o n i c ：( b ) 7 2 w 5 0 s ；( c ) l2 6 w 5 0 s ；( d ) 4 0 8 w 5 0 s ；( e ) 6 5 2 w 5 0 s 圖