华东交通大学毕业设计镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究.docx
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华东交通大学毕业设计镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
专业班级：
模具2012－1
学生学号：
20120310040313
学生姓名：
刘运君
指导老师：
刘德佳讲师
二〇一六年六月
毕业设计（论文）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。
本人签名____________
导师签名__________
年月日
华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书
课题名称
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
导师
刘德佳
学历
博士
职称
讲师
学生姓名
刘运君
学号
20120310040313
专业
材料成型及控制工程（模具）
1、课程的目的及意义
1.1镁合金的发展及应用
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。
目前，镁合金的产量只有铝合金的1%。
镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90%以上是压铸件。
近年来，镁材在汽车、摩托车等交通工具、计算机、通讯、仪器仪表、家电、电子电器、轻工、化工、冶金、航空航天等部门获得了广泛的应用，随着镁的提炼及加工技术的发展，以及成本的降低，镁材已经成为工业应用的重要金属，在全球范围内得到快速发展。
1.2搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所（TWI）于1991年10月提出的发明专利，最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。
它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。
其原理为：
与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。
不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头（weldingpin）伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸人工件的接缝中，旋转焊头与工件之问的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。
1.3课题的目的及意义
由于镁合金具有比强度和比刚度高，电磁屏蔽性、减震性、切削加工性能好等优点，因此在航空航天、汽车工业和电子通讯等领域中得到广泛的应用。
但镁属于密排六方晶体结构，其在室温下只有1个滑移面和三个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。
为了改善镁合金存在的缺点，因此本课题采用搅拌摩擦加工来改善镁合金表面的组织性能。
2、课题任务
首先通过查阅文献资料，充分认识镁合金表面性能特征，了解镁合金表面改性的主要方法及其优缺点，特别了解搅拌摩擦加工对镁合金表面组织性能的影响，为本课题理论研究奠定理论基础。
其次根据本课题研究方向，通过试验观察试样微观组织，探寻搅拌摩擦加工对ZK60镁合金表面组织和性能（如显微硬度、摩擦性能等）的影响规律。
然后对ZK60镁合金进行时效处理试验，观察其微观组织，分析其组织特征以及其第二相的演变规律，探索时效处理对搅拌摩擦加工的影响。
3、进度安排：
第1周~第2周：
熟悉设计任务；相关文献查询，完成开题报告
第3周~第14周：
进行试验
第15周：
对论文进行检查、修改；通过指导老师的评阅；并准备答辩。
第16周：
答辩
4、参考文献
[1]郭学锋.细晶镁合金制备方法及组织与性能[M].北京：
冶金工业出版社,2010.
[2]丁文江.镁合金科学与技术[M].北京：
科学出版社，2007.
[3]毛萍莉,王锋,刘正.镁合金热力学及相图[M].北京：
机械工业出版社,2014.
[4]尹欣,刘元朋,文振华.摩擦焊及其检测技术[M].北京：
知识产权出版社,2012.
[5]于成龙,郝欣,沈清.origin8.0[M].北京：
化学工业出版社,2010.
[6]刘德佳.搅拌摩擦焊接镁合金微区结构、力学性能与断裂机制[D].重庆:
重庆大学博士学位论文,2014.
[7]L.Commin,,M.Dumont.FrictionstirweldingofAZ31magnesiumalloyrolledsheets:
Influenceofprocessingparameters[J].ActaMaterialia,2009,.57:
326-334.
[8]麻彦龙,左汝林,汤爱涛,等.时效ZK60镁合金中的合金相探索[J].重庆大学学报,2007,27（12）:
91-94
[9]王快社,王文,孙鹏,等.搅拌摩擦加工镁合金摩擦磨损性能研究[J].西安建筑科技大学,2008,33（11）:
16-19.
[10]赵建华,马爱斌,江静华,等.镁合金搅拌摩擦加工技术的研究进展[J].材料导报,2013,27（9）:
138-142.
[11]胡学安,徐道荣.镁合金搅拌摩擦焊研究现状及进展[J].轻合金加工技术,2006,34（10）:
1007-7235.
[12]王慧源,刘生发,韩辉,等.镁合金晶粒细化及机理研究进展[J].今日铸造,2008,29（12）:
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[13]崔忠圻,刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社,2007.
[14]喻国铭.合金元素对镁合金晶粒细化的作用[J].百科论丛,20（3）:
380.
[15]G.Makar,J.Kruger.Corrosionofmagnesium[J].InternationalMaterialsReviews,1993,38（3）:
138-153.
[16]何柏林,张志军.镁合金晶粒细化研究进展[J].兵器材料科学与工程,2015,38（5）:
116-120.
[17]陈杰,张海伟,刘德佳,等.我国搅拌摩擦焊技术的研究现状与热点分析[J].电焊机,2011,41（10）:
92-96
[18]尹鹏跃,张嘉璐,王云乐,等.增强镁合金耐磨性研究方法的总结[J].科技创新导报,2015,24.
[19]范海东,杨志才.镁系时效析出合金[J].国外金属热处理,2005,26
（1）:
25-29.
[20]刘子利,沈以赴,李子全,等.铸造镁合金的晶粒细化机制[J].材料科学与工程学报,2004,22
（1）:
146-149.
[21]张少卿.MB15镁合金的相组成及其微观形态[J].金属学报,1989,25（6）:
346-351.
指导教师签名：
日期：
本科毕业设计（论文）指导教师评分表
学生姓名
刘运君
学号
20120310040313
专业年级
模具2012－1
设计（论文）题目
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
选题难度、综合性及完成的工作量
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
2
调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
3
研究过程中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力
10
10-9
8
7
6
5-0
4
研究过程中反映出来的创造性（改进或独立见解）、以及组织能力或团队合作能力等
10
10-9
8
7
6
5-0
5
研究过程中的工作态度、严谨的科学精神等
10
10-9
8
7
6
5-0
6
说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
7
外文翻译（数量和质量）
10
10-9
8
7
6
5-0
是否同意该设计（论文）提交答辩：
是（）否（）
总分
补充说明：
指导教师（签名）：
年月日
指导教师姓名
职称或学位
工作单位
主要讲授课程或研究方向
注：
1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；
2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%；
3、总分低于60分，或评价指标1、2、6中有一项为E级得分时，不得提交答辩；
4、补充说明栏不够用时可另加附页。
本科毕业设计（论文）评阅人评分表
学生姓名
刘运君
学号
20120310040313
专业年级
模具2012－1
设计（论文）题目
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
选题难度、综合性及完成的工作量
25
25-23
22-20
19-17
16-15
14-0
2
调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量
25
25-23
22-20
19-17
16-15
14-0
3
毕业设计（论文）中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
4
毕业设计（论文）中反映出来的创造性（改进性或先进性）
10
10-9
8
7
6
5-0
5
说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
是否同意该设计（论文）提交答辩：
是（）否（）
总分
补充说明：
评阅人（签名）：
年月日
评阅人姓名
职称或学位
工作单位
主要讲授课程或研究方向
注：
1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；
2、总分优秀（≥90分）比例原则上不超过20%，优良（≥80分）比例原则上不超过60%；
3、总分低于60分，或评价指标1、2、5中有一项为E级得分时，不得提交答辩；
4、补充说明栏不够用时可另加附页。
本科毕业设计（论文）答辩委员会评分表
（小组答辩使用）
学生姓名
刘运君
学号
20120310040313
专业年级
模具2012－1
设计（论文）题目
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
自述：
条理性、正确性
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
2
问题回答的能力：
正确性、概括性、逻辑性
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
3
毕业设计（论文）质量：
方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性
30
30-27
26-24
23-21
20-18
17-0
4
完成的工作量
30
30-27
26-24
23-21
20-18
17-0
是否同意或推荐参加学院公开答辩是（）否（）
答辩成绩
答辩委员会特殊说明：
负责人（签章）年月日
注：
1、本表填写答辩小组各成员给出的平均成绩；
2、分项分数保留一位小数，答辩成绩由各分项成绩求和后四舍五入取整数；
3、指导教师或评阅人之一不同意提交答辩者，不得进行小组答辩；根据整改情况和个人申请，答辩委员会应做出是否同意其参加学院公开答辩的决定。
毕业设计（论文）最终成绩
（参加公开答辩的同学不填写本表）
指导教师评定成绩（40%）
评阅人评定成绩（30%）
答辩成绩（30%）
百分制成绩
（）优秀
总评成绩原则上应≥90分，且人数应控制在专业总人数的20%以内
（）良好
总评成绩原则上应≥80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内
（）中等
总评成绩原则上应≥70分
（）及格
总评成绩≥60分
（）不及格
总评成绩＜60分或答辩成绩＜60分
答辩委员会主席（签章）
本科毕业设计（论文）答辩委员会评分表
（公开答辩用，未参加学院公开答辩的同学不填写本表）
学生姓名
刘运君
学号
20120310040313
专业年级
模具2012－1
设计（论文）题目
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
序号
评价指标
满分
评分标准
A
B
C
D
E
1
自述：
条理性、正确性
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
2
问题回答的能力：
正确性、概括性、逻辑性
20
20-18
17-16
15-14
13-12
11-0
3
毕业设计（论文）质量：
方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性
30
30-27
26-24
23-21
20-18
17-0
4
完成的工作量
30
30-27
26-24
23-21
20-18
17-0
答辩成绩
答辩委员会特殊说明：
负责人（签章）年月日
注：
1、本表填写答辩委员会各成员给出的平均成绩；
2、分项分数保留一位小数，答辩成绩由各分项成绩求和后四舍五入取整数。
3、答辩成绩小于60分时应视为答辩未通过，毕业设计（论文）成绩按不及格处理。
毕业设计（论文）最终成绩
（未参加公开答辩的同学不填写本表）
指导教师评定成绩（40%）
评阅人评定成绩（30%）
答辩成绩（30%）
百分制成绩
（）优秀
总评成绩原则上应≥90分，且人数应控制在专业总人数的20%以内
（）良好
总评成绩原则上应≥80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内
（）中等
总评成绩原则上应≥70分
（）及格
总评成绩≥60分
（）不及格
总评成绩＜60分或答辩成绩＜60分
答辩委员会主席（签章）
注：
参加公开答辩的同学，答辩成绩以公开答辩成绩为准，小组答辩成绩一并保存。
镁合金表面改性的微观组织与力学性能研究
摘要
ZK60镁合金是一种中高温强度时效强化镁合金，在航空航天，交通运输，电子器材，国防军事等领域具有广泛关注和应用。
但ZK60镁合金的耐磨性较差，易于产生裂纹，需要对其表面进行改性。
搅拌摩擦加工是一种固相连接技术，通过改变表面组织结构来改性合金微观组织与力学性能。
本课题主要通过对ZK60合金进行搅拌摩擦加工和时效强化处理，观察和分析合金显微组织和力学性能的变化。
由于搅拌摩擦加工和时效处理后合金不同区域的组织发生了改变，导致其性能也发生了改变，通过对其进行研究来改善镁合金强度，硬度等性能。
研究发现，搅拌摩擦加工后合金晶粒得到了细化，由母材区的112μm降低到焊缝区的6.8μm，SEM观察到有第二相析出，在母材区沿晶界分布，焊缝区弥散分布，通过谱图分析，较小的第二相中存在Zr元素，而较大的第二相中却没有。
摩擦系数由0.259降低到0.234，合金的耐磨性能得到提高，时效处理后，晶粒的组织形态发生了改变，同时析出了大量的第二相且尺寸更加均匀，摩擦系数进一步降低，合金的耐磨性也同步提高。
关键词：
ZK60镁合金,搅拌摩擦加工,显微组织特征,时效处理,析出相
ABSTRACT
ZK60magnesiumalloyisakindofhightemperaturestrengthofagingreinforcedmagnesiumalloy,intheaerospace,transportation,electronics,nationaldefensemilitaryandotherfieldshavewideattentionandapplication.ButtheZK60magnesiumalloywearresistanceispoorer,pronetocracks,needmodificationonitssurface.Frictionstirprocessingisakindofsolidphaseconnectiontechnology,modifiedbychangingthesurfacestructureofalloymicrostructureandmechanicalproperties.
ThistopicmainlythroughthestudyofthefrictionstirprocessingandageingstrengtheningofZK60alloy,observingandanalyzingthechangeofthealloymicrostructureandmechanicalproperties.Becauseofthefrictionstirprocessingand agingtreatmentleadto thedifferentpartsofthealloy organizationarechanged,itsperformanceisalsochanged,throughcarriesontheresearchtoimprovethestrengthofthemagnesiumalloyandhardnessetc.
Studyfoundthatafterfrictionstirprocessingthealloygrainrefinement,bytheparentmetalarea112umdowntotheweldareaof6.8um,asecondphaseprecipitationwasobservedbySEM,inthebaseareaalongthegrainboundarydistribution,diffusedistributionofweldarea,throughtheanalysisofthespectra, Zrelementsexistin thesmallerofthesecondphasebutlargerinthesecondphaseisnot.Frictioncoefficientreducedfrom0.259to0.259,thewear-resistingperformanceofthealloywasimproved,afteragingtreatment,theorganizationofthegrainshapechanged,atthesametime,alargenumberofseconddaryphasesareseparated,andthesizeismoreuniform,thefrictioncoefficientisfutherreduced,andthewearresistanceofalloyisimproved.
KeyWords:
ZK60,Frictionstirprocessing,microstructure,agingtreatment,precipitatephase
第一章绪论
1.1前言
镁作为“21世纪绿色工程材料”与其它工程材料相比具有很多一系列显著的优点：
特别是其镁合金，无论是在力学性能，物理性能还是化学性能上都要强于镁。
镁合金还具有良好的导热导电性，高比刚度和比强度，电磁屏蔽，阻尼减振，加工成形较简单以及回收容易。
因此镁合金在航空航天，交通运输，电子器材和国防军事等领域中受到了很大的关注，其也被认为具有很重要的应用价值和广阔应用前景的材料。
镁及其合金最主要的缺点是其摩擦系数相对较高导致耐磨性能较差，强度、弹性模量相对其它合金较低，因此在摩擦工况条件下镁合金还没有得到广泛应用。
镁合金及其镁基复合材料在使用过程中由于其相对运动导致零部件不可避免的会与其它材料相互接触摩擦，由此会造成一定的摩擦磨损，但由于其耐磨性能较差，使得它在发动机零部件上的使用得到了一定的约束。
因此到目前为止，其应用范围并非我们想象的那么广泛，被工业界接受也尚有一个过程。
通过对镁合金表面微观组织进行改性的方法来提高其强度，硬度，降低摩擦系数，提高耐磨性。
因此本文通过对ZK60镁合金进行搅拌摩擦加工，和对其经过时效处理来探索镁合金表面改性后的微观组织和力学性能变化规律。
1.2镁合金的强化途径
工业纯镁由于塑性较差，强度较低，因此往往不能直接作为结构材料来使用，往往需要通过合金化，热处理，晶粒细化和镁合金复合等途径来提高其力学性能，因此探索镁合金强化的途径尤为重要。
1.2.1固溶强化
当基体元素中被加入合金元素时，由于基体元素和合金元素之间存在一定的弹性模量和原子半径的差别，使得基体元素中的点阵发生相应的畸变，由此产生的畸变阻碍了位错运动的进行，从而使基体的强度，硬度提高，而其塑性，韧性有所下降，加入不同的溶质对镁基复合材料的固溶强化影响有所差别，当Al每增加1%时其屈服强度提高25MPa，硬度提高8HV;Zn每增加1%时其屈服强度提高45MPa，硬度提高7HV，Ag每增加1%其屈服强度提高23%，硬度提高7HV,等等。
总的来说，应变场决定了溶质的强化效果。
在固溶体中，合金元素的质量分数越大，基体元素与合金元素的价电子差和尺寸差越大，强化效果则越显著。
而强化效果没那么明显的往往是因为置换原子尺寸和溶剂原子的尺寸基本相同，相应的点阵畸变没有那么大
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