镁合金是一种轻量化的绿色工程材料,广泛应用于传动零部件、壳体制造等重要领域。而镁合金较差的硬度和耐腐蚀性能在一定程度上限制了其在工业工程领域的应用范围。本文采用扫描电子束对镁合金进行表面改性处理,研究改性后镁合金的显微组织及机械性能。本文建立了扫描电子束AZ31B镁合金的数学物理模型。基于三维瞬态热传导方程,建立镁合金温度场有限元模型,为实现更优异的晶粒细化效果,进行了附加导热固体的温度场仿真。基于热弹塑性理论,根据扫描电子束温度场仿真结果,耦合热应力建立了扫描电子束应力场有限元模型。最终得出改性过程中温度场和应力场的分布规律,并对不同工艺参数下扫描电子束AZ31B镁合金的改性结果进行了实验验证,研究其截面显微组织、表面形貌和力学性能的变化规律。研究结果表明:整个扫描电子束加热过程分为下束阶段、中期稳定阶段、收束阶段三个过程。下束0.1s时温度达到1010K,超过AZ31B镁合金熔点,表层材料处于熔融状态。中期阶段温度稳定在1210K。收束阶段达到最大温度为1450K。对比不同方式下附加导热固体的温度场仿真结果,采用压片式镁合金表面温度最低,在0.3s时升温至1004K,具有更大的升降温速率,且容易形成微熔抛光效果。对比不同束流下应力场仿真分析可得,扫描区域会出现凸起变形现象,且最大变形量出现在收束端为0.141mm,束流为6m A时表面应力值达320Mpa,超过镁合金的强度极限,改性层出现裂纹。扫描电子束改性后,AZ31B镁合金截面分为熔融层、热影响区和基体三个区域。在非平衡凝固下,改性层中Al元素的分布密度要大于基体中分布密度,晶界上析出大量细小条状且分布均匀的硬质相β-Mg17Al12。改性层发生晶粒细化现象,晶粒由尺寸200～300μm的粗大枝状晶转变为1～5μm的柱状晶和胞状晶。截面显微硬度表现为先升高后降低的规律,在环状扫描方式下,AZ31B镁合金在距表面60μm处硬度达到最大值108.7HV;在集中下束方式下,AZ31B镁合金在距表面200μm处硬度达到最大值109.3HV。AZ31B镁合金改性后力学性能得到显著提升,其表面显微硬度、耐磨性、α-Mg相的体积分数随热流密度增加呈先升高后降低趋势,当束流为5m A时其表面显微硬度最大。扫描速度为300mm/s时,表面显微硬度从67.08HV提高到95.2HV,耐磨性最好。