稀土元素Ce对铝铜合金组织性能影响的研究毕业论文

稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页1稀 土 元 素 Ce 对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究摘要高强度铸造铝合金具有良好的室温和高温强度,但它的晶粒细化程度一直是制约其发展的瓶颈。通过对合金的结晶条件、细化晶粒和抑制其再结晶行为进行测试,研究了微量合金元素(Cu,Si,Ce,Mg,Mn)对铝合金晶粒细化性能的影响。其结果表明，Cu,Si,Ce,Mg,Mn 合金元素能使铝合金的晶粒细化程度提高;加入质量分数为 2%的 Si 会使合金的再辉现象非常严重,导致合金不可能有很高的强度而很快断裂;与其他 AlCu4.5Si 合金相比,AlCu4.5Si3 合金具有很强的补缩能力,断裂应力值最高;La 的加入能缩小二次枝晶间距,明显提高合金的抗热裂性能。关键词:树枝晶铸造 AlCu 合金 补缩 等轴晶 热处理1、绪论随着航空航天、新型高速列车、汽车、船舶制造业技术的飞速发展，传统的金属材料已经逐渐被工业生产淘汰，取之而来的是更为优秀的新型合金材料。镍合金、钴合金、钛合金、铝合金、不锈钢及其它特种金属已经是航空航天的主导材料。这些优秀的新型材料会在保证使用强度的前提下，减轻使用的重量以及成本，以提高运载能力和速度。密度小，强度高的合金当然会取代传统的金属材料，成为 21 世纪最受欢迎的材料。因为在地壳中铝的含量为最高，所以成本比较低，强度也非常优秀，所以在工业生产制造中铝合金成为工业中很受欢迎的发展对象。铝合金优点有：质量轻，延展性好，强度高，可回收再造率高，较环保的一种新型材料。很多国家和领域都在不断地探索和发觉铝合金更大的潜力，并不断的优化其物理和化学性能，使其具有人们所需要的使用力学效果外，还具有抗化学变化的储存和延长其使用寿命效果。目前 Al-Cu 系铸造铝合金是一种具有优秀铸造性能的工程铝合金材料世界各国都有类似的成分牌号。表 1-1 各国铸造 Al-Cu 合金牌号及技术参数国家 牌号 抗拉强度/MPa 延伸率/%稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页2ZL201 220 1ZL201A 270 2ZL202 290 2中国ZL203 290 2356.0 207 3A356.0 234 4美国A357.0 283 3德国 Almelec 270 3铝合金密度小而强度高，因此在高端的航空领域应用广泛。在各种铝合金中，Al-Cu 系合金铸造性能优良，比如可塑性好，气密性好，延展性好等，但是在自然界中经过简单的提取后其力学性能确实一般，因此要通过一些外界的干预，提高其力学性能，使其拥有较理想的强度和韧性，因此人们在不断的探索更优良的工艺及细化晶粒的催化剂。纯度比较高的熔体、和理性的细化变质效果是铝合金潜力发挥的重要条件。因此，人们探索发现各种工艺和催化剂旨在于此。铈（Ce）的密度低，在铝合金和铝材料中同时具有过渡金属和稀土金属这两类金属的作用，效果却比这两类金属对铝合金组织性能的影响大。含 Ce铝合金强度高，热稳定性好，有强烈的失效硬化效应，是发展高强度，耐高温和抗腐蚀性结构铝合金的一种微量添加元素。近些年来，含 Ce 铝合金收到金属材料界的重视，从大量的理论基础和实际工业生产中都做了不少研究，西方欧美国家在这方面起步要比我过早，我国目前还处于起步阶段。1.1 铈（Ce）的概述铈（sh），原子序数 58，原子量 140.115，元素名来源于小行星谷神星的英文名。1803 年德国化学家克拉普罗特、瑞典化学家贝采利乌斯分别发现了铈的氧化物。铈的天然稳定同位素有 4 种：铈 136、138、140、142。铈在地壳中的含量约 0.0046%，是稀土元素中丰度最高的。为铁灰色金属，有延展性，熔点 799C，沸点 3426C，密度 6.657 克/厘米。铈是除铕外稀土元素中最活泼的。铈在室温下很容易氧化;在冷水中缓慢分解，在热水中反应加快;大多数铈盐及其溶液为橙红色到橙黄色，具有反磁性和强氧化性。二氧化铈用于抛光精密玻璃制品，也可做玻璃去色剂和用于生产有色玻璃，硝酸铈用于制造白稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页3炽灯罩。1.1.1 铈的性质金属铈（Ce）：铈元素的原子序数 58，铈是一种银灰色的活泼金属，粉末在空气中易自燃，易溶于酸。主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。常由氧化铈用镁粉还原，或由电解熔融的氯化铈而制得。在地壳中的含量约 0.0046%，是稀土元素中丰度最高的。铈主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。常由氧化铈用镁粉还原，或由电解熔融的氯化铈而制得。铈在室温下很容易氧化，在空气中很容易失去光泽，用刀刮即可在空气中燃烧（纯的铈不易自燃，但稍氧化或与铁生成合金时，极易自燃）。加热时，在空气中燃烧生成二氧化铈。能与沸水作用产生氢氧化铈，溶于酸，不溶于碱。铈也能在卤素中燃烧，如在氯气中燃烧，产生三氯化铈(CeCl)：2 Ce + 3 Cl=(或点燃)= 2 CeCl。受低温和高压时，出现一种反磁性体，比普通形式的铈致密 18%。用于制造打火石、陶瓷和合金等。铈是除铕外稀土元素中最活泼的。铈在冷水中缓慢反应，在热水中反应加快。1.1.2 铈的用途用作合金添加剂，及用于生产铈盐等，也用于医药、制革、玻璃、纺织等工业。铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等。铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件。1：铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内度，从而节约空调用电。从 1997 年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996 年用于汽车玻璃的氧化铈至少有 2000 吨，美国约 1000 多吨。2：目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。3：硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。4：Ce:LiSAF 激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。5：制造高辉度碳弧灯，掺入稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页4特种金属里充当合金添加剂。氧化物用于光学器件和玻璃工业，铈盐用于摄影和纺织工业。铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等。铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件。硝酸铈可用来制造煤气灯上用的白热纱罩。6：铈 - 铈铝 铈铝就是我们平时说的 Ce 铝，Ce 铝是一种新型的铈(Ce)系纯铝复合涂层。主要包括铈(Ce)系纯铝涂层和环氧乙烯酯漆涂层，所述铈(Ce)系纯铝涂层是以铝为原料，添加铈(Ce)元素的热喷涂层，所述环氧乙烯酯漆涂层为铈 Ce铝热喷涂层的封闭层和功能涂层。铈(Ce)系纯铝涂层添加元素铈(Ce)重量百分比 0.05-0.50%(wt)，其它杂质铁+铜+硅0.30%(wt)，余量为铝，还可辅助添加元素镁，系纯铝涂层的制作方法为：加工制作成线材或者粉末用热喷涂技术在钢铁表面制作成 Ce 铝喷涂层。所述环氧乙烯酯漆涂层为以环氧乙烯酯树脂为原料，添加炭化硅和铝粉或铝粉浆。环氧乙烯酯漆作为 Ce 系铝涂层的封闭层、中间层和表面层，也还可以其它油漆涂料代替其中的某一层或者全部。一种铈(Ce)系纯铝复合涂层，主要包括：铈(Ce)系纯铝涂层和环氧乙烯酯漆涂层，其特征在于：所述铈(Ce)系纯铝涂层是以铝为原料，添加铈 (Ce)元素的热喷涂层，所述环氧乙烯酯漆涂层为铈 Ce 铝热喷涂层的封闭层和功能涂层。1.1.3 铈的资源制取及储存铈是地壳中最丰的稀土金属。用钙还原氧化亚铈或电解氯化亚铈可制得金属铈。70g 三氯化铈、18.5g 钙在惰性气氛下彻底混合摇匀装入钽坩埚或用机动压力机压成圆柱体放在钽坩埚中，坩埚配有打孔的钽盖子以便通气，置于密闭 MgO 坩埚（d=0.0508m,h=0.1778m）中。然后放在石英管（d=0.11615m）中，管的一端熔封，另一端打磨后嵌入 55/50 锥形接头中。用石蜡将石英管密封在真空体系中（0.133Pa）。充入 Ar（先通过热的金属铀纯化）到=101.325kPa，用 6kW 感应炉加热到 550600，使反应发生（钽坩埚温度突然上升为据）。5min 后达到 1000，维持 13min 使产生的稀土金属完全结块。冷却到室温，用水浸泡钽坩埚以除掉 CaCl、Ca，稀土金属融块保留在底部（1%3%Ca）。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过 30。包装要求密封，不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素、食用化学品分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页51.2 铝铜 Al-Cu 合金概述2 系列铝铜合金以铜为主要合金元素的铝合金，它包括 Al-Cu-Mg 合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金和 Al-Cu-Mn 合金等，属热处理可强化合金。2 系列合金特点是强度高，通常称为硬铝合金，其耐热性能和加工性能良好，但耐蚀性不如大多数其他铝合金好，在一定条件下会产生晶间腐蚀，因此板材往往需要包覆一层纯铝或 6 系列铝合金，提高抗腐蚀性。其中 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金有极为复杂的化学组成和相构成，它在温度下有高的强度，并具有良好的工艺性能，主要用于 150250 摄氏度以下工作的耐热零件；Al-Cu-Mn 合金的室温强度虽然低于 Al-Cu-Mg 合金 2A12 和 2A14，但在 225250 摄氏度或更高温度下强度比二者高，并且合金的工艺性能良好，易于焊接，主要应用于耐热可焊的结构件及锻件。该系提供板材、型材、锻件、线材、棒材、管材、箔材，应用广泛，有航空航天结构件、焊条焊料、机械加工品、发动机活塞机轮等等。1.2.1 铝铜 Al-Cu 合金主要性能及作用铜从大自然提取，其导热导电耐腐蚀性能优良和美丽的光泽，其可塑性特别好，和其他金属合金化能提高其性能；铝也具有导热导电耐腐蚀，密度低塑形好的特点。进行合金化后其整体强度明显提高，可代替笨重的金属材料，易于运输使用，对轻工业，高空工业发展都有着十分重要的位置。1.2.2 单一合金元素对铝铜合金的力学性能影响图 1-3 Cu 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页6图 1-4 Mg 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响图 1-5 Mn 对 Al-Cu 合金强度和伸长率的影响1.2.3 常规铝铜合金的熔炼工艺1.选择按照技术要求所采购来的合格铝锭。2.根据具体配方对原料回料和合金进行配比。3.检查和准备熔化器具。4.按照工序加料熔化。5.对融化好的熔液进行精炼除气。6.根据要求进行变质和细化晶粒处理。7.调整温度进行浇注。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页71.3 课题研究内容和意义目前国际市场对铝合金这种新的材料，都存有很大的期望，同时铝合金对制造业也有很大推进作用。铝合金本身的性能并不能满足一些有高强度的，受力件或者结构件。所以为了提高铝合金的力学性能，对铝合金进行催化剂催化，使其晶粒细化。现在国内对稀土元素研究比较重视，稀土元素中的铈又是地壳含量最高的，现在的提取技术也比较成熟，能满足生产中的使用量。铝元素目前中国是世界存储量最高的国家，所以满足这两个基本方面的情况下。对稀土元素对铝合金力学性能的研究就更有意义了。基于这种优良的条件下，相信经过国内外专家的研究一定会带给目前国际市场一些优秀的材料，提高各个工业发展的进度和高度。当前,招铝合金的重点发展方向主要包括以下几个方面:1)Al-Mg 合金系平衡相图富铝部分尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但是在 大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于 6，而硅含量也低，这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。镁对铝的强化是明显的，每增加 1镁，抗拉强度大约升高瞻远 34MPa。如果加入 1以下 的锰，可能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使 Mg5Al8 化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。 2）AlSi 合金系富铝部分在共晶温度 577 时，硅在固溶体中的最大溶解度为 1.65。尽管溶解度随温度降低而减少，这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为 MgSi。镁和硅的质量比为 1.73:1。设计 Al-Mg-Si 系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅 的含量。有的 Al-Mg-Si 合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。 Al-Mg2Si 合金系合金平衡相图富铝部分 Mg2Si 在铝中的最大溶解度为 1.85，且随温度的降低而减速小。变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。 3）Al-Mn 合金系平平衡相图部分在共晶温度 658 时，锰在 固溶体中的最大溶解度为 1.82。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为 0.8时，延稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页8伸率达最大值。Al-Mn 合金是非时效硬化合金， 即不可热处理强化。锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化 主要是通过 MnAl6 化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6 的另一作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成 Al-Mn 二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰。 4)Al-Cu 合金富铝部分 548 时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65,温度降到 302 时，铜的溶解度为 0.45。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的 CuAl2 有着明显的时效强化效果。 铝合金中铜含量通常在 2.5 5，铜含量在 46.8时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。铝铜合金以铜为主要合金元素的铝合金，它包括 Al-Cu-Mg合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni 合金和 Al-Cu-Mn 合金等，属热处理可强化合金等。2.实验2.1 设计2.1.1 合金成分设计成分设计思路按照正交实验法。正交实验法就是利用排列整齐的表正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面实验的某些要求，这些试验往往能够较好或更好的达到实验的目的。正交实验设计包括两部分内容:第一，是怎样安排实验;第二，是怎样分析实验结果。首先确定以下四种元素含量对铝的组织性能影响：分别是：Si、Cu、Mg、Mn 以表格形式呈现Si 含量分别为 0.5%、1.0%、1.5% 硅能增加铝合金的流动性。Cu 含量分别为 2.0%、3.0%、4.0% 铜能增加铝合金的强硬度。Mg 含量分别为 0.5%、1.0%、1.5% 镁能增加铝合金的耐腐蚀性。Mn 含量分别为 0.5%、1.0%、1.5% 锰能抑制铝合金的再结晶。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页9元素 Si Mg Cu Mn含量/%0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 0.5 1.0 1.5Si 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5Mg 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5Cu 2.0 3.0 4.0 2.0 3.0 4.0 2.0 3.0 4.0Mn 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5成绩 6 7 7 6 7 6 5 6 8 5 6 7编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12注：成绩是金相图结果优良情况，为了方便用数字代替，十分制。经过理论分析可以得出以上理论性结论，那么就要进行下一步确切性实验验证对编号：2、3 两组数据进行实验验证。2.2 实验前准备：1.配料计算。（按照总重 10kg）2.模具制备。3.熔炼浇铸工艺。4.热处理工艺。5.显微镜下金相组织分析。2.2.1 配料计算重量：配重方法公式按照公式：总重 G、铜镁锰硅分别用：ABCD 表示。铝：N第二组计算：N=0.94G A=0.3G B=0.1G C=0.1G D=0.1G第三组计算：N=0.915G A=0.4G B=0.15G C=0.15G D=0.15G 那么第 2 组各成分 铝：9.4kg 铜：300g 镁：100g 锰：100g 硅：100g第 3 组各成分 铝：9.15kg 铜：400g 镁：150g 锰：150g 硅：150g2.2.2 模具制备：模具制备基本步骤：（注：该部分模具制备加工不属于本研究范畴就不在详细说明。）确定模具类型，这里我们做的是注射模，为重力浇铸。确定模具类型的主要稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页10模具，这里保证其气密性好，脱模简单。根据产品的尺寸，加工余量，外形等因素来设计模具图纸。（图纸如下）根据图纸来进行加工，模具。待模具加工出来后，进行浇铸验证，并进行调模、修模。最终确定模具尺寸，进行工装使用。模具图纸及加工好的模具如下图：2.2.3 熔炼浇铸工艺熔炼设备：坩埚电阻炉、热电偶传感器、测氢仪、除气机辅助设备：浇勺、夹子、锤子、凿子、涂料等熔炼浇铸过程加入铝合金：加入含有铝锭，配方按照上面实验的两组配方。加入其他合金：在铝合金融化完成后加入。进行除气并搅拌：在热电阻炉上方通入稀有气体（氩气）、并旋转搅拌 5 到 10分钟，这一步很重要，要严格把控，并除气完全。测氢：除气完成的铝液放在小坩埚容器内，放在封闭的真空测压装置内，压强低于-0.08Mp。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页11扒渣：将电阻炉坩埚铝液表面废渣扒除干净，保证铝液纯度。浇铸：将试棒模具预热到 230 摄氏度以上进行浇铸。脱模：待铝液完全结晶后，将其轻敲脱落。 浇铸完成。以下是浇铸出来成型的产品：（摩擦磨损样片取自同一炉铝液）抗拉伸试棒图 摩擦磨损样片图2.2.4 热处理工艺热处理工艺分为退火、淬火、回火等形式。热处理的目的是通过退其内部应力，消除其内部所带来的影响同时，又能提高其强硬度，是产品性能进行进一步提升，从而产品总体质量提升，目前国内外普遍采用该种热处理工艺流程。热处理工艺流程：1.将厢式加热电炉升温到 500 摄氏度。2.将试棒和样片放置其内部进行保温处理，保温 6 个小时。其流程为退火，目的为消除其内部残余应力。3.时间到达后将其放入纯净的水中进行淬火 5-10 分钟。该步骤目的是为了其表面冷却硬化处理，提高其强硬度。4.时间到达后再将其，放入已经设定好温度 188 度的保温炉进行回火 6 个小时。而后将其拿出进行自然冷却。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页12热处理炉 热处理后试棒图2.2.5 显微镜下金相组织图经过热处理后的样件，从其中锯掉一部分进行金相组织的显微镜观察其内部晶粒细化情况。观察前需要对其进行平面抛光。需要四层砂纸打磨，打磨后需要在抛光机进行抛光，以免观察不到或者划痕太重，不利于观察。下面就是两组试验后显微镜下的金相组织图：第二组（100） 第三组（100）稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页13总结：通过对其晶粒大小和排布方向的分析，实验证明第三组效果更明显，同样放大倍数的前提下，晶粒细化的更为明显，排布也更均匀，得出第三组的数据配方下更为优秀。下面对第三组数据再进行加入 Ce 进行变质处理。3 微量合金变质机理3.1 铈在铝合金中的微合金化作用机理到目前为止，Ce 是人们发现的对铝合金具有合金效果的且地壳含量最多的稀土元素，他对铝合金晶粒的细化效果非常显著，只要加入千分之几的铈就能对铝合金的力学性能有显著的提高，不仅细化晶粒还能抑制合金再结晶，显著提高其强度，塑形，耐高温，耐腐蚀性，以及其焊接性能，甚至能增强抗中子辐照损伤性能。变质处理是指通过在金属及合金中加入少量或微量的变质剂来改变合金的结晶条件使其组织和性能发生变化的过程。研究证明，稀土在合金中具有良好的变质作用，主要表现在细化晶粒和枝晶。稀土元素的原子半径大于铝原子半径，性质比较活泼，它熔于铝液中极易填补合金相的表面缺陷，使得新旧两相界面张力降低，提高了晶核的生长速度，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，细化合金组织。添加稀土还可以减少柱状晶及二次枝晶臂间距，改善晶粒形态，并在一定程度上控制材料晶粒度。实验证明稀土变质作用存在一定潜伏期，只有在高温下保持一定的时间，稀土才会发挥最大的变质作用。稀土在铝合金中的存在形式主要有 3 种：固溶在基体 (Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固溶在化合物中或以化合物形式存在。其存在形式与加入量有很大的关系，当稀土含量较低(低于 0.1%)时，稀土主要以前两种形式分布，通过有限固溶和增加变形阻力，促进位错增殖实现强化；当稀土含量大于 0.3%时，主要以第三种存在形式存在，稀土与合金中的其他元素形成许多含稀土的新相，分布在晶粒内或晶界中，同时使第二相的形状、尺寸发生变化(大部分含稀土的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征)，并出现大量位错，在一定程度上强化了铝合金。3.1.1Al-Ce 合金的研究下面分别以铈的含量在 0.-0.5%之间进行实验铈的含量表如下：含量/元 铈 Ce（%）稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页14素 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Al 91.5 91.5 91.5 91.5 91.5 91.5Si 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5Mg 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5Cu 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0Mn 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5编号 A B C D E F铈对该种合金的组织性能影响实验熔炼和浇铸办法如上，再次就不在重复使用。3.1.2 铈的最佳用量推断：进过六组金相图的分析当铈的含量在 0.4%的时候其细化晶粒的效果最好。首先我们先认识什么是金相分析和金相组织：金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形态，从而确立合金的成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可大大的提高工作效率。计算机定量金相分析，正逐渐成为人们研究和分析各种材料，建立材料的显微组织和各种性能间的定量关系，研究材料组织转变动力学等的有效工具。采用计算机图片分析系统可以很方便的测出研究对象的面积百分数、平均尺寸、平均间距、长宽比等各种参数，然后根据这些参数来确定研究对象的三维空间形态、数量、大小及分布，并与材料的机械性能建立内在联系，为更科学的评价材料、合理的使用材料提供更可靠的数据。金相组织是用金相方法观察到的金属及合金的内部组织。可以分为：1.宏观组织2.显微组织。金相即金相学，就是研究金属和合金其内部结构的一门科学。不仅如此，它还研究当外部因素和内部状态改变时，对金属或合金内部结构的影响。所谓外部因素就是指温度、加工变形、浇铸情况等。其内部状态就是指金属或者合金的化学变化。金相组织反应金属或合金的具体形态。所以对铝合金进行显微镜下的金相组织分析是科学的、可靠的，以下的金相分析是在控制其他因素的条件下，对铈的含量进行单一变化的前提下所做的一系列磨面的二维金相组织分析，通过二维的金相组织来进行分析，推断，结论。稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页15A B CD E F 通过以上六组的实验分别对其进行显微镜下金相组织的分析不难看出第 A 组在不加稀土元素铈、其他因素同等条件下进行浇铸，浇铸出来的样品进行抛光显微观察，很明显的看到其金相组织很不理想，存在很明显的组织裂痕以及其晶粒的不规则，分析推断其力学性能存在缺陷；B 组 在 A 组的条件下加入含量为0.1%的稀土元素 Ce，通过金相图能看出其晶粒明显有所改观，出现少量的树枝状的结晶晶粒，推断其力学性能有所提高；C 组 在进行 A 组条件的前提下往合金中加入 0.2%的稀土元素 Ce，通过同等倍速的二维金相图分析，其结晶组织中存在树枝状和等轴状的结晶组织，其中等轴晶含量偏少；D 组 也是在 A 组的条件下加入含量为 0.3%的稀土元素 Ce，通过二维金相图分析，不难看出其中的等轴晶含量明显高于树枝晶，所以其组织间隙更为紧密，所以推断其力学性能进一步提高；同样条件下在 E 组中加入 0.4%的稀土元素 Ce，在同等放大倍速的显微镜下观察其二维金相组织图，很明显的看到其中的树枝晶基本消失，存在接触间隙紧密的等轴晶，排布均匀，晶粒大小也相对平均等同。推断其力学性能又进一步提高，但是在这种优秀的条件下是否还会进一步提升呢。下面在进行含量的增加，将 Ce 的含量提高到 0.5%，也就是 F 组实验，同等条件下，观察其二维金相组织，可以看到其中的等轴晶有所减少，出现前面几组实验中的树枝晶，推断其力学性能有所下降，不能打破 E 组所得出来的结论，所以最终总结，当稀土元素 Ce 在含量为 0.4%的条件下对铝铜合金晶粒的细化效果最稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页16为明显，其金相组织排布达到理想化。通过以上六组实验的过程以及其金相组织的分析过程分析所得出来的结论是在稀土元素 Ce 含量在 0.4%的条件下最理想，但是缺乏外部抗拉强度、屈服强度和硬度的分析支持，因此这些力学性能参数分别在下折线图表中表示出来，折线图更能看出其力学性能变化的趋势，因此就更有说服性，可靠性。如下图：其以上数据分析，其结果也是证明当铈的含量在 0.4%的状态下其抗拉强度、硬度、屈服强度也表现良好，综上所述铈的含量在 0.4%的状态下对第三组配方铝铜合金晶粒的优化效果最佳。4 结论和展望4.1 结论1）稀土元素的加入对该铝合金的微观组织金相结构，晶粒大小，杂质元素的含量以及夹杂物的数量和分布，时效析出产物的类型和大小等，都产生了较大的影响，进而对合金的性能产生了很大的影响。2）当合金中 Ce 的含量为 0.4%时，稀土 Ce 主要富集在晶界处，并与杂质元素结合形成稀土化合物，净化了晶界，消除了杂质元素的有害作用，且与合金中的合金元素相互作用形成了合金化合物，改变了合金中的金相组成，热处理后呈弥散分布的稀土相可以起到弥散强化作用。3）稀土 Ce 的加入，可以改善铸造铝合金的熔炼质量、细化晶粒组织；当合金中 Ce 的含量为 0.3%时，合金中会存在大量位错对、位错缠结亚结构，导稀 土 元 素 Ce对 铝 铜 合 金 组 织 性 能 影 响 的 研 究 第 页 共 17 页17致合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化。致谢经过一段时间的学习实验，终于完成了稀土元素铈对铝铜合金组织性能影响的研究。在这里非常感谢周老师的殷勤指导和谆谆教诲，周老师在实验的过程中给予了我很大的帮助，让我能按时的完成实验。同时也非常感谢同学的帮助，我们一起学习讨论，在讨论中不断加深对毕业内容的了解，解决设计过程中遇到的难题，一起进步，按时完成毕业设计。参考文献1.韩宝军,刘金明.稀土和 Cu 对工业纯铝性能的影响 .轻合金加工技术,2006,34(3):3840.2.李庆春.铸件形成理论基础.北京:机械工业出版社,1982.3.陈存中.有色金属熔炼与铸锭.北京:冶金工业出版社,1988.4.Borland J C.Fundamentals of Solidification Cracking in Welds.Part Welding and Metal Fabrication,1979(3):991075.PappazM,DrezetjM,GremandM.ANewHot-Cracking Criterion. Metallurrgi-cal and Materials Transactions A,1999,30A(2