（凝聚态物理专业论文）稀土及时效工艺对almgsi汽车板材组织和性能的影响.pdf

郑州大学硕士论文摘要 摘要 本文以a 1 m g s i 汽车板材为研究对象，以电解低钛铝合金为母材，制备了不同成 分的四种汽车板材，通过金帽显微镜、透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显徼镜( s e m ) 、 x 射线衍射、显徼硬度弱量、拉俾实验、极化曲线测量等方法，研究了稀土含量以及热 处理工艺对a 1 m g s i 板材微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。 研究发现：合金中随着稀土含量的增加。组织中的矿相的密度明显增加、尺寸减 ，j 、分布较均匀，晶界出现了较细密的、连续分布析出相。当稀土含量为o 2 时，合 金时效后出现了调幅组织。因此稀土有利于a 1 m g s i 基合金强化相的形成。加入稀土 所形成的高密度的相粒子和晶界析出相使板材在模拟烘烤后的强度和延伸率均高 于不含稀土的i # 板材，稀土的加入提高了板材力学性能。在t 4 、t 4 p 状态下含稀土板 材的强度有所降低，塑性有所增加，说明加入适量的稀土还有利于提高合金的成形性能。 加入稀土增加了合金微观组织的均匀性净化了合金一方面使合金的自腐蚀电位 明显向负值变化，l c 0 。较小且a e 较大，提高了合金的点蚀抗力。另一方面，由于晶界 析出相抑制了合金的再结晶过程，提高了合金的再结晶抗力，使得含有稀土的合金存在 有拉长的晶粒，降低了合金的抗剥落腐蚀能力。 自然时效时使得合金中出现了大的原子团簇，这些原子团在随后的人工时效过程中 不再溶解，形成较粗大的褶，不利于模拟烘烤过程中合金性能的提高。预时效 ( 1 4 0 x 1 0 m i n ) 使得组织中形成了大量矿相形核中，t l , ，在随后进行1 8 0 c 人工时效时 促进矿相的大量析出。一方面对板材模拟烘烤前的力学性能影响很小，板材具有与t 4 工艺处理相近的屈服强度、抗拉强度和伸长率，不牺牲板材的成形性。另一方面可有效 减轻自然时效的有害作用，使徂板材模拟烘烤后的抗拉强非常接近于t 6 状态，伸长率 与t 6 态基本相同。因此预时效+ 自然时效十油漆烘烤的热处理工艺综合了t 4 和t 6 工艺 二者的优点，板材具有较高的服役效能。 通过对台金成分和热处理工艺的优化，添稀土并进行预时效的扳材的强度瓤成形 性能均达到或超过部分6 0 0 0 系汽车车身板材，稀土含量为0 2 的合金经1 4 0 c x l o m i n 预 时效并模拟烘烤后具有最佳的力学性能和成形性能。 关键词：a i m g s i 汽车板材，稀土元素，热处理工艺，微观组织力学和成形性能， 耐蚀性能 郑州大学硕士论文 a b s t r a c l a b s t r a c t i nt h i sp a p e r 。a i m i n gt oo b t a i nt h ea i m g s ia u t os h e e t , f o u rk i n d so fa u t os h e e t s 、 啪 p r o d u c e dw i t he l e c t r o l y t i cl o w - t i t a n i u ma l u m i n i u ma l l o y s t h ee f f e c to fr a r ee a r t hc o n t e n t a n dh e a ti r e a t m e n tp r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo ft h ea 1 一m g s is h e e t sa r ci n v e s t i g a t e du s i n gm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x r a yd i f r a c t i o nm e t h o d s ， m i c r o - h a r d n e s sm e a s u r e m e n t , t e n s i l et e s t i n ga n dt h ea n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e s t h er e s u l t ss h o wt h a t 谢t 1 1t h ei n c r e a s i n go fr a r ee a 劬c o n t e n ti nt h ea l l o y s t h ed e n s i t y o ft h eb ”p h a s ei si n c r e a s e d ，i t ss i z ei sa l s od e c r e a s e da n di t sd i s t r i b u t i o ni sm o r e h o m o g e n e o u s s o m ef i n ea n dc o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e dp h a s e , e so nt h eg r a i nb o u n d a r yc a nb e f o u n d a f t e rt r e a t e dw i t l ld i f f e r e n ta g i n gp r o c e s s ，t h es p i o n d a ld e c o m p o s i t i o ns t r u c t u r e ，w h i c h m a yb e 矿p h a s e ，a r ea p p e a r e di na l l o y sw i t ho 2 r e t h e r e f o r e ，i ti sb e n e f i c i a lt of o r mt h e p h a s ew h e na l l o y sc o n t a i nc e r t a i nr a r ee a r t he l e m e n t t h eh i g hd e n s i t y 矿p h a s ea n dg r a i n b o u n d a r yp r e c i p i t a t e dp h a s em a d et h ea l l o y sw h i c hc o n t a i nr eh a v eah i r 曲e rs t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nt h a nt h ea l l o yw i t h o u tr ea f t e rb a k i n g t h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o ni sd e c r e a s e d a f t e rt h et 4a n dt 4 pt r e a t m e n t ，s oi ti sb e n e f i c i a lt ot h ef o r m a b i l i t yo fs h e e t sw h e na l l o y s c o n t a i nc e r t a i nf a r ee a r t h t h eu n i f o r mm i c r o s t r u c t u r ea n dt h eh i g i ld e n s i t y1 3 ”p h a s ei na l l o y sc o n t a i n i n gr a r ee a r t h r n a k et h ea l l o y sh a v eal o w e re c o f ra i l da b i g g e ra e ，t h e r e f o r e ，t h es p o tc o r r o s i o n r e s i s l a n c eo f a l l o y si si n c r e a s e d b u tt h eg r a i nb o u n d a r yp r e c i p i t a t e dp h a s em a d et h ea l l o y sh a v eah i g h r e s i s t a n c eo fr e c r y s t a l l i z a t i o n t h ea l l o y sw i t hr eh a v eal o w e re x f o l i a t i o nc o r r o s i o n r e s i s t e n c eb e c a u s es o m ee l o n g a t e dg r a i n si ss t i l lk e p t n a t u r ea g i n gr e s u l t si nt h ea g g r e g a t i o no fs o l u t ea t o m sa n dt h ef o r m a t i o no ft h el a r g e r c l u s t e t h e s el a r g e rc l u s t e r sd o n tb ed i s s o l v e dw h e nt h ea l l o y sa r ea r t i f i c i a la g e d ，t h e r e f o r e ， i ti sh a r m f u lt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fa l l o y sa f t e rs i m u l a t e b a k i n g p r e a g i n g ( 1 4 0 cx l o m i n ) i n c r e a s e st h en u c l e u so f 旷p h a s ea n dr e s t r a i n st h ea g g r e g a t i o no fm g ，s i a t o n l sc l u s t e r sd u r i n gn a t u r ea g i n g , w h i c hi n c r e a s e st h en u m b e ro fb ”p h a s ea f t e rs i m u l a t e b a k i n ga t1 8 0 c o nt h eo n eh a n d ，p r e a g i n gp r o c e s sa l m o s th a sa n ye f f e c to nt h em e c h a n i c a l 郑州大学硕士论文 a b s t r a c t p r o p e r t i e so f t h es h e e t sb e f o r eb a k i n g t h es h e e t sh a v es i m i l a ry i e l ds t r e n g t h , t e n s i l es t r e n g t h a n de l o n g a t i o na st h a to fs h e e t st r e a t e db yt 4p r o c e s s t h u st h es h e e t sh a v es i m i l a r f o r m a b i l i t ya st h o s eb yt 4p r o c e s s o nt h eo t h e rh a n d , l o r e - a g i n gp r o c e s sc a ne f f e c t i v e l y d e c r e a s et h ed e l e t e r i o u se f f e c to fn a t u r ea g i n go nt h ep r e c i p i t a t eh a r d e n i n go fs h e e t s t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es h e e t st r e a t e db yt 4 p b a k i n gp r o c e s sa r eo b v i o u s l yi m p r o v e d t h et e n s i l es t r e n g t ho fs h e e t si sc l o s et ot h a tt r e a t e db yt 6p r o c e s s a n dt h es h e e t sa l m o s t h a v et h es a m ee l o n g a t i o n 船t h o s et r e a t e db yt 6p r o c e s s t h e r e f o r e t h et 4 p b a k i n gp r o c e s s c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft 4a n dt 6p r o c e s s e s t h eh i g h e rp e r f o m m n e eo ft h es h e e ti s a c h i e v e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df o r m a b i l i t yo fa u t os h e e t sc a l lc l o s eo re v e ne x c e e ds o m e o ft h et r a d i t i o n a l6 0 0 0a u t os h e e t sb yt h eo p t i m i z a t i o no ft h ea l l o y i n gc o m p o s i t i o na n dh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s t h ea u t os h e e t sw i t i l0 2 r eh a v et h eo p t i m a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e r t r e a t e db yp r e - a g i n gt r e a t m e n ta t1 4 0 cf o r1 0 m i na n ds i m u l a t eb a k i n g k e y w o r d s ：a 1 一m g s ia u t os h e e t s ，r ea l l o ye l e m e n t s ，h e a tt r e a t m e n l m i e r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n df o r m a b i l i t y ，c o r r o s i o nr e s i s t e n c e i l l 郑州大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界汽车工业正面临着越来越严重的三大问题：能源、环境、安全。减轻汽车自重 以降低能耗、减少环境污染，提高汽车燃料经济性，节约有限资源，提高汽车行驶的平 稳性、乘客的舒服性和安全性，成为各大汽车厂商关注的焦点。据统计，汽车每减轻 l o o k g ，油耗可减少0 4 1 o l k m 。车重减少5 0 ，二氧化碳的排放减少1 3 ，同时氮化 物、硫化物等的排放量也会相应的减少。在轻质材料中，镁合金材料的价格和安全性也 限制了它的广泛应用。铝及其合金由于具有质量轻、耐磨耐腐蚀、弹性好，抗冲击性能 好，易于表面着色，良好的加工成形性及高的回收率等一系列优良特性，使其成为了汽 车轻量化的理想材料。随着汽车产量的增加和能源、环境问题普遍受到人们的关注，汽 车用铝合金的开发和应用将得到越来越广泛的关注【l 卅。 汽车车身约占汽车总量的3 0 ，对汽车本身来说，约7 0 的油耗是车身质量上的， 所以汽车车身的铝合金轻量化对减轻车身自重、提高整车的燃油经济性至关重要。汽车 车身板材上，用变形铝合金代替传统的钢板，可以有效地减轻汽车自重。因此，世界各 大汽车厂商和科研机构都在积极研究开发汽车车身铝合金板材，都有铝制车身的概念车 或批量生产的车型问世1 5 , 6 。根据新华网消息，我国即将成为世界第五大汽车工业国。 据预测，到2 0 1 0 年我国汽车总产量将达到4 5 0 万辆，2 0 1 5 年将达到6 0 0 万辆左右。随 着技术的进步和人们生活水平的提高，消费者对汽车的需求量越来越大，对汽车性能的 要求也越来越高，但是我国汽车工业发展水平难以满足广大消费者的要求，许多汽车厂 家只是简单引进外国车型，缺少自己的特色，科研和生产严重脱节。我国汽车工业将面 临严酷的市场竞争，即面临巨大而诱人的商机又面临外国同行的巨大挑战，所以必须在 借鉴外国先进经验和先进生产技术的基础上，自行研制开发汽车车身用铝合金，加大技 术含量，而不是一味地依赖进口和简单仿制，这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之 地。 目前，我国汽车铝化率还比较低，一般轿车单车用铝量为4 0 - 5 0 k g 左右，铝化率平 均为4 ，远远低于发达国家。国内汽车用铝发展也不平衡，铝轮毂发展过热，汽车车 身板基本属于空白。由于汽车车身占汽车总量的3 0 左右。因此开发高性能车身用铝合 郑州大学硕l 论文 第一章绪论 金，对于解决汽车车身板材依赖进口的难题及提高我国汽车工业的整体水平具有重要意 义。 1 2a 1 - g g - s i 铝合金汽车车身板材的分类及特点 用作汽车车身板材的铝合金主要有2 0 0 0 系( a i c u - m g ) 、5 0 0 0 系( a i - m g ) 、6 0 0 0 系( a 1 m g s i ) 合金，表1 1 1 2 列出了主要车体铝合金板材的化学成分及主要车体铝 合金板材的典型室温力学性树”。 2 0 0 0 系合金具有优良的锻造性、高的强度、焊接性能好、可热处理强化等特点， 其强化相为c u m g a l 2 和c u a l 2 ，以c u a h 为强化相的合金在时效温度升高时，会出现强 度降低的现象，而以c u m g a l 2 为强化相的合金，由于强化相形成困难，时效硬化很慢。 因此，由这两种强化相强化的合金，需要较高的人工时效温度以便获得合适的强度。虽 然强度高，成形性好，但抗腐蚀性比较差，容易发生点蚀、剥蚀、腐蚀开裂等，而且在 喷漆烘烤时硬化能力比较低。这些都限制了2 0 0 0 系板材在汽车车身板材上的应用。 5 0 0 0 系铝合金中，m g 固溶于基体中形成固溶强化效应，使得5 0 0 0 系合金的强度 接近普碳钢板，成形性、抗腐蚀性比较好，可用于内板等形状复杂的部位。该系合金退 表l 。1 主要车体锅合金板材的化学成分 t a b l v i ，lc h e m i c a lc o n s t i t u t i o n so f t h ea i u m i n u ma l l o ys h e e t s 一 合鸯! m 童 s ic u m 旺 z nc rt i 一 2 go 2 s - 0 ，5 0o 5 q 8n 7 一i 10 4 0吒0 a 0 0 2 5o 1 00 i o 2 0 1 u 0 4 0 - 1 md 如 o 7 i 3o 孑do ，l 一驴4 0 d 1 5 2 0 3 ；o 3 - 0 6m 谢2 2 0f 1 ，“o 】4 ) 40 ，爆 o t 0 仉l 一 删刍乒，6o 00 1 d ：g 0 d 0亿a 0 一 覆舯0 1 0 一 _ - 5 i 驼 4 _ 0 - ：f o 0 渤e 1 ， o 3 5o 2 r 。5o 。2 5o i oo 1 0 卯3 04 00 n b 4 0 3 06 4 0o j o0 0 5o 1 0 加3 2j 0 - 6 0o ，2 ，0 - ，o0 4 0o 2 0 01 0o 2 0札l o 6 0 0 9o 4 - 0 so ，t 一。00 , 1 5 - o h ij o , h 0 。0 , 2 - 0 一 0 2 50 l o0 l 0 鲫1 0 m 矗1 0o 8 - 】，2o 1 5 - 06 d0 丽札2 n l0 2 5 o 上o o ri l l 6 l l lo 5 - 1 o0 6 i l ，10 5 - 0 904 0 0 4 0 0 1 0 乓，1 0 6 0 1 60 3 0 61 o - 1 j仉：t o 0 棚- 0 2 0o 1 0 6 x “u5 i 4d 1 - ， 0 1 00 3 0磊o ，l o 0 1 f i0 ，0 2 郑州大学硕士论文第一章绪论 火状态的强度主要由m g 原子的固溶强化和细晶强化所决定，晶粒尺寸对强度的影响比 较明显，符合h a l l - p c t c h 关系。虽然5 0 0 0 系铝合金具有优良的成形性，但是其强度比 2 0 0 0 系和6 0 0 0 系低，板材表面容易起皱，出现滑移带，使得板材的表面质量变坏，甚 至喷漆后也不能完全消除，并且喷漆烘烤过程中会变软，所以5 0 0 0 系合金只能用在对 表面质量要求不太严格的汽车内板， 表1 2 主要车体铝合金板材典型室温力学性能 t a b l e l 2t h es t r e n g t ho f a l u m i n u ma l l o ys h e e t si nn a t u r et e m p e r a t u r e 台套和坎- 奎n l 钟p 砖o d m h )弯曲疲劳强整t 呶祷燮做出m ；) 2 0 3 6 t 3 4 0t 9 5 1 2 5 2 7 5 x l 护 5 1 8 2 0 2 7 5i s o 1 4 0 2 6 5 x 1 0 3 0 9 - 1 扭o1 2 5u 5 2 7 l x l o ， 6 0 t 们2 1 ) o 1 7 01 2 5 乞7 0 x l0 = ， 抟轧利氍 2 9 91 8 1 。一 6 0 0 0 系合金强度高，塑性好，具有优良的耐腐蚀性，综合性能较好。t 4 态的板材 屈服强度和抗拉强度接近冷轧钢板，n 值大于或等于冷轧钢板的n 值。6 0 0 0 系是可热处 理强化的合金，晶粒尺寸对屈服强度的影响不大且板材冲压成形后1 7 5 。c 油漆烘烤，强 度可提高约1 5 0 m p a 。表1 3 给出了轿车车身传统用2 0 0 0 系、5 0 0 0 系、6 0 0 0 系铝合金和 表1 3 主要铝合金板的机械性能 t a b l e l 3t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a i na l u m i n u ma l l o ys h e e t s 郑州大学硕士论文 第一章绪论 钢的成形性能指标，主要为冲压性能指标。6 0 0 0 系均匀延伸率6 。最大，说明6 0 0 0 系 板材的极限变形程度最大。5 0 0 0 系得硬化指数n 值最大，说明5 0 0 0 系板材的冲压性能 最好。板厚方向系数y 则是钢的最大。另外，杯突值m 和1 8 0 。弯曲半径都是钢的最大。 数据表明，铝合金的冲压成形性能与钢相比已基本上接近钢的性能，甚至某些方面已超 过钢材，因此可以代替钢作为汽车车身板，而对于铝合金来说，2 0 0 0 系铝合金的抗腐 蚀性、5 0 0 0 系的勒得斯线和桔皮效应都不尽如人意。所以6 0 0 0 系铝合金受到了关注【8 ，9 1 。 1 3a 1 _ m g s i 合金强化理论及研究现状 1 3 1 基本强化理论 纯铝中加入合金元素后，力学性能可以得到显著提高。铝在合金化时经常加入的合 金元素有铜、镁、硅、锌、铬、锰、钛等，稀土元素在某些铝合金中也有适量加入。加 入的合金元素溶点一般较高，直接加入铝液难以溶解，一般以中间合金如a 1 s i 、a 1 c u 、 a i m n 等形式加入。其成分接近共晶合金，熔点与铝合金熔化温度接近，利于配制各种 铝合金。合金元素的强化作用通过以下方面实现： ( 1 ) 固溶强化 合金元素加入纯铝中形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力， 由此提高铝的强度，同时还能获优良的塑性和良好的压力加工性能。在一些简单的二元 铝合金如a i - z n 中，组元之间物理化学性质和原子尺寸接近，固溶体晶格畸变程度低， 导致固溶强化效果不佳。因此，铝的强化不能单纯依靠合金元素的固溶强化作用。通常 要通过随后的时效过程使铝合金的强度和塑性得到进一步提高。 ( 2 ) 过剩相强化 当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入 固溶体的第二相出现，称为过剩相。其多为硬而脆的金属间化合物。它们在合金中起阻 碍滑移和位错运动的作用，使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。在一定范围内，合 金中过剩相数量越多，其强化效果越好，但过剩相过多时，由于合金变脆而导致强度塑 性急剧降低。对a 1 m g s i 合金，当合金中硅含量超过共晶成分时，由于过剩相数量过多 以及多角形的板块状初晶硅的出现，导致强度和塑性急剧降低。 ( 3 ) 细化组织强化及变质处理 4 郑州大学硕士论文第一章绪论 在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一重要手段。细 化组织包括细化铝合金固溶基体和过剩相组织。变形铝合金中添加微量钛、锆、锶以及 稀土等元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用， 提高合金的强度和塑性。例如锻造铝合金中为提高性能通常添加0 0 5 0 1 5 的钛进行 细化，铝锰防锈铝合金铸锭中一般添加0 0 2 0 3 0 钛进行细化，通常钛以a i t i - b 形式 加入。 ( 4 ) 冷变形强化 也称为冷作硬化，即金属材料在再结晶温度以下的冷变形。冷变形后材料即被强化， 强化的程度随变形度、变形温度及材料的本身性质不同而不同。同一材料在同一温度下 冷变形时，变形度越大则强度越高，但塑性随之降低。冷变形时，金属内部位错密度增 大，且相互缠结并形成胞状结构，阻碍位错运动。变形度越大位错缠结越严重，变形抗 力越大，强度越高。 ( 5 ) 弥散强化 由非共格的硬颗粒弥散物导致的对铝合金的强化称为弥散强化。这种强化通过弥散 质点对位错的钉扎作用，使得位错只能以绕过方式越过质点，起到强化作用。弥散质点 为不可变形粒子，其密度越大，尺寸越微细，强化效果越好。合金中经常加入t i 、v 、 c r 、m n 、和z r 等过渡族元素，形成弥散质点产生弥散强化作用。弥散析出相如t i a h 、 m n a l 6 和z r a l 3 等0 5 岫以下的小质点，这些质点一经析出，就很难继续溶解或聚集，因 此强化效果较好。 ( 6 ) 时效强化 时效强化是铝合金强化的一种重要手段，时效强化又称为沉淀强化。铝合金的热处 理强化，主要是根据合金元素在铝中有较大固溶度且随温度降低急剧减小的特点。铝合 金加热到某一温度保温后水中淬火，可以得到过饱和铝基固溶体。饱和铝基固溶体在室 温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而提高，但塑性和韧性降低，这个 过程称为时效。研究认为，铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有关。时 效过程中不同阶段的沉淀析出相对晶格畸变的不同影响，决定了时效强化的效果。时效 强化效果主要与时效过程的温度和时间有关。般来说，时效温度越高，原子的活动能 力越强，沉淀相脱溶的速度越快，达到峰时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效低。 因此对时效强化工艺而言，温度和时间是两个重要的参数。时效强化的强化机理可以通 过位错与第二相质点的相互作用得到解释。时效强化产生的第二相粒子的性质和尺寸决 郑州大学硕士论文 第一章绪论 定了强化的机制。当第二相为不可变形粒子时，位错将采用绕过机制。位错绕过第二相 粒子所需的应力与粒子间距有关。当第二相粒子所占体积分数一定时，粒子半径越小， 粒子数量就越多，粒子间距也越小，位错绕过粒子所需切应力越大，强化作用越大。当 第二相为可变形粒子并且并与基体共格时，位错将切过粒子。位错切过粒子后，由于相 界面积增大而使界面能增大，同时由于第二相粒子与基体相是两个性质结构不同的相， 位错切过粒子时在滑移面上将引起原子错排，也需要做功，因此增加了位错运动的阻力， 而使合金强化。对于切过机制，粒子半径越大，位错切过越困难【1 0 1 。 在时效硬化合金中位错运动的障碍物是沉淀物( 特别是g p 区) 周围的内部应变和实 际沉淀物本身。关于前者，已经证明在质点间距等于运动位错线的极限曲率半径( 约5 0 个原子间距或1 0 毫微米) 时位错运动受到最大阻力( 也就是最大硬化) 。在这阶段，大多数 合金中最主要沉淀物是共格g p 区。经高分辨率的透射电镜揭示：事实上这些区会被运动 位错切过。因此，单个g p 区本身对阻碍滑动位错只起很小的作用，而只是由于它们具有 较大的体积分数才引起屈服强度显著增加。一旦g p 区被切割后，位错就连续地在这些激 活的滑移面上通过质点，加工硬化就相对较小，形变就会局限在少数是激活滑移面上以 致发展了某些强烈的( 滑移) 带。然而如果沉淀物质点较大，而且间距也较大，则运动位 错容易绕过它们，按照奥罗万( o r o w a n ) 首次提出的机理，运动位错绕过后在质点周围留 下了位错环，合金屈服强度较低，但加工硬化率较高，塑性形变较均匀地分布于晶粒内。 这是过时效合金的情况。典型的时效硬化曲线为一条开口向下的抛物线，与位错切过沉 淀物转变到绕过沉淀物相联系，强度随时效时间先增大后减小。最值得注意的是沉淀物 能阻止位错切过而其间距又近到不允许位错绕过时发生的情况。在这种情况下，仅当位 错线的某些小段能借助交滑移过程在单个质点的上面或下面通过时，位错线的运动才是 可能的。于是期望能使强化和加工硬化两者均达到高水平，通常由于沉淀物的间距太大 而不可能发生这种情况。但最近研究了多级时效处理( 在g p 区固溶线以上和以下的处 理) ，这种处理方法能使一些工业合金中某些中间沉淀物的弥散细化而改善机械性能。 第二种方法是使沉淀物形成双重弥散度。尺寸小和间距近的质点可提高屈服强度，而尺 寸较大的质点可增加加工硬化率使塑性形变分布更均匀。根据k e l l y 和n i c h o l s o n 对沉淀 强化理论的表述，理论上，图1 1 中两曲线的交点p 决定了可能达到的最高强度。在这个 理论中，位错切割沉淀相机制和位错绕过沉淀相机制相竞争，消耗能量较少的机制先开 动婶】。图中曲线a 代表不可变形粒子，曲线b 代表可变形粒子。 6 郑州丈学硕i ：论文第一章绪论 强 度 粒子尺寸 图1 1 粒子尺寸与合金强度的关系 f i g 1 1t h er e l 砒i o n s h i pb e h v e 曲t h es i z eo f p a r t i c l ea n dt h es t r e n g t ho f t h ea l l o y 1 3 2a l - m g - s i 基合金国内外的研究现状 可热处理a i m g - s i 系铝合金在汽车车身板材中得到日益广泛的应用。对时效强化 6 0 0 0 系列铝合金性能提出了双重要求：即油漆烘烤前的t 4 ( 固溶后自然时效) 强度相 对较低而油漆烘烤后的强度相对较高。前者有利于材料的加工成形，后者满足材料的功 能和安全要求。因此对a 1 m g s i 系合金的研究集中在关于合金的成分和加工工艺对合 金性能的影响方面，力求取得强度和成形性综合性能的提高。国内外研究工作者对 a l m g s i 基铝合金作了大量的研究，研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 对m 9 2 s i 析出过程及动力学的研究 m 9 2 s i 相是6 0 0 0 系合金钟的主要强化相，它的大小和形状对合金性能的影响很大， 其一般析出过程为： a 过饱和固溶体- - - , g pi 区( 球状) 一g p 区( 矿针状) 一p ( 杆状) 一p 片状( 平衡 m 9 2 s i 相) 。所形成的g pi 区为无独立晶格结构的球状物，针状d ”相为有序结构，杆状 1 3 相为半共格的，p 相为平衡相j 。其中强化效果最好的为矿相，它是沿( 1 0 0 ) a 1 方 向的细针状析出物，具有单斜晶格，其次为b 相，它是沿( 1 0 0 ) a 1 方向析出的具有六 方晶体结构的杆状物，较弱的是b 相，为立方结构，通常以片状形式在 1 0 0 a 1 上形成 1 1 2 1 。许多科研人员对6 0 0 0 系合金时效过程中析出的过度相的结构和化学成分作了大量 的研究，对g p 区的结构和化学成分尚无统一的认识，e d w a r d s g a 认为g p 区、b ”相、 p 相中m g 、s i 原子百分比为1 。1 ，而m a t s u d a 认为g 。p 区的m g 、s i 原子百分比为1 比 1 ，并指出g p 区是由多个平面组成，每个平面有一个原子宽度，平面内m g 、s i 原子 7 郑州大学碗j 二论文第一章绪论 相距o 4 0 5 n m 并且交替排列。还有人专门研究了含过剩硅的m 9 2 s i 析出动力学【”j 。 ( 2 ) 合金元素对6 0 0 0 系铝合金的组织和性能的影响 s i 和m g 是6 0 0 0 系合金中的主要元素，m g 、s i 元素含量与合金力学性能的关系密切 1 1 4 1 ，其平衡重量比为m g ：s = i 7 3 ，图1 2 给出t a l m g s i 合金的力学性能范围，在一定条 件下可以为合金的成分设计提供近似的经验预测值。据研究，每增加o 1 m 9 2 s i 可使强 度峰值增力1 1 5 m p a ，同时延伸率有少量增加。每增加o 1 的初生硅，强度峰值增加 l o 1 5 m p a ，延伸率下降0 2 5 。另外，s i 胄e 够提高铸造和焊接的流动性、耐磨性：m g 提 高合金的抗腐蚀性和可焊性。c u 在a i m g - s i 合金中的作用在近几年也成为了研究的热 点，研究表i j y j ：a i m g s i 合金中加入铜，b ”相形核更容易，密度增加，使合金时效强化能 力提高。但是c u 含量过高时，则会降低合金的抗腐蚀性l ”】。m n 和c r 的加入则会在 a i - m g - s i 合金中产生弥散相，抑制合金的再结晶和产生弥散强化，使合金的强度提高， 性能得到改善，微量的c r 能提高合金抵抗晶问腐蚀的能力。我国稀土元素丰富，近年来， 稀士在变形铝合金应用的研究也初见端倪，稀土( s c 、c e ) 以前主要用作铸造铝合金的变 质剂。在6 0 0 0 系合金中，稀土能细化晶粒，减少合金中的气体和夹杂，加速时效过程， 提高热塑性和强度，并改善表面性能。但对于稀土及时效工艺对6 0 0 0 系合金的综合分析 还很少 1 6 - 2 1 l 。 3 2 b3 , ，1 0 ， 扣。i 鼍 烈7 “z ：7 2 2 c |l ，“| i 靖i m p a l g o 。烩 i 楚曩天。、- l 五双弋心 、】；绷 刀1心心 、一_ 3 0 0 - l 1 8 0 。 1 2 0 1 1 一l s i h t ) 图1 2a 1 m g - s i 合金的力学性能范围 f i g 1 2t h er a n g eo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa i - m g - s ia l l o y s ( 3 ) 热处理工艺的影响 变形铝合金是热处理可强化合金，舍金成形后的热处理制度对产品最终的使用性能 有着重要的影响。其中主要的热处理制度就是固溶时效处理。合金固溶处理的目的是使 8 郑州人学硕十论文第一章绪论 合金板材中起强化作用的元素最大限度的溶入到基体中。保温后将合金板材淬火，使合 金叛材中的溶质原子在低温下尽量保持高温时的过饱和度。合金板车才固溶处理后需要进 行时效处理以便固溶到基体中的合金元素聚集、形成强化相。 时效处理又可分为自然时效和人工时效。自然时效就是将合金固溶后置于自然条件 ( 室温) 下一段时间，时效强化过程较长。人工时效就是将圉溶后的会金置于人为控制 的温度之下一段时间，以加速时效强化过程。合金板材在最终使用前一般都要经过人工 时效处理，以最大限度的使合金元素聚集、析出、形成强化相，使合金板材得到充分强 化。在时效工艺中，自然时效使人工时效后会金的强度下降，预时效可以有效地抑制室 温停留时间造成的不利影响并同时提高油漆烘烤后合金的强度。1 5 0 6 c 预时效5 分钟后， 屈服强度在三个月自然时效后1 8 0 x 3 0 m i n 模拟烘烤后明显提高，比未预时效的试样提 高3 4 、2 3 。预时效后未烘烤试样的屈服强度略低于预时效的试样。同时延伸率保持 不变，表明预时效不会影响合金的塑性 2 2 - 2 8 1 。 预时效温度一般较低，目的是在合金中形成细密，均匀、弥散的g e 区。( 2 e 区通 常是均匀形核，当其达到一定尺寸，就可成为随后时效沉淀的核心。从而大大提高了组 织的均匀性。最终时效通过调整沉淀相的结构和弥散度以达到预期的性能要求。进入第 二级时效时，随着温度的提高和时效时间的延长，这些高弥散gp 区得到迅速长大并有 序化，从而获得高密度的p ”或p 强化相。这样峰值时效时合金的强度较高，达到峰值 时间也较短。 预时效形成了高密度的d ”相形核中心，进而提高油漆烘烤后旷相密度，即可抑制了 自然时效过程中有害的原子团的形成，降低自然时效的有害作用，又可提高时效过程的 强化作用，弥补油漆烘烤时效温度低、时间短的缺点，其实质在于控制了时效析出相的 形成和性质，从而在实际生产条件下尽可能地增加时效强化效果 2 9 - 3 5 1 ，可以认为是双级 时效的一种。 1 4 稀土在铝合金中的作用 稀土元素具有较大的原子半径，以前主要用作铸造铝合金的变质剂，目前，国内外 对稀土元素对a l m g s i 系合金的影响的研究主要集中在有关稀土对6 0 6 3 合金型材的影 响方面，近年来，我国在变形铝合金方面的研究进展速度较快，对舔在变形铝合金中 的应用的研究取得了许多突破性的进展，在铝电线，电缆，铝制品，铝窗纱，和建筑用 9 郑州大学硕i 二论文第一章绪论 铝型材等方面都已的成功的应用。其中高导电稀土铝合金( a 1 s i m g r e 和a l - r e 为主) ， 已在十多个省市的工厂投产，产量已达数万吨。撩土铝合金纱窗质量优异，国内外市场 供不应求，稀土a i m g s i 合金建筑材料用于现代化建筑，性能良好，受到用户的广泛好 评。 稀土在铝合金中的存在形式主要有三种：固溶在理( a 1 ) 中，会量为0 ，0 3 o 0 7 。 偏聚在相界，晶界和枝晶界。固溶在化合物中或以化合物的形式存在。当稀土含量 较低时( o 3 以后。后一种存在 形式开始占主导地位。稀土在铝合金中的存在形式使德其在改善合金性能方面具有很大 的研究前景p 6 l 。 ( 1 ) 稀土对a i - m g s i 合金的细化作用 稀土对铸态组织的影响，过去的研究多集中在稀主对细化铸态晶粒的影响，稀土的 加入既可以细化铸态晶粒，也可以明显细化枝晶组织( 减小二次枝晶间距) ，但其最佳效 果对应于不同的稀士含量。当稀土的含量为0 1 o 1 5 时尽管稀土的加入可显著减小晶 粒尺寸，但却粗化了枝晶组织【3 “1 1 。 图1 ，3 稀土铝合金晶胞参数和稀土含量的关系 f i g 1 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ep a r a m e t e r o f p a r t i e l e a n d t h er a r ee a r t hc o n t e n t o f a l l o y s 在a 1 m g s i 合金中，小于0 2 的稀士并不会形成a 1 4 r e 化合物，但此时稀土细化晶 粒却最为明显如图1 3 所示。研究查明，稀土对晶粒尺寸的影响和稀土对表面张力的影响 有完全相同的规律。这说明稀土细化晶粒主要和稀土降低表面张力等因素有关。稀土加 入铝合金中在细化铸态组织的同时，也改善了含铁相的形态。例如，在a i m g s i 系合金 中通过添加稀土，针状和粗大骨骼状的( f e s i a i ) 相变成短杆状或颗粒状的( f e r e s i a i ) 相或 ( r e s i a l ) 相1 4 2 卅】。 1 0 郑州大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 稀土对a i m g s i 合金力学性能的影响 研究表明：德土元素在铝合金中主要分布在a a l 相中和相界，晶界以及枝晶阆偏聚， 它们或固溶在化合物中，或以化合物的形式存在，使枝晶组织和晶粒细化。稀土在铝合 金中的强化作用主要是有限固溶强化，细晶强化，及稀土化合物的第二相强化。当稀土 加入量适当时，合金的强度和硬度提高。稀不仅与会金中杂质元素形成化合物，面且 与合金组元形成化合物，分布于枝晶网络与晶界上，这样势必引起合金中强化相上的