（凝聚态物理专业论文）电解加钛a356合金的组织和力学性能研究.pdf

郑州大学硕i j 学位论文 摘要 电解加钛a 3 5 6 合金的组织和力学性能研究 摘要 本文以电解低钛铝合金和a l t i 中间合金为原材料，分别制备了电解加钛 和熔配加钛a 3 5 6 合金，系统地研究和对比了钛含量、加钛方式和热处理工艺对 a 3 5 6 合金的微观组织、拉伸性能和疲劳胜能的影响，对合金晶粒细化机理、组 织衰退机理及强化机理进行了初步探讨，实验结果对电解a 3 5 6 合金的推广应用 具有一定的理论意义和实际意义。 研究发现，在相同钛含量下，电解a 3 5 6 合金的晶粒细化效果和s i 颗粒形 貌均优于熔配加钛a 3 5 6 合金。随着钛含量的增加，a 3 5 6 合金的晶粒、一次枝 晶都明显细化，合金的s i 颗粒尺寸、纵横比均有所降低，s i 颗粒圆形度有所增 加，意味着s i 颗粒形貌得到改善。当钛含量大于o 1 0 后，这种影响变弱。微 观组织和d s c 分析表明，电解加钛a 3 5 6 合金具有较高的晶粒细化能力与实验 原材料低钛铝合金中自身存在的大量、细小、弥散的a 1 3 t i 质点以及a 3 5 6 合金凝固过程中较低的过冷度和较低的结晶激活能有关。延长熔体在炉中的保温 时间，合会的细化效果出现了不同程度的衰退，合金晶粒明显长大，s i 颗粒形貌 也急剧恶化，原因在于a 1 3 t i 质点的溶解、沉淀以及s r 的急剧烧损。增加模具冷 却速度，在浇铸前辅以搅拌有助于延缓晶粒细化的衰退。 加钛方式和钛含量对合金强度的影响不大，但对塑性影响较大，电解加钛 a 3 5 6 合会的塑性优于熔配加钛合金。所有合金的塑性均随着钛含量的提高而增 加，合金在钛含量达到0 1 时具有最佳的综合力学性能。热处理工艺对电解加 钛a 3 5 6 合金的微观组织和力学性能影响显著，升高固溶温度和延长圆溶时间均 使合金的s i 相的形貌得到改善，但温度过高或保温时间过长会造成s i 颗粒的粗 化。固溶温度对合金的强度影响不大，但强度却随固溶时间的延长先急剧增大而 后保持稳定。升高固溶温度，延长固溶时间，合金的塑性均呈先升后降的趋势。 合金强度对时效温度的变化不敏感，而对时效时间却极为敏感，随时效时间的延 i i 郑州大学碳1 ：学位论文摘要 长，析出相发生g p 区一d “相一相一p 相的结构转变，析出相的体积分数增多， 尺寸不断粗化，合金的强度增加而塑性急剧下降。合金在5 3 5 固溶3 h 时，然 后在1 6 5 时效2 h 后具有最佳的强塑性配合。 a 3 5 6 合金的循环硬化行为对合金的加钛方式和钛含量很敏感。钛含量为 0 1 4 的合金总是较钛含量为o 1 的合金具有更高的循环硬化率。在低应变时两 种加钛方式的循环硬化行为相似，在高应变时电解加钛合会表现为类似“饱和” 的准稳定形变状态，而熔配加钛合金表现为持续的循环硬化行为，这与电解加钛 合金和高钛含量合金具有较细的晶粒有关。疲劳寿命仅对含钛量敏感，钛含量为 0 1 0 时合金的低周疲劳寿命要优于钛含量为o 。1 4 的合金。原因在于钛含量为 0 1 0 的a 3 5 6 合金具有较低的屈服强度，更有利于松弛试样表面不均匀区域的应 力集中，延长疲劳裂纹萌生与扩展寿命，且能产生较大的塑性诱发闭合效应，增 加裂纹扩展阻力。但是加钛方式对疲劳寿命的影响很小，如果钛含量相近，则两 种加钛方式合金的低周疲劳寿命差别不大。原因在于加钛方式主要影响的是合金 的一次枝晶长度，而对影响疲劳寿命最显著的二次枝晶臂间距( s a d s ) 的影响 较小。另外，从应变能角度，合金的疲劳寿命主要受合金的循环变形时所消耗的 塑性应变能控制。含钛量较低的合余分别较钛含量较高的e 1 4 、m 1 4 合金消耗更 高的塑性应变能：而相同钛含量时，两种加钛方式合金所消耗的塑性应变能相差 不大。 关键词：a 3 5 6 合金；加钛方式；钛含量；晶粒细化；热处理；拉伸性能， 低周疲劳性能 i i i m a s t e rd e 笋c c 7sd i s s e r t a t i o no f z z ua b s t r a e t i n v e s t i g a t i o no fm i c r o - s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f o ra 3 5 6a l l o y sw i t ht ia l l o y i n gb ye l e c t r o l y s i s a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t w ok i n d so fa 3 5 6a l l o y sw i md i f f e r e n tt i t a n i u mc o n t e n ta r e p r o d u c e db yd i r e c t l yu s i n ge 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 ( l t a a ) t h a t p r o d u c e db ye l e c t r o l y s i s ，n a m e de l e c t r o l y t i ca 3 5 6a l l o y s ( e a 3 5 6 ) ，a n db ym e l t i n g a l t im a s t e ra l l o y sa sg r a i nr e f i n i n ga g e n t ，n a m e dm e l t i n ga 3 5 6a l l o y s ( m a 3 5 6 ) r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to ft i t a n i u mc o n t e n t ，t h et i t a n i u ma l l o y i n gm e t h o d sa n dh e a t t 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 ，t e n s i l ep r o p e r t i e sa n dl o w - c y c l i cf a t i g u e p r o p e r t i e so fe a 3 5 6a l l o y si si n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h eg r a i n r e f i n e m e n tm e c h a n i s m ，t h ef a d i n gm e c h a n i s ma n ds i r e n g t h e n i n gm e c h a n i s ma r e d i s c u s s e d t h et e s t i n gr e s u l t sm u s tb eh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a t i o na n dm a y b eh e l p f u lt ot h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fa 3 5 6a l l o y s i ni n d u s t r i e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fg r a i nr e f i n e m e n ta n da p p e a r a n c e o fs ip a r t i c l e so fe a 3 5 6a l l o y si ss u p e r i o rt ot h a to fm a 3 5 6a l l o y s t h ep r i m a r y d e n d r i t el e n g t h ，s ip a r t i c l e ss i z ea n da s p e c tr a t i oo f s ip a r t i c l eo f a 3 5 6a l l o y sd e c r e a s e w i t hr a i s i n gt i t a n i u mc o n t e n t ，w h i l ei t sr o u n d n e s si n c r e a s e s ，w h i c hm e a n st h eg r a i ni s r e f i n e da n dt h em o r p h o l o g yo fs ip a r t i c l ei si m p r o v e d b u tt h i sb e n e f i c i a le f f e c t d e c r e a s e sw h e nt ic o n t e n te x c e e d so 1 0 t h ea n a l y s i sr e s u l t so f m i c r o s t r u c t u r ea n d d s cc u r v e s d u r i n g s o l i d i f i c a t i o no fa l l o y ss h o wt h a te x c e l l e n ta b i l i t yo fg r a i n r e f i n e m e n to fe a 3 5 6a l l o y sm a yb ea t t r i b u t e dt ot h el a r g en u m b e ro fa 1 3 t ip a r t i c l e s e x i s t e di nl t a a a l l o y sa n dt h el o w e ru n d e r c o o l i n ga n da c t i v a t i o ne n e r g yo fn u c l e a n t n e e d e di ns o l i d i f y i n go fa l l o y s p r o l o n g i n gt h eh o l d i n gt i m eo fm e l ti nf u l r n a c e ，t h e f a d i n gb e h a v i o ro fg r a i nr e f i n e m e n to fa l l o y si sd i s c o v e r e d t h es i z eo f 旺一a 1g r a i n a n ds ip a r t i c l e sa r eo b v i o u s l yc o a r s e n e d i tm a yb er e l a t e dt ot h ed i s s o l u t i o na n ds e t t l e d o w no fa 1 3 t ia n dt h ed r a s t i cb u r n i n go ft ia n ds r i n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t eo r s t i r r i n gm e l tb e f o r ec a s t i n gm a yb eh e l p f u lt op o s t p o n et h eo c c u r r e n c eo ft h ef a d i n g b e h a v i o ro fg r a i nr e f i n e m e n t t h ee f f e c t so ft ic o n t e n ta n dt ia l l o y i n gm e t h o d so nt h es t r e n g t ho fa l l o y sa r e m a s t e rd e g r e e sd i s s e r t a t i o no f z z ua b s t r a c t t r i f l i n gb u to nt h ep l a s t i c i t ya r ed i s t i n c t t h ep l a s t i c i t yo fe a 3 5 6a l l o y si ss u p e r i o rt o t h a to fm a 3 5 6a l l o y s t h ep l a s t i c i t yo fa l la l l o y si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t i t a n i u mc o n t e n t t h ea l l o y sw i t ho 1 t ih a v et h eo p t i m u mc o m b i n a t i o no fs t r e r i g t h a n dp l a s t i c i t y t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sh a v eo b v i o u si n f l u e n c eo nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s r a i s i n g s o l u t i o nt e m p e r a t u r ea n d p r o l o n g i n gt h es o l u t i o nt i m ei m p r o v e t h ea p p e a r a n c eo fs ip a r t i c l e b u to v e r l yr a i s i n g s o l u t i o nt e m p e r a t u r eo rp r o l o n g i n gs o l u t i o nt i m em a yr e s u l ti nt h ec o a r s e n i n go fs i p a r t i c l e s t h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ea l m o s td o e s n th a v ea n ye f f e c to nt h es t r e n g t ho f a l l o y s b u tt h ep l a s t i c i t ya l w a y sh a st h et r e a dt h a tf i r s t l yq u i c k l yi n c r e a s e st h e n d e c r e a s e se i t h e rr a i s i n gs o l u t i o nt e m p e r a t u r eo rp r o l o n g i n gs o l u t i o nt i m e t h es t r e n g t h o fa l l o y si si n s e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fa g i n gt e m p e r a t u r eb u ti sv e r ys e n s i t i v et ot h e c h a n g eo fa g i n gt i m e t h ep r e c i p i t a t e sc a nb ep r e c i p i t a t e df r o mm a t r i xa c c o r d i n gt h e g pr e g i o n - - p “b 肇w i t hp r o l o n g i n ga g i n gt i m e b o t ht h es u b s t a b l ep h a s eb ja n d b ，c a l lb eu s e dt oi m p r o v et h es t r e n g t ho fa l l o y s t h e i rv o l u m ep o r t i o na n ds i z eo f p r e c i p i t a t e si n c r e a s e w i t l lp r o l o n g i n ga g i n gt i m e t h eo p t i m u mc o m b i n a t i o no f s t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo fa l l o y sc a nb eo b t a i n e dw h e nt h ea l l o y sa r et r e a t e db yt h e p r o c e s st h a ts o l u t i o na t5 3 5 cf o r3 ht h e na g i n ga t1 6 5 f o r2 h t h ec y c l eh a r d e n i n gb e h a v i o ro fa 3 5 6a l l o y si ss e n s i t i v et ob o t ht h et i t a n i u m c o n t e n ta n dt i t a n i u mm e t h o d t h ea l l o y sw i t ho 1 4 t ia l w a y sh a v eh i g h e rc y c l i c h a r d e n i n gr a t et h a nt h a to f a l l o y sw i t ho 1 t i b o t he a 3 5 6a l l o y sa n dm a 3 5 6a l l o y s h a v et h es i m i l a rc y c l i ch a r d e n i n gb e h a v i o rw h e nt e s t e da tl o ws t r a i na m p l i t u d e ，w h i l e t e s t e da th i g hs t r a i na m p l i t u d e ，t h ee a 3 5 6a l l o y ss h o wt h eq u a s i - s t a b l es t a t et h a t c y c l i ch a r d e n i n ga b i l i t ya p p r o a c ht os a t u r a t i o n b u tf o rt h em a 3 5 6a l l o y s ，t h ec y c l i c h a r d e n i n gc o n t i n u o u s l yp r o c e e d s ，i tm u s tb er e l a t e dt ot h a tt h ef a c t st h ea l l o y sw i t h h i g ht i t a n i u mc o n t e n to rt i t a n i u ma l l o y e db ye l e c t r o l y s i sh a v et h ef i n e rg r a i n t h e l o w - c y c l ef a t i g u el i f eo fa l l o y si so n l ys e n s i t i v et ot h et i t a n i u mc o n t e n t t h ea l l o y s w i t ho 1 t ia l w a y sh a v eh i g h e rl o w - c y c l ef a t i g u el i f et h a nt h a to ft h ea l l o y sw i t h o 1 4 t i t h er e a s o ni st h a tt h el o w e ry i e l ds t r e n g t ha n dl a r g e rp l a s t i c i t yo fa l l o y s w i t h0 1 t ii si nf a v o ro ft h er e l a x i n go fs t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h ed i s c o n t i n u o u s r e g i o na tt h es u r f a c eo fs a m p l e s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e l a yt h ei n i t i a t i o no ff a t i g u e c r a c k a n dt h el o wy i e l ds t r e n g t hc a nr e s u l t si nh i g h e rp l a s t i c i n d u c i n gc l o s ee f f e c to f f a t i g u ec r a c k ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ep r o p a g a t i o nr e s i s t a n c eo ff a t i g u e c r a c k s w h e t h e ra l l o y e db ye l e c t r o l y t i cl o w - t i t a n i u ma l l o y s ( e a 3 5 6 ) o ra i t im a s t e r a l l o y s ( m a 3 5 6 ) ，t h ee a 3 5 6a l l o y sh a v et h es i m i l a rl o w - c y c l ef a t i g u el i f ea st h a to f m a 3 5 6a l l o y si ft w ok i n d so fa l l o y sh a v es i m i l i a rt i t a n i u mc o n t e n t i tm a yb e v a t t r i b u t e dt h a tt h ee f f e c to fs d a so nt h ef a t i g u el i f ei sm o r ee v i d e n tt h a nt h ee f f e c to f p r i m ed e n d r i t el e n g t ha n dg r a i ns i z e w h i l et h et i t a n i u ma l l o y i n gm e t h o dm a i n l y i n f l u e n c et h ep r i m ed e n d r i t el e n g t ha n da l m o s td o e s n th a v ea n ye f f e c to ns d a s i f c o n s i d e r i n gt h es t r a i ne n e r g yc o n s u m e dd u r i n gc y c l i cd e f o r m a t i o n ，t h ed i f f e r e n c eo f s t r a i ne n e r g yd e n s i t ym a yb et h ea n o t h e rr e a s o nt h a ti n f l u e n c et h ef a t i g u el i f eo ft w o k i n d so fa 3 5 6a l l o y s t h el o w - c y c l ef a t i g u el i f eo ff l l o y si sd e t e r m i n e db yp l a s t i c i t y s t r a i ne n e r g yd e n s i t y t h ea 3 5 6a l l o y sw i t hl o wt i t a n i u mc o n t e n tc a nc o n s u n l eh i g h e r p l a s t i c i t ys t r a i ne n e r g yd u r i n gc y c l i cd e f o r m a t i o nt h a nt h ea l l o y s 、i t l lh i g ht i t a n i u m c o n t e n t i ft h ea l l o y sw i t ht h es i m i l a rt i t a n i u mc o n t e n t ，a l lt h ea l l o y sa l m o s tc o n s u m e t h es a m ep l a s t i c i t ys t r a i nw h e t h e rt h ea l l o y sa r ee a 3 5 6 a l l o y so rm a 3 5 6a l l o y s k e y w o r d s ：a 3 5 6a l l o y , t ia l l o y i n gm e t h o d ，t ic o n t e n t ，g r a i nr e f m e m e n t ，h e a t t r e a t m e n t ，t e n s i l ep r o p e r t i e s ，l o wc y c l ef a t i g u ep r o p e r t i e s v i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论 文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则， 本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声 明。 学位论文作者( 签名) ：宋谋胜 2 0 0 5 年5 月2 0曰 郑州大学硕j ：学位论义 第一章绪论 第一章绪论 1 1 a 3 5 6 合金的主要用途及需求 随着汽车产业的发展，其所面临的能源和环保问题也日益严峻，因此，如何 减轻汽车自重以降低能耗、减少污染已对研究汽车用高强度、高性能铝合金型材 提出了更为迫切的要求。由于铝合金具有重量轻、比强度高、成型性好、易回收 等优点，是理想的汽车减重以节能、环保的材料。a 3 5 6 合金( z l l 0 1 a ) 因具有 优良的铸造性能，热处理性能，加工性能，疲劳性能以及良好的强度、塑性，成 为目前汽车、摩托车轮毂使用最为广泛的a 1 一s i 系列铸造合金【1 2 。据资料统计， 如果a 3 5 6 铝制轮毂较钢制轮毂平均轻3 k g 左右时，当车速为6 0 k m h 时，可节 省燃油5 7 。此外，a 3 5 6 铝合金还具有重量轻、散热性能好、轮胎寿命长、 安全可靠、生产简单、外观美观、图案丰富多彩、尺寸精确、平稳性好等较高的 综合性能而成为当今汽车工业的重要首选材料，其在汽车、摩托车轮毂占有率高 达7 0 以上，另外还逐渐渗透到汽车行业的车身、底盘、热交换器以及发动机 等关健部位。 由于汽车产业的迅猛发展市场对a 3 5 6 合金的需求不断扩大。据资料估计， 国内铝轮a 3 5 6 合金摩托车领域每年约需5 万吨，轿车领域每年约需7 万吨以上。 另外，由于我国作为世界工厂地位的不断提高，国外许多大型铝轮加工厂开始大 规模向我国转移，因而由于加工贸易而带来的a 3 5 6 铝合金需求每年约在3 0 万 吨左右。从总体上看，2 0 0 4 年我国a 3 5 6 铝合金的总需求突破了4 0 万吨，2 0 0 5 年有望达到5 0 万吨。因此，综合而系统地研究a 3 5 6 合金的性能，对于铝产品 的推广应用和提高我国铝产品的竞争力是非常有意义的。 1 - 2a 3 5 6 合金的熔体处理及组织细化 1 2 1a 3 5 6 合金的除气与净化 熔体处理是获得高质量铸造a 3 5 6 合金的一个重要环节，熔体在炉中熔炼的 各个阶段，不可避免地会带入夹杂，吸入气体，从而严重恶化合金的质量 3 训，因 郑州人学硕士学位论文第一毒绪论 此有必要在熔体浇铸前进行精炼、净化处理。净化主要是消除或减少针孔，当合 金熔体经变质处理后针孔倾向较大，它一方面减小了铸件的有效面积，另一方面 又提供了裂纹源，导致合金的力学性能，尤其是韧性显著下降【4 “。 铝液中吸入的主要是氢气，它是针孔形成的主要因素，而熔体中的a 1 2 s i 3 渣又可作为针孔的形核衬底f 3 l ，加速针孔的形成，因而净化主要是针对除氢和除 渣。由于铝液中氢气与夹杂物相互吸附，因而在除气的同时也就除了渣，但如果 除渣不彻底，那么吸附在渣上的氢也难以除净。 在处理铝熔体净化过程中，人们最早使用c 1 2 或氯盐( c 2c 协来处理铝液，但 二者的除氢效果虽好，去渣能力却差，且产生有毒的c 1 2 。随后人们采用n 2 和 ，能达到较好的除渣效果，但除氢不佳。后来。人们利用气泡浮游原理，向铝 液底部吹入惰性气体，气泡被分离或弥散成均匀分布的小气泡，增加了气体与铝 液的接触面积与作用时间而实现有效地除氢、除渣。另外，还可以使用喷射溶剂 法，以惰性气体为载体，将溶剂喷入合金液中，能使净化与变质同时进行。还有， 对合金液进行过滤也是一种行之有效而常采用的净化方法，一般使用玻璃纤维网 和陶瓷过滤器来过滤。 1 2 2a 3 5 6 合金的晶粒细化及其细化机理 在铝合金熔体中加入少量的晶粒细化剂可以形成初生n a 1 的结晶核心，从 而细化合金的晶粒组织，并促使铸件中形成大量有规则的等轴晶。目前最常用的 方法是在合金中加入a 卜t i 或a 1 - t i - b 中间合金，另外就是利用电解加钛来实现 晶粒细化。实验表明，后者较前者具有成分更均匀、晶粒更细小弥散等优点从而 具有更为优异的合金性能。 传统上，钛的加入方式主要有以下几种。 1 以盐形式加入：最初使用的细化剂是含钛或硼的盐类混合物k 2 t i f 6 和 k b f 4 ，它们在熔体中能与铝液反应生成a 1 3 r n 和t i b 2 而起到晶粒细化作用1 6 j 。但 这种盐类细化剂的细化效果不稳定，t i 、b 元素的含量难以控制，从而使烙体处 理时操作困难，同是氟盐还具有很强的腐蚀作用，使设备寿命缩短，且氟盐反应 会放出大量有毒的氟化气体，污染严重。 2 以气态形式加入：将t i c l 4 和b c l 3 的混合气体通入铝熔体中，能反应生成 具有晶粒细化作用的a 1 3 t i 、t i b 2 等粒子，同时生成的c 1 2 还可以除去熔体中的 2 郑州人学硕士学位论文第一章绪论 h 2 和固体非金属夹杂物【7 j 。但所用设备复杂，操作危险，细化元素的吸收率很低， 而且反应放出对人体有害的氯气。 3 以中间合金的方式加入：以上两种加钛、硼方式由于具有晶粒细化能力 差，污染环境等缺陷，已经基本淘汰，目前最常用的加钛方式为中间合金加钛、 硼方式。常用的中间合金有a 1 t i 、a 1 t i - b 、a 1 t i 。c 和a 1 r e 等，但在加a l t i b 中间合金时，由于其中的t i b 2 粒子硬度高，给铝合金的深加工带来了许多 困难，如在扎制铝材过程中增大轧辊的摩擦力而降低轧辊的寿命。不同中间合金 细化剂的细化能力有着很大的差别，图1 1 对比了不同形式的铝钛硼中间合金对 a i 7 s i 合会的晶粒细化效果1 引，可见a 1 t i b 中间合金的晶粒细化效果要优于 m t i 中间合金的，而其中a i 3 t i 3 b 的细化效果最好。 图1 1 不同形式的铝钛硼中间台金对 a i 7 s i 合金晶粒的细化效果 f i g1 ig r a i nr e f i n i n g e f f i c i e n c y o f d i f f e r e n t t y p ea l 一”一bm a s t e ra l l o y sf o r a l - 7 s ia l l o y 墨 - 噬 珥 曩 图1 2 保温时间对不同含钛 细化剂细化效果的影响 f i g1 2 e f f e c th o l d i n g t i m e o nr e f i n e m e n t o f r e f i n e rw i t hd i f f e r e n tt ic o n t e n t 但是，在加t i 、b 细化剂的铝熔体中如存在z r 、c r 、m n 等元素，就会减弱 细化效果，造成合金的“细化剂中毒”现象 9 - 1 0 1 。另外，随着熔体在炉中保温时 间的延长，合金的晶粒细化效果会出现不同程度的衰退i l 肌”l ，图1 2 对比了不同 细化剂的衰退现割1 4 】。可见，其中5 1 t i b a i 细化剂的抗衰退能力要强于另两种 比例的a 1 t i b 中间合金晶粒细化剂和a l - t i 中间合金晶粒细化剂。 钛能细化铝合金的晶粒组织，多年来人们提出了各种观点和理论试图来解释 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 晶粒细化的机理，其中主要理论有： 1 包晶反应理论【1 4 】：该理论是 以a 1 t i 相图中的包晶反应来说明 的。如图l _ 3 示，当钛含量大于0 1 8 时，在降温的过程中会首先析出 a 1 3 t i ，6 6 5 c 时a 1 3 t i 与铝液发生包 晶反应： l + a 1 3 t i 一( h 1 )( 1 1 ) 生成大量细小的n ( a b 固溶体，作为 液态铝的结晶核心而细化晶粒。对于 铸造a 1 s i 系合金，则是合余中的s i 图1 3a i - t i 相i 璺i f i g1 ，3 a i t ip h a s ed i a g r a m 与a 1 3 t i 颗粒作用形成的( h i l x ，s i , & t i 三元化合物与铝液发生包晶反应： ( a 】j - x ，s i 。) 3 t i 圯一q ( a 1 )( 】2 ) 从而细化合金的晶粒。 2 生长抑制理论【1 6 j ：该理论认为，d ( a i ) 晶粒的生长速度与晶粒生长抑制 因子g r f = m c 。( k 一1 ) 成反比，式中k = c s c l 为分配系数，c s 和c l 分别是液、 固界面温度为r 时固相和液相中的溶质成分。g r f 值越大，晶粒生长速度越慢， 从而为熔体中结晶异质核心的形核提供了时间，随着大量晶核的形成，便细化了 晶粒。 3 ，碳一硼化物粒子理论【1 7 】：该理论认为，当加入a l t i 中间合金，会与 熔体中的微量元素c 反应生成t i c ，而加入a l t i b 则生成t i b 2 质点，t i c 和 t i b 2 质点均可以作为异质形核核心而促使形核来细化晶粒。 另外还有a 一( a 1 ) 晶体增殖理论、原子结构理论、相图一粒子双重形核理 论、亚稳相理论等等。尽管这些理论说法不一，但却都肯定了一个基本结论，即 钛可以作为晶粒细化荆，细化铝及其合金的晶粒。 1 2 3a 3 5 6 合金的变质与变质机理 共晶s i 的形貌、分布对a 3 5 6 合金的力学性能影响很大1 1 6 - 1 8 ，变质主要是来 改变共晶s i 的形貌。当合金未经变质时，共晶s i 相呈粗大的针片状，这些粗大 4 郑州人学硕j j 学位论文 第一章绪论 的针状物尖角容易引发裂纹，使合金力学性能下降。而经加入变质剂变质处理后， 从根本上改变共晶s i 的生长方式，使之从针片状转变为纤维状，且脆性相尺寸 细化，大大改善了合金的组织和提高了合金的性能。 目前常用的变质元素有n a 、s b 、s r 、以及稀土元素等。n a 的加入可使共晶 s i 以非常细小、均匀分布的纤维状存在于基体，但其变质有效时间较短，衰退较 快。s b 能抑制p 的影响，消除熔体中s i 晶体的异质形核核心，使共晶s i 呈层片 状生长，且具有一定的重熔性。稀土元素具有变质和除杂的双重功效，且变质时 间较长，重熔不衰退，是一种较好的变质剂【1 9 】。s r 变质能使共晶s i 组织呈纤维 状，且具有长效性。文献【2 0 】认为，对于z l l 0 1 合金来说，晶粒越细，s r 的变质 作用越佳，因此，通过对a 3 5 6 合金加s r 进行变质处理，可以将变质效果与晶粒 细化有效结合而获得最优合金组织。并且，s r 变质可以使合金强度提高2 0 ， 伸长率可提高2 3 倍【2 l 】，s r 不但可以改变硅的形貌，还可增加枝晶数量，减小 二次枝晶臂间距 2 2 2 4 】。 目前认为舢s i 合金的变质机理主要有生长抑制说和形核抑制说。生长抑制 说认为1 2 5 - 2 8 】，共晶s i 因生长时的内部缺陷，沿( 2 1 1 ) 向择优生长成板片状。变 质处理使得s i 相由小平面生长方式转向非小平面( 粗糙界面) 生长，消除了共晶 s i 生长的固有台阶，改变了其生长机制，抑制共晶s i 的生长，择优方向变为( 1 0 0 ) ， 共晶s i 呈纤维状。而形核抑制说则认为【2 9 3 0 】，n a 、s r 等变质元素“吸附”在s i 晶核上，“毒化”了液相中s i 的晶胚，使s i 不至于过早折出而使熔体获得较大 的过冷，从而导致变质。最新观点认为，未变质时，液相中的共晶s i 的晶胚领 先于共晶a l 相按固有台阶生长成板片状，而当变质时，变质元素吸附在s i 的晶 胚表面上，一方面封锁其固有生长台阶，使晶胚不能成长而使系统过冷，另一方 面降低了液相中a l 的化学势，使d a l 相领先生长，而s i 相则通过孪晶在旺一a l 晶包间的“节点”生长而形成纤维状共晶组织l 2 0 】。 1 3a 3 5 6 合金强化机理及其影响因素 1 3 1 a 3 5 6 合金的强化机理 要取得a 3 5 6 台金综合性能的提高，必须实现其强度与韧性的最佳配 合。人们通过对铝合金材料强化机理的不断研究，提出了许多方式，其中 郑州大学硕十学位论文 第一章绪论 主要有： 1 细晶强化：通过向熔体中添加一定量的细化剂，既可作为细化a ( a 1 ) 相的有效异质形核核心，促进n ( a 1 ) 快速形核，又能有效的抑制n ( a 1 ) 晶粒的长 大而达到细化合金晶粒组织的目的。对a 3 5 6 合金来说，作为形核质点的a 1 3 t i 粒子均匀分布于n ( a 1 ) 枝晶内部，具有与母体材料的良好匹配性而起到很好的细 化效果。晶粒越细小、分散，在外力作用下，变形的不均匀性就越小，晶界的曲 折也就越多，就越不利于裂纹的开裂与传播 3 l 】。细化晶粒不但可以降低杂质的 有害作用，而且还可以增加变形时的位错运动阻力，提高合金的强度，增大裂纹 扩展阻力而增加韧性，使变形更加协调从而提高塑性和改善合金的机械性能。 2 沉淀强化【3 2 。3 4 】：a 3 5 6 合金熔体经浇铸后，其内部存在着大量的残余应力 和点阵畸变，在变形时容易诱发裂纹和应力集中。因此通过圆溶处理，一方面能 将所储存的残余应力和点阵畸变能释放出来，另一方面能使部分未溶的粒子形成 过饱和固溶体，在时效过程中析出均匀、弥散的共格或半共格的过渡区、过渡相， 它们在基体中能形成较强烈的应变场，从而提高合金的强度。通常，a 3 5 6 合金 的沉淀强化相主要是热处理后析出的与基体共格的7 相和半共格的相、p 相等 第二相析出物，这些析出物与位错发生强烈的交互作用，使位错发生缠结、钉扎 与增殖而形成胞状结构，使得位错运动的阻力增加，从而提高了合金的强度。基 体中析出相的结构、尺寸与分布对其性能有着重要的影响，以位错切过机制强化 的b “相的强化效果要小于以位错绕过机制强化的p 7 相。在合金变形过程中，位错 与相应力场的交互作用以及当位错切过相时需要增加新的表面能而使合金 得以强化。 此外，通过加入合金元素与铝形成固溶体来达到固溶强化。或在固溶处理时 由于合金元素超过其极限溶解度时，会出现部分未溶入基体的硬而脆的第二相粒 子，如s i 粒子、金属间化合物等，它们同样阻碍位错的运动，使合金强度提高 而实现第二相强化，但却会降低合金的塑性。对合金进行冷变形处理，增加其内 部的位错密度，从而阻碍位错运动，也能提高合金的强韧性。 1 3 2a 3 5 6 合金的化学成分对其组织和力学性能的影响 合金的化学成分对合金的性能有着重要的影响。a 3 5 6 合金中的s i 能改善合 金的流动性，使之易于铸造，但却削弱了基体的强度与韧性。m g 作为a 3 5 6 合 6 郑州大学硕i 学位论文 第一章绪论 会的主要强化元素，能与s i 形成沉淀相 m 9 2 s i ，弥散分布在基体中强化合金的性 能，但m g 含量增加，合金强度提高而 延性却下降。另外，最新研究表明， m g 能抑制f e 相的有害作用。f e 对a 3 5 6 合金的危害最大，它在合会中与a l 能形 成一些条状的脆性金属间化合物，如 f e s i a l 5 ，会严重削弱合金的韧性与塑 性，并且粗大的初生片状f e 相在合金凝 固的早期就已形成，从而阻碍了熔体在 补缩通道的流动，造成铸造缺陷。当f e 图1 r 4 钛( 硼) 对a 3 5 6 合晶粒细化效果 f i g1 4g r a i nr e f i n i n g e f f i c i