（材料物理与化学专业论文）sc、zr和ti复合微合金化al5mg合金组织和力学性能研究.pdf

郑州人学硕士学位论文摘要 s c 、z r 和t i 复合微合金化a l 一5 m g 合金的 组织和力学性能研究 摘要 本文以纯铝、o 0 4 t i 的电解低钛铝合金、纯镁、a 1 3 s c 、a 1 3 z r 及a 1 4 7 5 t i 中间合金为原材料，通过采用不同的s c 、z r 含量和加钛方式，分剐制备了八种 试验合金，采用金相显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) 观察了合金在不同状态下的微观组织，测试了合金在室温和高温下的拉伸力学性 能，研究了s c 、 z r ，s c 、 啊及s c 、z r 、t i 复合微合金化对a l 一5 m g 合金的显 微组织和力学性能的影响，分柝了s c 、z r 和t i 在a 1 5 m g 合金中的存在形式和 作用机理。研究发现： s c 、z r ，s c 、t i 二元或s c 、z r 和t i 三元复合台金化均可增加s c 对a 1 5 m g 合金的晶粒细化效果，特别是进行s c 、z r 和t i 三元复合合金化时，合会具有最 佳的晶粒细化效果。相同条件下，增加s c 含量或z r 含量均可增加合金的晶粒细 化效果，采用电解加钛方式进行s c 、z r 、t i 三元复合合金化的合金具有最佳的 晶粒细化效果。原因在于多元复合合金化，不但可以降低a l a 1 3 s c 共晶成分， 有利于一次a 1 3 s c 质点的析出，而且可以代替部分s c 形成复杂的一次a 1 。( s c ，z r ) 或a l ，( s c ，t i ) 复合粒子甚至a l 。z r ，t i ，s c 。这些粒子尺寸小，弥散度高，与基 体的结构匹配性好。增加z r 或s c 含量均可增加熔体中的一次a l 。( s c ，z r ) 、 a 1 。( s c ，t i ) 或a l 。z r 。t i ，s c 。一，复合粒子数量，电解加钛合金中均匀的钛分布可以 产生更为强烈的复合合金化效果。 不管是单独加s c ，还是进行s c 、z r ，s c 、t i 二元或s c 、z r 、t i 三元复 合合金化，均显著增加合金的再结晶抗力及室温和高温力学性能，合金再结晶温 度由普通a l m g 合金的3 5 0 0 c 提高到4 5 0 0 c 以上。合金的室温屈服强度由不含 s c 合金的1 3 5 m p a ，提高到2 5 0 m p a 左右，抗拉强度也由2 7 0 m p a 提高到3 7 0 m p a 左右。塑性有所下降，由不加s c 时的3 0 下降到1 7 左右，仍保持良好的塑变 行为。相对而言，s c 、z r 和s c 、z r 、t i 复合合金化，对合金的室温屈服强度和 抗拉强度影响较小，但对合金的高温强度和再结晶抗力影响显著，特别是s c 、 郑州大学硕上学位论文 摘要 z r 、t i 复合合金化的a 1 m g 合金具有最好的高温强度和再结晶抗力。这主要归 因于s c 、z r 、t i 复合合金化细化了合金组织，增加了合金中析出的二次 a 1 ，( s c ，z r ) 、a l ，( s c ，t i ) 或a l ，z r ；t i ，s c ，复合粒子数量，降低了复合质点的长 大速度，减小了a 1 3 s c 质点的尺寸，使得第二相粒子的尺寸更小，弥散度更大， 分布更均匀，从而强烈地钉扎位错和亚晶界，不但可以阻止位错的迁移和亚晶粒 的合并和长大，增加晶界的强度，而且可以大大增加室温和高温条件下的弥散强 化效果。 关键词： a 1 5 m g 合金；s c 、z r 、t i 复合合金化；晶粒细化；再结晶抗力；室 温和高温力学性能 i i m 日c rd e g r c e sd i s 协i o no f z z ua b 砒r a c t i n v e s t i g a t i o no fs c ，z ra n d1 ic o m b i n a t i o na i l o y i n go 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 lp r o p e n i e so f a l - 5 m ga n o y s a b s t r a c t i n t h i sp a p e r e i g h t 姑n d so fa l 一5 m ga 1 1 0 y sw i ld i f f e r c ms c a n d i 啪( s c ) ， z i r c o t l i u m ( z r ) a n dt i t a n i u m ( t i ) c o n t e n tw e r ep r o d u c e db yu s i n gp u r ea l u r n j n u m ， e l e c t r o l ”i c l o w - t i t a l _ l i u ma l 砌i n 啪a 1 1 0 y s ，p u r em a 趴e s i 啪，a l 一3 s c ，a 1 3 z ra n d a l - 4 7 5 t i t h em i c r o s t m c t u r eo ft l l e s e a l l o y sw c r ee v a l u a t e db yu s i f 培o p t i c a l m i c r o s c o p y ，s c a n n i i l g e l e c t r o n m i c r o s c o p y( s e m ) a n d 船m s m i s s i o n e l e c 订o n m i c r o s c o p y ( t e m ) 1 kr o o m 如dh i g ht 锄p e r a t u r et e n s i l em e c h a l l i c a lp r o p e m e so f t 1 1 e s ea l l o y sw e r em e a s u r e d t 1 1 ee 丘b c to fc 唧1 e xa 1 1 0 y i n go fs c ，z r ，a n dt jo nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，f e c r y s t a l j i 删i d nr e s i s t 锄c ea n dm e c h a l l i c a lp m p e n i e so fa l - 5 m g a l l o y sa r ei n v c s t i g a 硼n er e s l l l 眦嘴a sf 0 1 l o w i n g ： t h ec o m p l e xa l l o y i t l go fs c z r ，s c t io rs c 一肪t im a k et l l eg r a i nr e f i n 锄e n t e f f e c to f a l l o y sw a so b v i o u s l yi n c r e a s c d 腼s i n gt 1 1 es co rz rc o n t e n tc a ni n c i e a s e 出e r c f i n e m e n te 最c to fg r a i n t ka 1 1 0 y sw h i c ha l l o y c dw i ms c ，z ra 1 1 d t ih a v et h e o p t i m mg r a i nr e f i n e m e n te 行b c t i ft i “u mi sa d d e du s i n gl o 、”t i t a i l i ma l 啪i n l l i i l a l i o y st om a l 【e 协ec o m p l e xa l l o y i n go fs c ，z ra n dt i ，m eg r a i nr e f i n e m e n te 舵c to f a i i o y si so b v i o u s i ys u p e r i o rt ot i l a to fa l l o y s 廿a d 妯o nt i 洲哪a l i o y i n gm e t h o d t h e r e a s o ni s 也a tt h ec o m p l e xa l l o y sn o to i l i yd e c r e a s e st h ee u t e c t i cc o m p o s i t i o no f a l - a 1 3 s c ，w h i c hi sf h v o r i t et ot h ep r e c i p i t a d o o fp r i m ec o m p l e xp a r t i c l e sf b mm e l t ， b u ta l s oap a r to f s cc a l lb er c p l a c e db yz ra i l dt i t o f o r n l t l l e a l 3 ( s c ，z r ) ，a 1 3 ( s c ，t i ) a n de v e na 1 3 z r x t i y s c 卜x yc o l p l e xp a m c l e s ，w h i c hm a k et h ep a n i c l eh a v e1 e s ss i z e ， h i g h e rd i s p a r i 吼h o m o g e n e o u sd i 觚b u 吐o na i l de x c e l k md i s c r e p a f l c yb e 帆e ni a n i c e p a r 锄e t e r s i n c r e a s i n g 也ez ro rs cc o n t e n tc a l li n c r e a s e 也ev o l u m e 舶c t i o no f c o m p l e xp a r t i c l e s t h eh o m o g e n e o u s d i s t r i b 面o no ft i t a n i 啪i nl o w 。t i t a n i 啪 a l 啪i n 啪a l l o y sm a yc i l h a n c et h ec 唧l e xa l l o y i n ge 窍e c to fs c ，z ra i l dt i w h e m e rm a l 【et h eo n ec o m p o n e n ta l l o y i n g 、v i ms i n g l es co rc o m p l e xa l l o y i n g 州n ls c - z r ，s c t ia 1 1 ds c - z r t i ，m er c c r y s t a l l i z a t i o nr e s i s 协c ea r l dr o o mt e m p e r a t u r e a n dh i 曲t 锄p e r a t u r cm e c h a l l i c 出p r o p e n i e so fa l - 5 m ga 1 1 0 y sa r ee “d c n n yi n c r e a s e d c o m p a f e d 谢t 1 1c o m m o na 1 5 m ga l l o y s 埘t h o ms c ，也er e i 珂s t a l l i z a t i o nt e i n p e r a t u r e i l i m 舾t e rd e g r e e sd i s s e 咖t i o no f z z ua b s 廿a c t o fa l l o y sc a nb er a i s e dt o4 5 0 0 c 行o m3 5 0 0 c n l ey i e l ds t r e n g 血c a nb ei n c r e a s e dt o 2 5 0 m p a 厅o ml3 5 m p a 肌dt l l et e n s i l es 骶n g t hc a l lb ei n c r c a s e dt o3 7 0 m p a 矗d m 2 7 0 m p a t h o u g hn l ep l a s t j c i t yo fa l l o y si sd e c r e a s e d ，w h i c ht 量1 ee l o n g a t i o no fa j j o y s i sd e c r e a s e dt o1 7 f 如m3 0 ，m ee x c e l l e n td u c t i l i t yc a nb ek e p t t h es c z ra 1 1 d s c - z r - t c o m p l e x“l o y i n g a l m o s t l a v e a i l y e 腑c to nt l l er o o mt e m p e r a t u r e m e c h 趴i c a lp r o p e n i e s b u ti 乜e 脏c to nt h er e c r y s t a l l i z a t i o nr e s i s t a i l c ea n dh i g h t e m p e r 帅em e c h a i l i c a lp m p c m e si s0 b v i o u s e s p e c i a l l yw h e na 1 1 0 y e dc o m p l e x l y w i 伍s c z r t i ，廿】ea l l o y sh a v ct h eh i 曲e s tl l i 曲t e n 叩e 糟t u r es t r e n g t l la n d r c c r y s 扭l l i z a t i o nr e s i s 伽1 c e 1 1 1 er e a s o ni sm a tt h ec o m p l e xa l l o y so fs c - z r _ t in o to n l y r e f i n e st h eg r a i ns i z eo fa l l o y s ，b u ta l s oi n c r e a s e st h ev o l 啪e 丹a c t i o no fs e c o n d a 1 3 ( s c ，z r ) ，a 1 3 ( s c ，t i ) a 1 1 da 1 3 z r x n y s c l x ya 1 1 dd e c r e a s e sg m w t l lm t eo fc o m p l e x p a n i c l e s t h ep a n i c l e sm a yh a v el e s ss i z e ，n l o f eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o na 1 1 dh i 曲e r d i s p e r s i o n ，w h i c hc a i le 腩c t i v e l yp i nu p 廿l ed i s l o c a d o n sa i l d 廿l eg r a i nb o l h l d 盯i e so r s u b - b o u n d a r i e s n o t0 1 1 l yt h em o t i o no fd i s l o c a t i o na 1 1 dt h ei n i 伊a t i o no fg m i n b o u n d a r i e sa sw e ua st l l em e f g ea 1 1 dg r o w t ho fs u b 鲜a i nc 锄b ee f f b c t i v e l yb l o c k e d ， b u ta l s om es 岫l g t l lo f 掣a i nb o u n 蜥e sa n dt h ed i s p e r s i o ns t r e n g 也e n i n ge f r e c to f c o m p l e xp a n i c l e sa tm o ma i l dh i 曲t c l p e r a n l r ec a nb ee 虢c t i v e l ys t r 脚g t l l e n e d ， w l i c hr e s u l t si n 出ea l l o y sh a v et h ee x c e l l e n tr ；。c r y s t a l l i z a t i o nf e s i s t a n c ea 1 1 dm o ma 1 1 d l l i g ht e m p e r a t u r em e c h a l l i c a lp r o p e m e s k e yw o r d s ：a l - 5 m ga 1 1 0 y s ，c o m p l e xa l l o y i n go fs c z r - t i ，g r a i nr e f i n e m e n t ， r c c r y s t a l l i z a t i o nr e s i s t a n c e ，m o ma 1 1 dh i 曲t e m p e r a t u r em e c h a i l i c a l p m p e m e s 郑州大学硕_ 一学位论文 郑重声明 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) ：李化阀 砷6 年r 月训日 郑州大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属钪及其性质 钪( s c ) 的原子序数为2 1 ，在周期表中与镧系稀土金属同属于第i 副族， 与钛、钒、铬等同属于3 d 型过渡金属。 钪的原子量为4 4 9 5 6 ，原子半径为o 1 6 4 1 ( i l i n ) ，常温下晶体密度为2 9 8 9 ( g ，c m 3 ) ，液态密度( 熔点1 8 1 2 k 时) 2 8 0 ( c m 3 ) ，熔点为1 8 1 2 ( k ) ，沸点为 3 1 1 5 ( k ) ，液态( 熔点时) 表面张力为9 5 4 1 5 ( 达因c m ) ，1 3 0 0 k 时的蒸汽压 0 为8 1 3 1 0 母( p a ) ，电负性为1 3 ，离子半径( 正三价) 为0 6 8 ( a ) 。氧化钪 的晶体密度为3 8 9 ( 咖m 3 ) ，熔点为2 5 7 3 ( k ) 。三氟化钪的熔点为1 5 0 0 ( k ) ， 沸点为1 8 0 0 ( k ) ，1 3 0 0k 时的蒸汽压为2 7 1 0 。6 ( c m h g ) 【l 】。 钪有两种晶体结构，在常温下至1 6 1 0k 时，为s c ，六方晶格，a = 0 3 3 0 9 n m ，c = o 5 6 8 啪：在1 6 1 0 k 至熔点时，为b s c ，体心立方晶格，a = o 3 7 3 0n m 。 金属钪具有银白色的金属光泽，暴露于空气中时变成略带有黄色的光泽。纯净的 金属钪较软，容易加工。它与各种酸反应激烈，但在空气中不会很快失去金属光 泽，也不会被水迅速浸蚀。在5 0 0 8 0 0 的温度下，钪在空气中可被氧化。 与某些重稀土金属和铱相比，钪表现出卓越的性能：它不会被l ：1 的浓硝酸浸 蚀，也不与4 8 的氢氟酸反应，因此，这两种酸可以用来从钪中除去钽。 与金属铱相似，高纯度时钪表现出良好的可加工性，而含有氧和其它非余属 杂质元素的钪的加工非常困难。尽管金属钪在数量上还不适于采用拉伸的方法来 研究其性能，但现在已经能够成功地对钪进行轧制和锻造。在惰性气体保护下， 采用电弧焊点焊的方法可对钪进行焊接】。 1 2 铝钪合金 铝钪合金是一种集高强、高韧、低密、耐热、耐蚀、可焊接等有益性能于 一身的新型结构材料，已越来越引起材料界的重视。 邦州人学硕土学位论文第一章绪论 i 2 i 铝钪合金相图 文献报道的a l s c 系状态图如图1 1 所示。 - 日 。簟 j 。而 q j 棚 “屿i 柚 与 图1 1 a 1 s c 二元相图和a 1 s c 相图中富a i 相图区 f i g 1 - 1 a l - s cb i n a r yp h a s ep i c t u r e 锄d a l - r i c h a r c ao f a l - s cp h 酗ep i c t u r e 图中所示体系范围内，铝钪间存在四种金属间化合物：稳定化合物a 1 2 s c 、 a l s c 、a l s c 2 和不稳定化合物a 1 3 s c 。他们分别对应的组成点为( 讯) ：4 6 5 s c 、 6 2 5 s c 、3 5 7 s c ，或( m 0 1 分数) ：3 3 - 3 s c 、5 0 s c 、2 5 s c 。化合物a 1 3 s c 是l 】2 型结构，面一亡垃方晶格( a u c 蜥) ，a = o 4 】d 6 n m ，其结构与铝相同，晶格常 数与铝接近( 铝的晶格常数a = o 4 0 4 m ) ；a 1 2 s c 是c 1 5 型体心立方结构( c u 2 m g ) ： a l s c 是b 2 型立方结构( c s c l ) 。 a 1 2 s c 和a l s c 之间，在1 1 5 0 下有一共晶点，二者几乎不互溶，不形成固 溶体。反应式为： l a 1 2 s c + a i s c 不稳定化合物a 1 3 s c 在1 3 2 0 下有一包晶点，发生如下包晶反应： 2 _ _ _ _ 啊 啪 帽 p i l # - 茹 tt茹 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 l + a t ! s c a l j s c a 1 a j 3 s c 系是共晶系反应，共晶温度为6 5 5 ，共晶成分为( 叭) o 6 s c ， 共晶温度时钪在铝中的极限溶解度为o 3 2 s c 。据文献报道，s c 在高纯铝中的溶 解度：，6 4 0 时为0 3 0 9 s c ，4 7 0 时为0 0 5 5 s c 。 目前已开发的铝钪合金主要集中在a 1 a 1 3 s c 系的共晶点附近或共晶点的富 铝一侧。对于共晶的体系，结晶过程为： l a + a z 3 s c 对于极限溶解度o 3 2 s c 以左的体系，其结晶过程为： 三一口1 _ 口2 + 0 f 3 其中：al 为含s c 量较高的n 固溶体； a2 为含s c 量较少的。固溶体。 由铝钪相图和文献报道我们可知【卜3 】：钪在共晶温度左右时，在铝中有较 大的溶解度，这样就有利于生成含钪较多的a 固溶体，又由于钪的晶格结构与铝 有较大的错配度( 6 产1 8 0 9 ，6 。= 3 0 2 0 ) ，因此有很好的固溶强化效果。 另一方面，由于钪在铝中的溶解度随温度变化非常剧烈，因此极易形成过 饱和固溶体，通过时效处理，就可以得到大量的弥散的球形二次a 1 3 s c 沉淀析出 相，加之a 1 3 s c 相是均质形核共格析出相，因而可起到很好的沉淀强化效果。 又由于a 1 3 s c 相的熔点很高( 1 5 9 3 k ) ，在高温下稳定性好，晶粒长大极其 缓慢( 在3 5 0 时效7 0 小时，析出质点的平均尺寸为5 n m ，在4 5 0 时效1 1 1 小 时，质点也只能长大到5 0 锄) ，因而使铝钪合金拥有极优异的高温性能。 含钪铝合金在结晶过程中，很容易有少量的初生刖3 s c 相生成，由于a 1 3 s c 相的晶体结构与铝基体相同，都是l 1 2 型面心立方晶格，晶格错配度很小，只有 1 6 3 ，因而极易成为n 相的形核中心，又因为其晶粒极其弥散、细小，因而可 起到良好的细化n 晶粒的效果，是良好的变质剂。 由上述分析我们可以看出，在铝合金中加入的钪，既有镧系稀土金属拥有的 细化晶粒和变质效果，又具有过渡金属的固溶强化和时效硬化的效果，并可提高 合金的热稳定性。 郑州大学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 2 铝钪合金的性能 通过多年研究，人们认识到：钪在铝合金中同时具有镧系稀土金属和过渡金 属的有益作用，而其效果又远比这两类金属高。可以说钪是到目前为止所发现的 对铝合金最有效的变质剂，其效果比任何过渡元素、稀土金属以及铝钛硼合金都 高。a 1 3 s c 化合物是尺寸小，密度高、分布均匀的均质形核共格析出相，直到很 高温度，甚至于在平衡状态下仍能同基体保持共格关系，这是在其他合金中从未 发现过的。 钪是一种有效的再结晶抑制剂，能将铝合金的再结晶温度提高到4 5 0 5 5 0 ，合金在均化、热变形和淬火后仍能保持未再结晶状态，这就使铝钪合金成 为种有竞争力的耐热合金。表1 - 1 及1 2 给出了一些a 1 s c 合金的性能比较 1 1 一 表1 i 铝钪台金与几种工业铝合金性能比较 t a b l el 1 n e p e 晌f h l 锄c e s c o m p 酬s o nb e t w c e n t h e a l s ca l l o y a ds o m e i n d u s 州a l a l a l l o y 另外，铝钪合金还拥有良好的可焊性。因为钪有强烈的变质作用，能细化焊 缝熔化区的晶粒和过剩化合物，可显著降低产生焊接裂纹的倾向性；钪还能有效 地抑制再结晶过程，使具有再结晶组织的过渡区或热影响区消失，由基体的亚晶 组织直接过渡到焊缝的铸态区。从而使含钪合金的焊接接头，不仅有高的强度， 郑州人学顾：l 学位论文第一章绪论 表l _ 2 铝钪合金与几种耐热台金性能对比 1 曲l e l - 2 t h e p e r f 砷m a n c e sc o m p a r i s o n b e t w e e n 山e a l s ca l l o y a n do m e rh c a t - r e s i s t i n ga l l o y s 而且有高的抗应力腐蚀能力。另外，钪还可以提高铝合金抗中子辐照损伤的能力， 是改善原子能发电和热核反应装置用铝合金材料性能的一种重要的添加元素。 1 2 3 铝钪合金的开发研究现状 正是由于铝钪合金拥有上述优异的综合性能，近2 0 年来，国际材料界对铝 钪合金的研究给予了高度重视，对其进行了大量研究工作。特别是俄罗斯，从基 础到应用都取得了许多成果，并已有多个牌号的铝合金规定加钪。如铝镁系的 0 1 5 1 5 、0 1 5 2 3 、0 1 5 3 5 、0 1 5 4 5 、0 1 5 7 0 、0 1 5 7 1 、0 1 5 7 5 ；铝镁锂系的0 1 4 2 1 、0 1 4 2 3 ； 铝铜锂系的0 1 4 6 0 ；铝锌镁锂系的0 1 9 8 1 等。通过在铝基合金中加入钪，俄罗斯 已成功使铝锂合金的断裂韧性得到很大提高，基本达到传统铝合金的水平，从而 解决了铝锂合金应用中的最大难题：同时也使原来不能进行焊接的铝锂系合金成 为可焊的合金，最大限度的发挥了铝锂合金质量轻，比强度高的优势。 美、日、加拿大等国也做了不少研究工作，但应用相对较为滞后。到1 9 9 8 年在美国铝业协会( a a ) 注册的含钪铝合金只有5 0 2 5 合金一种，其含钪为 0 0 5 一o 5 5 【1 2 1 。 我国含钪铝合金的研究起步较晚，但近些年已开展了一些基础研究，取得 了定的进展。而且，我国钪资源丰富，目前仍是氧化钪的主要输出国，大力开 发含钪铝合金，可以充分发挥我国的钪资源优势，对于我国国民经济和高新科技 的发展及国防建设具有重大的战略意义。现已研制开发系列的可加工成型 a j - m 2 s c 合金并得到实际的应用。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 微量s c 对a l - m g 合金的作用 a j m g 合金是可锻的不可热处理强化铝合金，由于具有良好的焊接性、优良 的抗蚀性能和韧性而广泛的应用到航空航天、汽车、化工等行业。然而，即使 a l m g 系中强度最高的合金( 含5 6 m g ) 也往往达不到应用的需要。例如， 最佳退火制度退火后的a 1 6 m g 板材的断裂强度缸b ) 为3 4 0 m p a ，屈服强度如o2 ) 为1 8 0 m p a 。丽向a l - m g 合金中添加微量的钪、锆和钛等或进行合金化处理，可 望使这类合金的应用范围大大扩展。 1 3 1a 】一m g - s c 三元合佥相图 a l m g s c 三元合金相图见图1 2 。 图1 2 a l - m 争s c 三元台金相图的富铝端 f i g 1 2a i - r i c ha r e ao f a l - m g _ s cp h a s ep i c t u r e 由a l m g s c 三元合金相图可知：在富铝角处，m g 与s c 不发生反应，其相 组成为a ( a i ) 、a i m g 台金形成的p 相、a i s c 形成的a i 3 s c 相。 1 3 ，2 微量s c 对a l - m g 台金的影响 ( 1 ) 微量s c 对a l m g 合金铸态组织的影响 文献研究1 4 1 表明，微量s c 在a 1 m g 合金中主要以初生a 1 3 s c 和次生a 1 3 s c 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 两种形式存在：初生a 1 3 s c 是合金在凝固过程中析出的，可成为有效的非均质晶 核- 大大细化合会的铸态晶粒，因此，微量s c 对a 1 m g 合金的铸态组织具有晶 粒细化作用。 ( 2 ) 微量s c 对a i - m g 合金再结晶退火组织的影响 含s c 铝合金中在加热或退火过程中析出的次生的稳定的a 1 3 s c 弥散质点能 强烈地抑制合金的再结晶，显著的提高冷加工后合金的再结晶温度( 见图1 3 ) 。 t 2 l一 p一，曙j 一- 一；列 y谚 _ 1 j 镰 葛t 图1 - 3a l s c 系合金及a 1 _ z n m g - s c 系合金冷轧板再结晶温度与s c 含量的关系 f i g l i r el - 3r e l a t i o no f r e c r y s t a l i z a t i o nt e m p e 肿珊a i l ds cc o n t e n ti na 1 - s ca l l o y sa n d a j 勘_ m g - s ca l l o y s l ，4 a l - s c ；2 ，3 一a l - z n - m g - s c 根据合金硬度与退火温度关系，发现少量钪对铝及其合金的再结晶温度有着 很大的影响【1 5 ，1 6 j 。9 9 9 的纯铝冷加工后再结晶的起始温度2 3 0 ，添加0 3 3 s c 以后，合金的再结晶温度为4 5 0 ；在含5 之5 m g 的铝合金中加入o 3 s c ，再 结晶起始温度从2 4 5 提高到4 5 0 ；a 1 1 m n 合金中加入0 3 3 s c 再结晶温 度由3 8 5 提高到4 7 0 ；7 0 7 5 合金添加钪以后再结晶温度亦有显著提高。 ( 3 ) 微量s c 对a 1 m g 合金强塑性的影响 据资料1 7 。2 1 1 报道，向铝合金中添加0 4 的s c 时，每添加0 1 的s c ，其强 度可提高5 d m p a ，强化作用大大超过了目前工业铝合金用的传统合金元素m g 、 c u 、z n 、m n 、c r 等。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 新型a i - m g s c 合金和传统的a l - m g 合金拉伸力学性能”1 t a b i e1 - 3 1 1 1 e p e 响珊锄c e s c 哪p a r i s o nb e t 、v e e nm e a i - m g - s c a l l o y 锄d g e n e r a l a l 一m g a l l o y 可见，加入s c 后的a l - m g 合金的强度大大提高，并且表现出良好的强塑性 配合。 ( 4 ) 微量s c 对a 1 m g 合金耐蚀性的影响 s c 能显著提高铝合金及其焊接接头的抗应力腐蚀( s c c ) 性能【2 3 ，2 们。 a 1 4 8 z n 一2 3 m g 合金的挤压带材( 3 1 0 0 衄) 经人工时效( 1 2 0 4 8 h ) 后的 抗应力腐蚀寿命( s c l ) 只有一天，加入过渡元素m n 和z r 的合金，s c l 平均延长 到1 7 天，而加入s c 或s c 和m n 一起添加的合金，试样的寿命超过9 0 天未断。 s c 对s c c 的改善作用，与对强度和可焊性的影响一样也是由于s c 细化了晶粒和 抑制了再结晶过程所引起的。 ( 5 ) 微量s c 对a l - m g 合金热稳定性的影响 在铝及铝合金中加入s c ，可显著改善其热稳定性【2 5 06 1 。例如a 1 0 8 s c 合 金在3 0 0 时效5 0 0 小时，其硬度没有降低。合金中沉淀相a 1 3 s c 质点极细，甚 至用电镜也难以分辨。在3 5 0 时效7 0 小时质点的平均尺寸只有5 n n l ，在4 5 0 时效11 l 小时，质点才长大到5 0 n m 。但也有文献报道，a l s c 二元台金的过饱和 固溶体分解速度过快，a l o 4 1 s c 合金在2 5 0 时效的孕育期只有5 0 0 秒，在 4 0 0 一5 0 0 时效不超过十分之几秒，即可达到最大强度，随后由于颗粒长大并 且失去共格而导致温度下降。 ( 6 ) 微量s c 对a j m g 合金可焊性的影响 s c 能改善铝合金的可焊性，是因为s c 具有强烈的变质作用，能细化焊缝溶 化区的晶粒组织，显著她降低了焊接裂纹倾向性。s c 还能有效地抑制再结晶过 程，使具有再结晶组织的过渡区或热影响区消失，有基体的亚晶组织直接过渡到 郑州人学碗上学位论文第一章绪论 铸态组织，因此，含s c 铝合金的焊接接头，不仅具有高的强度，而且还有高的 抗应力腐蚀稳定性2 7 2 引。 ( 7 ) 微量s c 对铝合金超塑性的影响 由于a 1 s c 合金具有极细的晶粒组织、低的流动应力及显微组织的高稳定性 等特点，可以预见a 1 s c 合金必然具有良好的超塑性( s p f ) 2 9 ，3 们。r a l p h r 等 人研究了a l m g s c 合金的超塑性，在0 0 1 s 的应变速率下，获得了延伸率大于 1 0 0 0 的优异超塑性。赳m g s c 合金既有优良的超塑性能，又不像其它超塑合 会那样变形温度高速度低，需要复杂而苛刻的超塑预处理工艺，使超塑成型很困 难，不易实现工业生产和应用。因此，此种材料成型一些特殊部件在航空航天工 业上的应用，有非常好的前景。 1 3 3a 1 m g _ s c 系合金中钪含量范围的选择 研制开发含钪铝合金的一个重要问题就是如何选择钪的含量。据资料1 3 l _ 3 9 】 介绍，钪含量的选择应遵循以下原则：在相当于铝合金铸锭连续铸造的结晶条件 下，要使大部分钪处于在过饱和的固溶体内，在随后的工艺加热条件下，含钪的 固溶体分解并形成最大弥散度的舢3 s c 次生化合物质点，从而保证显著地提高再 结晶温度和强化合金；另外少部分的钪应该在结晶时以初生化合物a 1 3 s c 质点析 出对铸锭或焊缝内的铸造晶粒组织起细化变质作用。表1 4 给出了不同钪含量 合金的力学性能从表l 一4 可以看出，随着s c 含量从0 增加到0 6 ，强度性能明 显提高，但提高幅度逐渐减少，在s c 含量大于o 6 的情况下，其强度性能的 进一步提高是可能性很小。 分析m s c 合金及a 1 m g s c 合金平衡相图，钪与铝形成有限溶解度的共晶 型平衡图，钪的最大平衡溶解度为o 3 2 ，但是，在相当于连续铸造铸锭结晶的 冷却速度条件下，钪在m 内会形成反常的过饱和固溶体( 达o 6 ) ，因此，s c 的含量在o 6 左右时，a 1 s c 二元合金连续铸造获得的变形半成品可望达到或 接近最大强化效果。另外，当钪含量增加到o 6 时，强度性能的提高只有在严 格规定均匀化、塑性加工和热处理的温度时间参数的条件下，确保s c 在a l 中 过饱和圃溶体的最佳分解程度时才有可能。这是因为铝合金中s c 含量越高，形 成的过饱和固溶体越不稳定，分解速度越快，并且分解产物次生a 1 3 s c 质点聚集 倾向越大，聚集速度越高，从而会降低合金的优良性能，因此，在选择的最佳浓 9 邦州大学颁 学位论文第一章绪论 度时，必须考虑以下因素：( 1 ) 在复杂合金中，s c 在a l 中的极限溶解度会减少； ( 2 ) 钪在铝中的固溶体是不稳定的；( 3 ) a 1 3 s c 质点有聚集倾向。此外，还要注 意到铸锭和半成品在实际生产条件下长时间的高温加热，可能会使s c 在a 1 中的 过饱和固溶体完全分解和分解产物发生聚集。鉴于这些原因，在工业用铝合金中 添加0 6 的s c 并不是最理想的浓度，而认为在各种铝合金中s c 的合理含量范 围为o 1 。0 5 。 表l 一4 不同s c 含量a 1 s c 二元合金的力学性能对比h 0 1 t a b l e1 4 t h ep e r f b n t l 舭c e sc o m p a r i s o nb yd i 船r e ms cc o n t e n to f t h e a 1 - s ca l l o y 1 4s c 与z r 、t i 的相互作用 由合金化原理可知【4 h 引，合金元素在铝合金中主要以两种形式存在，固溶体 和金属间化合物。合金元素在这两种形式之间的分配主要取决于溶质和溶剂本身 的性质。z r 与s c 的物理化学性能相近，二者能形成连续溶解的固溶体，如果铝 合金中同时加入s c 和盈形成更复杂的三元化合物a 1 3 ( s c l 一。z r 。) 相，该相因其晶 格类型、点阵参数与a 1 3 s c 相差很小，因此不仅保持了a 1 3 s c 的全部有益作用， 而且在高温加热下聚集倾向比a 1 3 s c 相小得多，可使铝热稳定性会进一步提高。 铝钪一锆三元化合物形貌及能谱图如图1 - 4 所示。 其中：a 一铝钪锆三元化合物宏观形貌： b 铝钪锆三元化合物微观形貌； c 一铝钪锆三元化合物能谱图。由图1 - 4 可见，该化合物粒子为双重复合 结构，内部富z r ，外部富s c ，复合粒子成分的原予百分比为，a l ：s c ：z r ；7 5 1 5 ：1 6 7 4 ：8 1 l ，所以该粒子为m 3 ( s c ，z r ) 粒子。 1 0 郑州大学硕士学位论文第一审绪论 图1 4 a l - s c - z r 三元化合物形貌及能谱图 f i g 1 _ 4 a p p e 猢c e 趾dm ee n e r g ys p e c 仃咐no f a l s c z rt e m a r yc o m p o u n d 另外，由图i 5 所示的a i s c z r 三元相图可知，在有错存在的情况下，将使钪的 饱和溶解度降低，从而将有更多的a 1 3 s c 或a 1 3 ( s c ，z r ) 的细小晶粒生成，提高对 q 相的细化效果。这里需要特别指出，由于甜3 s c 或a 1 3 ( s c ，z r ) 颗粒的弥散度很 高，而且长大速度极慢，加上甜3 s c 化合物的比重与铝极为接近，共晶温度接近 铝的熔点，使钪在铝合金中不会发生偏析、偏聚【4 6 j ，因而即使有较多的a 1 3 s c 或a 1 1 ( s c ，z r ) 粒子析出，也不会生成粗大的颗粒而对合金性能产生不良影响。锆 的加入使合金的热稳定明显改善，图1 6 示出了含锆和不含锆a 1 - s c 合金的硬度 与时效温度的关系，含z r 的a 1 o 6 2 z r 和a 1 0 3 1 厅合金在4 0 0 时的孕育 期则分别为4x1 0 4 秒和2x1 0 6 秒，比a l ，s c 合金长3 4 个数量级。所以在a l s c 合金中加z r 可以减缓过时效发生的软化过程，因为过渡族元素在时效初期形成 的铝化物( a 1 3 z r 、a 1 3 h f 、a 1 3 t i ) 也是l 1 2 型面心立方结构，点阵常数a 一0 4 0 8 m ， 与a 1 3 s c 和纯铝的晶格常数极为相近。如在越一o 4 s c 合金中加入0 1 5 z r ，可 显著提高其热稳定性见图( 1 6 ) 1 4 7 1 。由图中显微硬度( h v ) 变化曲线可知， a l 。o 4 s c 和a 1 o 4 s c o 1 5 z r 两种含金的强化效果在任一温度均大致相同，只 是a 1 s c z r 三元合金的显微硬度随肘问的延长下降很慢，说明软化过程大为减 慢，而且在3 0 0 5 0 0 任一时效温度都是如此。可见s c 与过渡族元素m n 、c r 、 z r 、t i 等配合使用，对提高铝合金的热稳定性是有重要意义的。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论