（材料加工工程专业论文）强磁场作用下铝铜合金的扩散及时效析出行为.pdf

摘要 极端条件在科学研究中一直具有重要的学术价值。强磁场可以改变一个 系统的物理状态( 粒子的运动和能量量子化) ，而使其引起科研工作者的浓厚 兴趣。本文以铝一铜扩散偶和a 卜4 c u 舍金时效析出过程为研究对象，探讨了 强磁场作用下铝铜扩散偶的原子扩散与合金时效析出的组织结构和力学性 能及强磁场作用机理等问题。 利用金相显微镜、电子探针、透射电镜和x 射线衍射仪等手段研究了强 磁场对组织性能和原子扩散的影响。研究结果表明：强磁场作用改变了c u ( a 1 ) 原子的扩散速度。对于铝一铜扩散偶而言，在温度和时间相同的条件下，当扩 散方向与磁场方向垂直时，施加强磁场后原子的扩散距离增加近l o 倍；当扩 散方向与磁场方向平行时，原子的扩散速度几乎没有变化。 强磁场作用下a 卜4 c u 合金时效析出的研究表明：强磁场使旷a 1 晶界 附近c u 原子偏聚区明显加宽，出现清晰的“富c u 台阶”，而相同条件下没 有施加强磁场作用时，晶界附近没有富c u 偏聚区。研究还发现强磁场作用 使a 卜4 c u 合金时效析出组织具有明显的旋转取向和聚集效应，随着磁场强 度的增大，这种旋转取向和聚集效应增强，聚集的条状析出相呈黑，长形态。 当旌加1 0 t 强磁场后，析出相大多聚集成串，而且基本上在两个方向平行排列， 且两个方向近乎垂直，此外，在薄区边缘聚集了很多的析出相。无磁场时，析 出相呈弥散分布且基本上无聚集成串现象，也无方向性；与无磁场时相比，同 样温度和时间条件下，强磁场细化了析出相组织。 从强磁场对合金的力学性能影响来看：施加强磁场后，合金硬度都有明 显的提高。在完全析出稳定相前，由于c u 原子的扩散速度加快而使合金硬化 相g p 区和e ”相析出速度加快是硬度提高的主要原因。 关键词：强磁场；扩散；时效；组织结构；硬度 璺堂堡旦! 塑塑全垒墼芏墼墨堕整塑垄堑查 r e s e a r c ho nd i 妇瞰s i o na 1 1 dp r e c i p i t a 矗o na 1 - c ua 1 1 0 y u n d e r m 曲哗e t i c f i e l d a b s t r a c t 1 ke x 衄釉ec o 戚t i o nh 船b e e np l a y i n gav e r yi 工玎【p o r t a n tp a r ti ns c i e 埘f i c 陀s e a r c h h o w e v e r ，h i g hm 哪t i cf i e l d 啪a n 廿a 叫砒e m 撕cp h y s i c a ls 诅t e ， n 毗l e l yp a r t i d em o v e m e n ta n de 玳哩万q 咀d z a _ f i o n ，w h i c hi n 蛳d l l a t el l i g h 眦弘c t i c 丘e l df 吣mo t l l 盯m 锄ec o n d i t i o n ，f o re x a m p l e ，l o wt e m p e r a t i i r e t h i s p a p e rd e a l sw i t ha t o m i cd i 如i o no f 舢- c ud i 凰ee v e na n dp r e s c r i 曲o no f a 1 4 c ua 1 1 0 yi nah i 曲m a 印e t i c ，a n d1 h e ne 印l o r c s 缸l c d o m e c h a n i s mo f h i g h m a g n 舐c f i e l d 1 k 碰h 埘eo fh i 曲m a 扣战c 毹l do na t c 噬匝cd i 自胁i o no fa 1 - c ud i 舒l s e e v e n 锄dp r e s c 邱t i o no f 灿- 4 c ua 1 1 0 yh a v eb e e i li n v e s f i g a t e d b yu 如go 砸c a l n l i c r o s c o p e( o m ) ， e k c 的l l i c n l i c r o p r o b e髓a l y z e r ， 仃a n s r n i s s i o ne l e c 们n m i c r o s c o p ea n dx - r a yd i 缶d o n n l er e 汕sd e m o n s 劬t e 也a th i 曲m a 弘e t i c f i e l dc h a g e da t o m i cd i 丘砥i o ns p do ft 、v os 1 ：u d yt 姆lt ba l 皿i 玎j l l i n c o p p e r d i 琦l s i o ne v e r ld i s t a n c eo fa t o m i cd i 岱】s i o ni st e n 劬e s 勰衄踮w i t h o u 七 m a g 耻d cf i e l di nt h es 锄et e 咀l p a 盈t i l r e 锄dt i m ep o s i t i o nw h e nd i 丘- u s i o nd i r e c t i o n a n do r i e i l t a t i o no f 眦弘e t i c 矗e l di sp e r p d i 叫跹w h e n 也et w od i r e c t i o ni s p a 诅l l e l ，t h ed i s t a ：n c eo f a t o m i cd i 仔b i o n 妇g e sn e x tt 0z e m h i g hm a 弘e t i c 五e i d s 蚯b c t s0 nm i c r o s c 叩i cs t r u c t l l r _ eo fa l - 4 c ua l l o y t i s g u es h o w 也砒 l l i g hm a 2 田e d c f i e l dw i d e no b 、r i o u s l yt h et e n d e n t i o u s a c c i l i l l u l a t i o nz 0 船n e 盯也ef a i nb o u n d a d ，a n dc o p p e 卜r i c hp e d e s t a ls i tc a nb e s e e n c o p p e r - r i c hz o n eo f g m i l lb 0 1 1 1 1 d a r yc a nn o tb es n 、h e nw i f l o u tr 唧e t i c 丘e l d h i g hm a g 芦e t i cf i e l dp o s s e s s e sr e v o l 埘o n ，o r i e n t a t i o na n dg a t h e r i n ga c d o n f b rt i s s u co f 越- 4 c ua 1 1 0 ya g i l l g w h e nm a g n e t i c 氐1 ds 订e n g 血i se 妇g e d ，也e a c t i o ni sb u i l tu pa n da c c l 】m l l l 砸v eb a n d 王i l gp r c c i p i 诅t e dp h a s e sb e c o m eb l a c ka n d l o n g 也ef i e l ds t r e 呼hi se 1 1 1 a r g c dt ol o t ，p r e c i p i 诅t e dp h 髂e sa 1 i n o s t c o l l e c ti n t ob e a d sa n db 嬲i c a l l ya r 锄g ep a m l l e li nb o mn e a r l yv e r t i c a id i i 谢o n s i na d d m o n ，m a n yp r e c i p i 忸t e dp h 嬲e sg a 廿1 e r0 n 吐峙e d g eo f 也i nr e g i o n w t h o u t m a g n 曲cf i d dp r e c i p i t a 士e dp h 觞e sd i s p e r s eo nb a s e ，n 0g a f 姚gi n t 0s n g p h c n o m e 0 na dd i r c c 曲i 够c o m p a r e dt on ol l i g l lm a 班e t i cf i e l d ，n l e 丘e l d r e f - m e dp r e c i p i t a t e dp h 嬲e s t i s s u eu n d c rt h es 锄e 缸e 龃dt c m p e 船t u r e t 0a n a l y z ef 幻mt l l ei n u e n c eo fh i g hm a 弘e t i cf i e l dp l a y i i l go nm e c i 础c a l 大连理工大学硕士学位论文 p r o p 酬e so f t l l ea l l o y ，m cf i e l dm a k e ss t i 缸s so f 雠a l l o yl a r g e lb e f o r e s 印跚t i n go u tc 伽叩l e t e i ys 诅b i l i 础o np h a s e s ，t h ec h i e fr e 越o n f o rl 鹕e r s t i 茄s si st h a ts e p a r a t i o ns p e e do f h a r d e np h a s eb e c o m el a r g e r ，w h i c hi sc a u s e d b yd i 蜘s i o n s p e e d o f c ua t o m g o t u p k e yw o r d s ：h i g hm a 弘e t i c 舶l d ；m f f u s i o n ；p n d p i t a t i o n ；s t m c t l i m ；s t 埘n e s s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：壶i 乏越日期：互红 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 年五月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 铝合金的研究现状和发展趋势 目前，高强高韧铝合金，颗粒增强铸造铝合金，快速凝固耐磨高硅铝合 金及耐热铝合金等的研究成为科学工作者的热门研究课题。 下面分别介绍这几方面的研究现状及发展趋势。 1 1 1 颗粒增强铸造铝合金 铝基复合材料因具有密度小，比强度高，熔点较低，易于加工等优势，在 材料界占有重要地位，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业。随着现 代工业的发展和技术的进步，对高强度铝基复合材料的要求日益迫切。铸造 铝合金工艺性能较好，铸造零件结构设计限制小、制造简便，在很多应用中采 用铸造铝合金更为有利“1 。常见的高强度铸造铝合金中a 1 一c u 系合金综合 性能优良，是当前研究的热点之一。增强体材料主要有纤维、晶须和颗粒几 类。纤维、晶须增强金属基复合材料具有高温性能好，比强度、比模量高等 优点，但常4 备工艺复杂、成本较高，而且，因纤维和晶须材料具有一定的长径 比，致使复合材料的均匀性不易控制，性能波动大，从而未得到大规模工业应 用。1 。使用颗粒增强的方法是将增强颗粒加入或自生进入基体中，得到兼有金 属基体材料韧性和塑性及增强颗粒较高的强度和模量的复合材料。该方法生 产材料成本低、制各工艺简单，可采用传统的金属加工工艺进行加工，且制得 的材料性能各向同性，微观结构均匀，具有良好的发展前景。卅。目前，颗粒增 强铸造铝基复合材料的研究和应用已取得了一定进展，并有望在多领域中实 现应用。 1 1 2 高强高韧铝合金研究现状和发展 高强铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等特点， 被广泛应用于航天、航空工业及民用工业等领域。尤其在航空工业中占有着 十分重要的地位，是航空工业主要结构材料之一刚。近些年来，优化合金成分 设计、提高纯度、发展新的热处理制度、超细化合金的组织结构、精确调控 合金中强化相的最佳三维分布，成为发展高性能铝合金的重要方向】。 ( 1 ) 国外高强铝合金的发展情况 高强铝合金主要是以a 1 2 c u 2 h l g 和a 1 2 z n 2 m 9 2 c u 为基的合金。前者的静 强度略低于后者，但使用温度却比后者高。a 1 2 c u 2 m g 系合金是发展最早的一 种热处理强化型合金。航空工业的发展，促进了该系合金的改进。本世纪2 0 年代和3 0 年代相继发展了2 0 1 4 和2 0 2 4 合金，随后又发展了2 6 1 8 合金。这 强磁场作用下铝铜合金的扩散及时效析出行为 个系的合金发展较为成熟，已先后定型了十几个牌号。这些合金作为航空材 料，已得到了广泛的应用。早在2 0 世纪2 0 年代就开始研究和开发a 1 2 z n 2 m g 系合金，美国a 1 c o a 公司在此期间发展了锻件用的x 7 0 s ( 1 9 3 1 ) 和薄板用的 x 7 l s ( 1 9 3 2 ) 以及它们的发展型合金。但由于该系合金存在严重的应力腐蚀 现象而未得到应用。直到2 0 世纪4 0 年代初才发展了加入c u 、和c r 等元 素的a 1 2 z n 2 2 c u 系合金。c u 、m n 和c r 等元素的加入显著的改善了该系合 金的抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能，最早应用的该系合金是美国7 0 7 5 合金。 其后于7 0 年代末8 0 年代初先后在7 0 7 5 合金的基础上，为满足某些特殊性 能的要求，通过调整合金元素的含量，又发展了几种新型合金。如为了提高强 度，增加了合金中z n 、m g 元素的含量，出现了7 1 7 8 合金；为了获得良好的综合 性能，采用了以z r 代替c r 方法，并同时提高了合金元素c u 的含量及z n m g 比，而研制了7 0 5 0 合金。对于7 0 5 0 合金本身，为了寻求a 1 2 z r l 2 m 9 2 c u 合金薄 板的最佳强度和韧性。通过降低f e 、s i 杂质的含量，又发展了7 1 7 5 铝合金， 进而开发了纯度更高的7 4 7 5 铝合金，近年来，国内外正在大力开发研究强度 更高、韧性及耐蚀性更好的新一代7 a 5 5 高强铝合金。9 0 年代，美国、英国、 日本等工业发达国家利用先进的喷射成形技术开发出了含锌量8 以上( 最高 达1 4 ) 、仃为7 6 0 8 l o 船a 、占为8 1 3 的新一代超高强铝合金，用于制造 交通运输领域的结构件及其他强度要求高、抗腐蚀性能好的高应力结构件 幡- 。 ( 2 ) 国内高强铝合金的发展情况 国内超高强铝合金的研究开发起步较晚。但是，超高强铝合金研制基本 上沿着高强度、低韧性一高强度、高韧性一高强度、高韧性、耐腐蚀方向发 展，热处理状态则是沿着两一刀3 一刀6 一刀3 6r 丌4 ，一7 7 7 方向发展，在 合金设计方面的发展特点是合金化程度越来越高，f e 、s i 等杂质含量越来 越低，微量元素添加越来越合理，最终达到大幅度提高合金强度的同时保持 合金具有优良的综合性能，高强高韧铝合金是航空航天主要结构材料之一， 其典型性能见表1 1 ，主要特点及应用情况见表1 2 。 表l1 高强高韧铝合金的典型性能 台金牌号及热处屈服强度抗拉强度延伸率6原始成分 理状态 脾a 搬a 7 0 7 5 一t 65 0 05 7 01 1 5 6 z n 2 5 碓9 1 6 c u 7 0 5 0 t 7 3 65 1 05 5 0 1 l 6 2 z n 2 2 5 m 9 2 3 c u 7 4 7 5 t 7 6 5 l5 6 05 9 01 25 7 z n 2 2 5 m 9 1 5 5 c u 7 0 5 5 t 7 7 6 4 0 6 6 0 1 0 8 0 z n 2 0 5 m 9 2 3 c u 7 1 5 0 一t 7 76 1 46 4 81 2 6 5 z n 2 2 5 m 9 2 1 c u 2 大连理工大学硕士学位论文 b 9 6 u 一1 t 2 6 2 06 5 07 8 4 z n 2 7 m 9 2 3 c u b 9 6 一3 t 25 6 05 9 088 1 z n 2 1 m 9 1 7 c u b 9 6 u 一3 t 1 26 2 06 4 0 7 8 1 z n 2 1 m 9 1 7 c u 表1 2 高强高韧a 卜z n - m g - 0 i 系合金的主要特点及应用情况 牌号主要特点主要制品及状态应用实例 7 4 7 5强度、断裂韧性高，抗疲劳性乃1 、刀6 1 薄飞机机身、机翼蒙皮， 能好 板，粥5 1 、刀6 5 1 和翼粱，舱壁，子弹壳 刀3 5 l 厚板 7 0 5 0强度高，断裂韧性、抗应力腐丌6 5 l 、刀4 5 l 状态厚飞机机身框架，舱壁。机 蚀和抗剥落性好，淬火敏感板，丌6 5 1 1 、翼蒙皮，加强筋，起落架 性小打3 5 1 1 挤压件，丌4支撑部件，铆钉 模锻件 7 1 5 0在7 6 5 1 状态下强度比7 0 7 5两5 l 、两5 l l 、丌7 5 1 已用于波音7 5 7 、7 6 7 ， 高l o 舻一1 5 韪断裂韧性高1 0状态厚板，刀7 5 1 状空中客车a 3 1 0 和麦道 g ，抗疲劳性能好，两者兜f态挤压件皿一1 1 等飞机的上翼 性能相似结构，已被波音7 7 7 用 作部分结构件 7 0 5 5抗压和抗拉强度比7 1 5 0 高1 0 刀7 5 l 状态厚板和挤被波音7 7 7 飞机选为上 ，断裂韧性、耐蚀性与7 1 5 0压件翼结构材料 相似 1 1 3 快速凝固耐磨高硅铝合金 铝硅合金作为耐瞎材料。机械工业中得到了广泛应用，但是，采用普通 帱造工艺生产过共晶铝硅台金时。粗大的硅相严重割裂了基体的连续性。使 合金的强度、韧性显著下降。当硅量超过1 4 w t 时，即使变质处理也无法消 除硅相的不良影响。 随着现代工业的发展。尤其是汽车、电子业的发展， 对铝硅系合金的性能提出了更高要求。这主要体现在进一步提高耐磨性、耐 热性，降低线收缩率及密度等方面。显然，采用j 6 铸造工艺是j 6 以实现上 述要求的。快速凝固技术的发展这一问题得到了解决。 ( 1 ) 快速凝固铝硅合金研究现状 快速凝固耐磨高硅铝合金研制始于6 0 年代。d i x o n “成功地用粉末冶金 方法制取了硅含量达4 5 w t 的过共晶铝硅合金。7 0 年代s k e l l y 掣”1 对含硅 量为2 5 4 5 w t 的快速凝固铝硅二元及三元合金进行了研究。制得了具有较 强磁场作用下铝铜合金的扩散及时效析出行为 高耐磨性的合金。近几年，z h o u 等“”“1 对铝硅多元系快速凝固合金的组织、 性能及固结工艺进行了系统研究，获得了多种高耐磨、耐热的过共晶铝硅合 金。日本s 硼i t o m 0 轻金属有限公司等o ”采用喷射沉积快速凝固工艺制成了 尺寸较大的铝硅多元系合金沉锭，并进行了实际应用。 ( 2 ) 快速凝固高硅铝合金的应用和发展 展望高硅铝合金是快速凝固田合金中的主要系列之一，早巳引起各国的 重视。许多国家进入了实际应用阶段。例如，日本，美国，荷兰等。利用高 硅侣合金的高弹性摸量、高密度、高耐磨性( 特别是抗咬合磨损性) 和高强度， 将高硅铝合金成功地用于制造汽车发动机、空调机及电子行业的抗磨损件。 仅日本用于制造压缩机部件的快速凝固高硅铝合金材料已达到6 0 0 多吨。由 此可见，这种材料具有巨大的应用潜力。我国这方面的工作只是近几年刚开 始，处于实验室研究阶段，合金的种类也仪限于a 1 - s i c u m g 系，与国外有 较大的差距。然而，随着我国工业的发屣，特别是汽车、航天、航空业的发 展，对这类材料的需求将越来越迫切。目前，高硅铝合金存在的问题主要有 两方面。一是粉末冶金工艺的高硅铝合金韧性差，二是成本高。这两方面问 题均与制各和成型工艺有关。采用喷射沉积成锭，然后热挤压的工艺，可在 一定程度上缓解此类问题。因此，发展喷射沉积和其它低成本固站工艺的快 速凝固高硅铝合金，应是当今的研究方向。此外，进一步提高快速凝固高硅 铝合金的耐热性，使其能应用于航空和航天业，将是今后几年里的主要工作。 1 1 4 耐热铝合金研究现状 所谓耐热铝合金，是指在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷( 动 的和静的) 的长时间作用下，具有抵抗塑性变形( 蠕变) 和破坏能力的铝合 金。耐热铝合金由于具有导热性好和密度低等优点，所以在航空航天上得到 广泛应用，如航空发动机的汽缸头和活塞、飞机蒙皮等“”。 ( 1 ) 铸造耐热铝合金“” 通过调整成分，添加微量元素及加入一定量的稀土元素可以生成金属间 化合物或构成固溶强化，对提高铝合金的耐热性能具有显著的作用。为保证 r r 3 5 0 合金的性能，要求合金必须为细晶粒的多元共晶体，且不允许有粗大 相析出。对a l r e c u - m n _ s i 合金的性能及微观结构特征研究表明，5 5 r e 可 使合金在3 5 0 4 0 0 高温下仍具有优越的力学性能，比一般耐热铝合金的 耐热温度提高5 0 ，主要是因为形成了多种高温稳定的稀土化合物相呈放射 状分布在晶间，有效地阻碍高温下晶界的滑移。 ( 2 ) 变形耐热铝合金o ” 研究表明，在a 卜c u m g 系合金中等量地添加f e 和n i 元素可以生成在基体 内不易溶解和扩散的异相不均匀组织组成物a 1 9 f e n i 相，可以使合金的高温 4 大连理工太学硬士学位论文 性能提高2 0m p a 4 0 肝a 或1 09 6 1 5 。a a 包契瓦尔在1 9 4 7 年就曾指出”1 ， 冷变形引起的强化效应在再结晶温度以下仍能保持它的作用，因此在 a 卜c u m g _ f e n i 系合金中添加m n 以提高再结晶温度，采用形变热处理使变 形强化效果在高温下保留下来，可以提高a 卜c u - m g f e n i 合金高温强度3 0 m p a 4 0 肝a 。对2 6 1 8 和l d 7 耐热铝合金的实验研究表明，将c u 、m g 、s i 含量 控制在工艺上限，以形成更多的s 相、微细的f e n i a l 9 相及m 9 2 s i 相，同时将 杂质含量控制在上限以提高再结晶温度，并细化晶粒可提高合金的耐热性 能。优选t 6 热处理制度、采取双级时效处理亦可稳定和提高合金的耐热性。 含z r 的第二相可明显提高导电铝合金的耐热性，而向2 6 1 8 合金中添加微量 元素s c 和z r 可以生成细小弥散的共格是l 。( s c ，z r ) 质点可有效地钉扎位 错、稳定亚结构、阻止晶界滑移及提高再结晶温度，从而抑制合金的再结晶。 此外，a 1 。( s c ，z r ) 质点可明显提高时效硬化效果，使s 相更加弥散均匀析 出，由于a l 。( s c ，z r ) 热稳定性很高，使合金的室温和高温强度同时提高。增 加2 6 1 8 合金中的c u 含量可使强度提高，但当c u 增至3 以后合金的塑性会下 降。此外，合金的晶粒度对a k 4 一l 合金的强度和断裂韧性有较大影响，晶粒 度越小越好。减少f e 、n i 量，加入z r 合金化的a l ( 4 2 板材，锻件有更高的 抗断裂性。研究指出，采用超细的氧化物作为增强剂制成的铝基复合材料可 在2 0 0 以上条件下使用。 ( 3 新型耐热铝合金n u 非共格硬颗粒弥散物对合金产生的强烈弥散强化可大大提高铝合金的 耐热性，如粉末冶金法生产的烧结铝合金，工作温度可达3 5 0 。采用新型多 级雾化一快速凝固制粉装置制得的a 卜f e v - s i 合金粉在低温和大压力下将 粉末热压、挤压成合金材料，可获得性能优良的保持微细结构的粉末耐热铝 合金。利用锻造可以有效地破碎喷射沉积耐热铝合金a 1 一f e v _ s i 层与层之 间的氧化物界面及粗大聚合粒子，从而有效地提高合金的塑性和其它力学性 能。加入稀土y 的合金中产生了大量类球形的a 1 2 0 ( v ，f e ) 2 v 相质点可以明显 改善其室温强度，而加c e 可部分固溶于a 1 1 2 ( f e ，v ) 3 s i 中，明显细化该质点， 从而改善f v s 0 8 1 2 合金的综合力学性能。在相同的喷射沉积轧制工艺条件 下，a 卜f e w _ s i 的综合性能优于a 卜f e 一卜s i ，因为a 1 1 2 ( f e ，w ) 3 s i 强化相的 细小粒子的形成对冷却速度的要求较低，而且粗化率明显低于a 1 1 2 ( f e ，v ) 3 s i 。对快速凝固的a 1 - c e = 元合金的研究发现，第二相a 1 4 c e 及a 1 c e 3 在3 5 0 以上才开始长大。将b 加，入且1 _ c e n i 合金中可细化组织，生成c e b 6 相起弥散 强化和晶界强化作用，抑制其它弥散相的高温生长，阻碍位错运动，使合金耐 热性提高。a l l i e d 2 s i g n a l 公司用平流铸造法生产的4 0 目以下的快凝耐热铝 合金a 卜f e v s i 粉末为基体合金，加入3pm 的s i c 颗粒作增强相，采用粉末混 5 强磁场作用下铝铜音金的扩散及时效析出行为 合一真空热压一热挤压一轧制工艺生产的颗粒增强耐热铝合金复合材料，其 室温和高温强度分别比基体合金提高了9 0 肝a 和4 0 肝a 。机械合金化工艺使固 溶度比快速凝固技术成倍增加，如a 卜t i 系耐热铝合金，用快速凝固技术只能 使t i 在a l 中的溶解度达到2 ，超过此值时，a 1 3 t i 呈粗大颗粒结晶，使材料性 能恶化，而机械合金化可以使t i 在a l 中超饱和固溶达8 ，在热固结成型过程 中以弥散相a 1 3 t i 析出，从而改善合金的性能。目前已用该工艺生产了a 卜f e 、 a 卜t i 、a 卜等系列的耐热铝合金。 1 2 铝铜合金时效析出研究概况 地球上铝资源比较丰富，但铝本身的特性决定了铝的应用范围比较窄。 采用各种铝合金强化技术使铝的各方面性能得到了明显的提高。目前，时效 强化法是铝合金的重要强化技术。研究方法主要倾向于单独强化或者几种强 化法结合来改变铝合金的力学性能，使之达到所需要求。从铝合金时效的方 向看，主要有以下几个方向： 1 2 1 时效工艺对硬化效果的影晌 改变热处理时间等是科学工作者常用的时效处理工艺。于利波等对间接 挤压铸造a l c u 合金进行不同的热处理后发现，9 h 的固溶处理可以得到最佳 的固溶效果，且韧性最好，延伸率提高2 0 o 目。在a 卜z n m g c u 合金中添加1 的 l i 并且采用双级时效工艺使合金得到很好的硬化1 ； 有人对a 卜c u 合金分 别进行不同的单级和“双级”应力时效处理，研究了外加应力对片状析出出 物析出动力学和择优取向的影响。结果表明：低温度下时效，相对电阻率在 时效初期时出现了较小的上升，说明外加应力对a 1 _ c u 合金的片状g p 区有 促进作用。在较高温度下时效，相对电阻率没有出现上升阶段，但其下降幅 度明显降低，说明外加应力对矿相的析出动力学也有影响。不同温度下的 “双级”时效处理结果表明：外加应力对时效初期择优取向的影响作用要强 于对时效后期择优取向的嘲】。 1 2 2 压力铸造工艺的应用 于海朋等进行了高强韧铝铜系合金的压铸及热处理的试探性研究。在 z 1 2 0 1 的基础上，调整合金成分，改善合金的铸造性能，进行压铸试验研 究。试验发现压铸大大细化了合金的微观组织，铸态性能较金属型高，经低 温时效后合金强度达到一般高强压铸铝合金的水平，且塑性提高2 0 以上 。”。郑青春等采用超塑预处理来使a 卜z n _ m g - c u 合金晶粒细化，从而得到较好 的力学性能陈康华等利用高温预析出提高了7 a 5 2 一t 4 和7 a 5 2 - t 6 l 合金的 抗应力腐蚀性能，同时其强度和延伸率有所增加o ”。 6 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 添加微量合金元素对时效硬化的影响 李润霞等通过在铸造a 卜s i - m g c u 合金中添加适量的c d 提高了合金的峰 时效硬度，加快了合金的硬化速度嘲。苑少强等研究了简单成分的含n b 微合 金钢在热变形弛豫后、5 2 5 时效时硬度变化及析出过程。结果表明：经弛豫 淬火后的含n b 钢在时效过程中出现双硬化峰现象，相变前原有细小析出相在 时效时会长大和租化，形成第一个硬化峰：而相变后q 相中过饱和的n b 在时 效时会进一步析出，形成第二个硬化峰汹1 。张均艳等通过在铸态a l s i m g 合金中 加入微量c u 来改变沉淀相析出速度及陈志国等在a 卜c u l i - m g 合金中添加 少量z n 加增强了合金的时效硬化效应，延缓了峰值时间的到来，且随z n 含量 的增加，该作用越显著，且合金时效硬化曲线上出现z 个硬化峰。等都是添如 合金元素来硬化合金的应用。 通过改变合金元素含量对比来改变硬化效果和硬化速度肼1 也是人们常 采用的时效硬化工艺。 1 ，2 ，4 合金时效析出相的微观结构研究 通过研究合金时效后析出相的微观结构来了解强化机理也是科学工作 者在时效方面常研究的方向。”3 。 1 3 强磁场科学与技术在材料中的应用概况 1 3 1 目前国内外强磁场的研究现状及发展趋势 磁场装置是凝聚态物理学领域的重要研究工具，通过它发展起来的技术， 例如核磁共振( n 豫) 、电子顺磁共振( e p r ) 、磁共振成像( m r i ) 对当代化学、 生物学甚至医疗领域有着广泛的影响。而强磁场则已成为现代物理研究不可 缺少的工具，利用它，我们可以发现许多新的物理现象，或者对己知的现象作 更进一步的研究。尤其是随着我们对物质结构研究的不断深入，强磁场发挥 着越来越重要的作用，在固态物理学、生物分子学、核聚变与等离子物理研 究等许多重大科学工程中已成为必不可少的技术基础。正因为如此，在世界 范围内，一大批强磁场实验室相继建立起来，并且取得了骄人的成绩。这中间 以美国l o sa 1 a o s 实验室和日本东京大学以及大阪大学磁场实验室为主要 代表。 ( 1 ) 稳态磁场 稳态磁场可以长时间工作，是物理研究中最理想的实验工具。它的内径 通常在5 0 衄左右，随着磁场强度的提高，由于电源等方面的限制，内径将减 少至3 0 啪左右。对于这样的稳态磁体，通常需要一个2 0 姗的电源o “，因此， 只有比较大的实验室才具备这条件。目前，国佛罗里达n 删f l 实验室的混合 7 强磁场作用下铝铜合金的扩散及时效析出行为 磁体仍然保持着稳态磁场的最高记录。该磁体由超导磁体和水冷磁体两部分 组成，其中水冷磁体内径为3 2 m ，电源2 4 f f f ，生的磁场为3 l t 。超导磁体共 包括三个超导线圈：一个外层n b 2 t i 线圈和两个内层n b 3 s n 线圈，内径为 6 1 5 衄，在室温时产生1 4 3 t 的磁场汹】。超导部分和水冷部分同时工作时，就可 以产生4 5 t 的稳态磁场。在该磁体的设计过程中，共有1 7 家公司参与了材料、 元件和系统的设计与制造。目前，他们的计划是将水冷磁体的水平提高到 3 6 t 口”，从而产生5 0 t 稳态磁场。除此之外，在其他实验室也还分布着一些高性 能的稳态磁体。在日本，东芝公司为t o h o k u 大学制造了一个3 1 t 的混合磁体， 位于t s u k u b a 的国家金属研究室也计划制造一个4 0 t 的混合磁体；在法国 g r e n o b l e ，已建成了3 1 4 t 的混合磁体；在荷兰的n i j m e g e n 强磁场实验 室，眦t 为他们制造了两个混合磁体，其中一个可以产生3 0 t 的磁场，他们还 计划将线圈和供电系统升级到2 0 姗，从而可能产生4 0 一4 5 t 范围内混合磁场。 位于合肥的中国科学院等离子体物理研究所是我国稳态磁场的主要研究单 位，1 9 9 2 年，该所的混合磁体产生了2 0 2 t 磁场，并开始对外进行开放性实 验。现在，这里也有进行4 5 t 稳态强磁体研究的计划。就目前而言，稳态磁 体运行费用较高，并且它所能达到的最高值最终受制于直流电源的容量， 因此，从长远的角度来看，超导磁体将很可能成为稳态磁体的主体，其余为数 不多的将是5 0 t 甚至6 0 t 的混合磁体。 ( 2 ) 长脉冲磁场 我们通常将脉宽达到l s 数量级的脉冲磁场称为长脉冲磁场。长脉冲磁 场的一个优点是波形具有可控性，我们可以根据需要产生特殊的波形，它的 缺点是电流整形后的纹波较大。目前，l o sa 1 a m o s 实验室的长脉冲磁场装置 处于世界领先水平，是惟一能够产生6 0 t 长脉冲磁场的装置。该装置于1 9 9 7 年夏季组装完毕。它主要包含一个从核电站得到的1 4 3 0 删6 5 0 m j 的电动发 电机和5 个6 4 肼的整流器模块。每个模块的空载电压为4 k v ，满载电压为3 2 k v ，电流为2 0 k a 。磁体部分主要由9 个嵌套在一起的线圈组成，这9 个线圈 在电气上分为3 组，每组均由独立的电源模块供电。根据不同功率需要，分别 由两个串联的电源模块供电。组装完后的长脉冲磁体内径为3 2 咖，6 0 t 长 脉冲的脉宽可达2 s ，其中平顶部分为1 0 0 m s ，是同类装置中性能最好的，另外， 它还能产生许多其他形状的可控脉冲波。自1 9 9 7 年运行以来，该装置共进行 了8 0 0 多次实验，其中4 0 0 多次达到了6 0 p “。在日本的k a s h i w a ，东京大学也 建立了长脉冲磁场实验装置。他们的电源是一个3 3 0 0 k j 电容器组，根据需 要，这三个电容器组可以单独使用，也可以组合起来使用。另外，电容器组的 输出电压可以通过改变开关联接方式在5 k v 和1 0 k v 之间转换。 ( 3 ) 非破坏性脉冲磁场 非破坏性脉冲磁场是相对于长脉冲磁场而言的。长脉冲磁体成本比较高， 8 大连理工大学硕士学位论文 一般处于非常保守的运行状态，工作磁场强度远低于它的最大磁场水平。非 破坏性脉冲磁体则不同，它的成本较低。典型的非破坏性脉冲磁体用1 0 0 k j 一2 m j 的电容器作为电源，磁体重约几公斤，一个熟练工人只要一周时间就 可以完成，因而它常常处于临界应力状态下运行，这样即使遭到破坏，磁体也 很容易更换。目前，非破坏性脉冲磁场的最高纪录为8 0 3 t ，它是由日本大阪 大学创造的。产生这个磁场的磁体是一个双层结构，内层是一个用马氏体铁 筒加固的单匝线圈，内径为1 0 眦，外径为1 8 硼，产生的磁场为1 0 t 。外层是一 个7 0 3 t 的磁体，它的内径为1 8 岫，外径为6 0 珊，高为1 5 0 衄。绕组由9 层线 圈构成，导体材料是2 3 硼2 的c u 2 a g 合金，抗拉强度为9 0 0 肝a ，外面用4 5 呲 厚的马氏体铁圆柱筒加固。通过实验得到，内外层一起可以产生8 0 1 3 t 8 m s 的脉冲磁场1 。 现在，对非破坏性脉冲磁体，磁体专家都将关注的目光集中在1 0 0 t 的水 平上。通过多年的研究，他们一致认为，1 0 0 t 的非破坏性脉冲磁体在设计上 基本遵从以下两条原则：( 1 ) 为了降低对电源的要求，通常采用多层线圈结构 外层用来产生背景磁场，内层产生叠加磁场；( 2 ) 为了克服强大的磁应力，导 体材料采用强度较高的c u 2 a g 或c u 2 n b 合金丝1 。根据这个指导思想，大阪 大学已经设计出一个内径为5 8 啪、外径为1 0 0 咖的磁体，用它产生了4 4 4 t 的磁场。接下来他们希望用这个磁体作为外层，然后用一个4 5 t 的9 层线圈 磁体作为内层，从而产生9 0 t 的磁场。2 0 0 0 年，l o sa l 锄o s 实验室也在美国能 源部的资助下进行1 0 0 t 磁场的研究。他们的做法是用一个内径为2 2 0 姗的5 0 t 磁体作为内层，用一个6 0 t 的长脉冲磁体作为外层，工作时让两者均产生 5 0 t 的磁场1 ，一共产生1 0 0 t 的非破坏性脉冲磁场。在欧洲，各大实验室也 正在着手1 0 0 t 磁体的设计工作。欧洲科学基金同意建立一个欧洲磁场实验 室，希望设计出l o o t 的脉冲磁场，以取得在非破坏性脉冲磁场技术上与美国 和日本竞争的地位。他们的第一步是在法国的t o u l o u s e 设计8 0 t 的实用脉冲 磁体，目前，1 4 m j 的电容器组已经组装完毕。成立于1 9 8 7 年的中国科学院物理 研究所磁学开放实验室( 1 9 9 0 年更名为磁学国家重点实验室) 曾从事非破坏 性磁场研究主要专注于磁光共振、磁各向异性和磁瞬变现象的研究。该实 验室开发了多种高强度材料，尤其是绝缘材料，设计的脉冲磁体产生了5 0 t 的磁场。2 0 0 2 年，华中科技大学也已经通过了教育部的评审，准备在华中科 技大学建立脉冲强磁场实验室，搭建基础科学研究的实验平台。同时，我们还 和比利时k u l e u v e n 大学强磁场实验室建立起了联系，正在开展脉冲强磁 场方面的国际合作。双方合作从2 0 0 3 年开始，其中脉冲强磁场设计软件开发、 新型复合材料测试等工作已基本完成，下一步的工作将是在k u l e u v e n 大 学的协助下，在华中科技大学建设脉冲强磁场实验室，并进行高性能脉冲磁 体测试工作。 9 强磁矮作用下铝铜台金的扩散爱时效析出行为 ( 4 ) 百特斯拉级磁场 到目前为止，因为磁应力的原因，要想得到百特斯拉级强磁场，就必须以 破坏磁体为代价。而在实现方法上，几十年来还没有重大突破，主要还是采用 单匝线圈法、电磁压缩法和爆炸压缩磁通法。不过，这三种方法对实验室得 要求较高，只有少数实验室在开展这方面的研究工作，现简要介绍如下。( 1 ) 单匝线圈法。最近，在日本的东京大学和德国柏林的h u m b o l d t 大学分别建立 了两个单匝线圈装置。这两个装置都在液氨温度下产生了2 5 0 t 的实用磁场和 3 0 0 t 的最高纪录。( 2 ) 电磁压缩法。在东京大学用于电磁压缩的主电容器为 5 m j 4 0 k v ，副电容器为1 5 m j 1 0 k v ，用该电容器作为电源，产生的磁场达 6 0 6 t ，他们计划的下一个目标是7 5 0 t 。( 3 ) 爆炸压缩磁通法。前苏联科学家 p a v l o v a s k i i 及其同事采用该方法产生了1 6 0 0 t 的磁场记录“”。目前只有俄 罗斯的s a r o v 实验室还在从事该方法的研究，他们希望在p a v l o v a s k ii 的基础 上有所突破，产生出更强的实用磁场。 1 3 ，2 强磁场材料科学展望 近年来，随着超导技术和超低温技术的进步，在较大空间内获得高强度 的静磁场变成了现实。这不仅使传统的洛仑兹力的作用效果显著提高，也使 对非磁性物质一直被忽略的磁化力的利用变得可能。强磁场不仅可以从宏观 上控制材料的物理化学反应过程，而且可以影响和调节物质内部的微观电子 运动状态。非铁磁性材料在强磁场中表现出一系列显著的强磁现象，如均恒 强磁场使具有磁各向异性的非铁磁性材料取向、梯度强磁场控制顺磁性流体 的流动和梯度强磁场使水、木材、塑料、抗磁性金属悬浮等等。这些强磁现 象具有重大的理论研究价值和实际应用价值，意味着磁场应用的范围有可能 从传统的以铁磁性材料为主扩大到整个材料领域，是磁场应用的一个重大突 破，由此可能发现很多新现象或者制备新型功能和结构材料等，因而引起材 料工作者的极大关注和重视。2 0 世纪9 0 年代以后，有关强磁场在材料科学 中应用的理论和实验研究迅速增多，目前已在结晶凝固、粉末冶金、电析、 烧结、络合、热处理、塑性加工、对流传热、液体悬浮和分离等方面进行了 广泛的探索性研究，涉及超导陶瓷材料、磁性材料、高分子材料、金属材料 等，形成一个全新的、内涵丰富的研究方向。与普通电磁场作用于宏观的物 体不同，均恒强磁场( 以下简称强磁场) ，一般强磁场的磁感应强度为1 0 t 数 量级，能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子的排 列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响。 强磁场在控制材料的物理化学过程、相变、结晶配向等方面均取得了大量的 科研成果，并由此诞生了强磁场材料科学。最近，日本、法国等发达国家都 相继投入了大量人力和物力，竞相开展强磁场利用方面的研究工作。强磁场 1 0 大连理工大学硕士学位论文 材料科学的发展也逐步引起我国材料工作者的极大关注和重视，东北大学 ( 电磁振动和电磁超声波与金属凝固、磁场与金属变形织构等) ，上海大学 ( 强磁场与晶体生长、电磁净化等) ，和大连理工大学( 金属电磁连铸、强 磁场与材料组织性能等) ，以及中国科学院等离子体物理研究所( 高温超导 体h t 相图、