（材料加工工程专业论文）电阻法研究挤压态almgsi合金的固溶及时效过程.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 a i m g - s i 系挤压铝合金密度低、耐腐蚀、焊合性好，具有良好的综合机械 性能。本文在a 1 m g - s i 系挤压铝合金基础上，用电阻法和硬度法测试固溶和时 效过程中性能的变化，结合由d s c 方法得到的时效过程的转变曲线，得到了较 佳的时效热处理工艺。本文研究的主要结果如下： 通过研究固溶过程中合金的电阻率变化，结果表明，空位是通过空位溶质 原子联合体来影响合金的电阻率的，它引起的附加电阻率不仅与固溶温度有关， 还与溶进基体的溶质原子数量有关，其关系式为 p ( ) = 1 0 8 0 塘一4 掌e x p ( 一8 8 l l 5 9 4 2 t a ) ( 1 + o 8 1 1 3 c ) ( t o 为淬火温度，c 为溶质元素 的原子百分数) ；同时，对低浓度固溶体电阻率偏离m a t t h i s s e n 定律的现象进行 了研究，在考虑空位溶质原子耦合作用的基础上，对m a t t h i s s e n 定律进行了补 充和说明。 通过研究固溶温度和时效温度对合金电阻率的影响，结果表明，固溶温度越 高，淬火后由于异类原子的溶入引起的溶剂点阵畸变越大，对电子的散射作用越 大，合金时效过程中的峰值电阻率越高，而且，固溶温度高于饱和固溶温度时， 时效过程中合金电阻率降低的速率随固溶温度的升高而加快，说明空位有加速时 效的作用，在保证不过烧的前提下，适当提高固溶温度能够缩短合金到达峰值时 效的时间。 通过研究合金的时效转变过程，在j o h n s o n - m e h l a v r a m i o m a ) 方程的基础上 得到了该合金的相变动力学方程，由方程中a v r a m i 指数n 得知合金的时效过程 是由形核和长大机制控制的，这些对时效工艺的优化将有很好的指导作用；采用 分别由o z a w a , t a k h o r , k i s s i n g e r 和s t a r i n k 提出的四种模型对时效析出过程的激 活能进行了研究，与文献中平衡态a 1 m g s i 合金的对比结果表明，含有过量s i 的a 1 m g s i 合金，gp 区的形成和d ”相的析出速度更快，但p ”相的稳定性大大 降低，极易向b 相转变；采用d s c 测试方法得到了合金在各升温及保温过程中 的热流变化曲线，进而得到该合金时效过程的转变曲线，并结合目前公认的时效 i i i 上海大学硕士学位论文 析出序列对各个相变区域进行了预测，这将对合金时效工艺的制定以及强化机制 的研究有好的指示作用。 通过研究合金的时效制度，结果表明，单级时效中较好的时效工艺为“1 7 0 6 h ，峰值硬度为11 2 h b ，强化相为p 相；长时间的室温预时效后，继续进 行人工时效时，对合金的力学性能提高不大；由相变动力学方程对该合金的时效 新工艺进行了预测，用电阻法和硬度法进行了有效的验证，预测结果与实际情况 有着很好的符合，该合金的时效新工艺为“2 0 0 xl h + 1 7 0 x3 h ”，峰值硬度为 1 1 3 5 h b ，d ”相和b 相都为有效的强化相，由k i s s i n g e r 模型得到b 相的激活能 较小和p 相的激活能很大，因此，该工艺的时效硬化稳定性很好。 关键词：a 1 - m g - s i 系铝合金；硬度；电阻率；d s c ；时效 i v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 1 m g - s ia l l o y sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r yb e c a u s eo fi t sf a v o r a b l ep r o p e r t i e s s u c ha sl o wd e n s i t y , h i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n de x c e l l e n tw e l d a b i l i t ya n ds oo n o n t h eb a s i so f 舢一m g s ia l l o y s t h ep e r f o r m a n c ec h a n g ew a sm e a s u r e dd u r i n gt h e p r o c e s s e so fs o l u t i o nh e a tt r e a t m e n ta n da g et r e a t m e n tb yr e s i s t i v i t ya n dh a r d n e s s c o n s i d e r i n gt h et r a n s f o r m a t i o nc u r v ed u r i n ga g i n gp r o c e s st e s t e db yd s c ，a b e t t e r a g eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sw a sg a i n e d s o m em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e a st h e f o l l o w i n g s ： b yt h er e s e a r c ho nr e s i s t i v i t yc h a n g eo ft h ea l l o yd u r i n gs o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t p r o c e s s ，t h e r e s u l ts h o w st h a tv a c a n c ya f f e c t st h er e s i s t i v i t y b yt h ew a yo f v a c a n c y - s o l u t ea t o mc o m p l e x e s ，w h i c hh a saf u n c t i o nr e l a t i o n s h i p w i t hs o l u t i o n t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ( t o ) a n dn u m b e r so fs o l u t ea t o m s ( c ) ，p r e s e n t e da sf o l l o w s ： p ( ) = 1 0 8 0 1 e 一4 e x p ( 一8 8 1 1 5 9 4 2 t o ) ( 1 + o 。8 1 1 3 c ) f 场e r et oi st h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n dci st h ev o l u m ef i a c t i o no fs o l u t e a t o m si ns u p e r s a t u r a t i o ns o l i ds o l u t i o n i na d d i t i o n ，i ti ss t u d i e dt h a tt h er e s i s t i v i t yo f l o wc o n c e n t r a t i o ns o l i ds o l u t i o nd e v i a t e sf r o mt h em a t t h i s s e nr u l e c o n s i d e r i n gt h e c o u p l i n go fv a c a n c ya n ds o l u t ea t o m s t h em a t t h i s s e nr u l ei se x p l a i n e da n de x p a n d e d f u r t h e r b y t h er e s e a r c ho i lt h ee f f e c to fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n da g i n gt e m p e r a t u r eo n r e s i s t i v i t yo ft h ea l l o y , t h er e s u l ts h o w st h a ta st h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ， t h eq u e n c hd i s t o r t i o ne x t e n tg r o w s ，t h es c a t t e r i n gf o re l e c t r o n sb e c o m e ss t r o n g ，a n d f i n a l l y , t h em a x i m u mr e s i s t i v i t yo ft h ea l l o yg o e su p w h a t sm o r ei m p o r t a n t ，t h e a u o y sr e s i s t i v i t yd i s e a s e sf a s ta st h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，w h e nt h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei sb i g g e rt h a nt h et e m p e r a t u r ea tw h i c ha l lt h es o l u t ea t o m s c a ns o l v ei n t ot h es o l i ds o l u t i o n t h ec o n c l u s i o ni sg a i n e dt h a tv a c a n c yc a r la c c e l e r a t e t h ea g i n gp r o c e s s ，a n di td o e sg o o df o re n h a n c i n gt h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e m o d e r a t e l yt os h o r t e nt h ea g i n gt i m e b yt h er e s e a r c ho nt h ea g i n gp r o c e s so ft h ea l l o y , t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n k i n e t i c s e q u a t i o n i so b t a i n e d b a s e do nj o h n s o n m e h l a v r a m i e q u a t i o n i t i s c o n c l u d e dt h a tt h ea g i n gp r o c e s si si nt h ec h a r g eo fn u c l e a t i o na n dg r o w t hf r o mt h e a v r a m ii n d e xno ft h i se q u a t i o n f r o mt h er e s u l t so ft h ed s ct h e r m o g r a m s ，t h e d e p e n d e n c eo fap r o c e s sp e a kt e m p e r a t u r et 口o nt h eh e a t i n gr a t e yc a nb eu s e dt o e v a l u a t et h ea c t i v a t i o ne n e r g yo ft h a tp r o c e s sb ya p p l y i n gt h en o n i s o t h e r m a l t h e r m o a n a l y t i c a ls t u d i e sp r o p o s e db yo z a w a , t l k h o r k i s s i n g e ra n d s t a r i n k c o m p a r e dw i t hw h a th a sb e e nr e p o r t e di ns o m ef a m o u sm a g a z i n e sa n dj o u r n a l s ，t h e o u t c o m es h o w st h a tf o ra 1 m g s ia l l o yw i t he x c e s ss i ，g pz o n ea n dp ”p h a s e p r e c i p i t a t em o r ee a s i l y , b u t6 ”p h a s ei si n s t a b l ea n dc a nt u mi n t ob p h a s ee a s i l y i n a d d i t i o n ，t h ea g i n gt r a n s f o r m a t i o nc h iv ei sg o tf r o mt h ei s o t h e r m a ld s ct h e r m o g r a m s ， w h j c hc a nb ev e r yh e l p f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho fa g i n gp r o c e s s b yt h er e s e a r c h0 nt h ea g i n gs y s t e m ，c o n s i d e r i n gb o t hs h o r t e n i n gt h ea g i n gt i m e a n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e ，an e wa n db e t t e rt r e a t m e n tp r o c e s so ft h ea l l o yi s f i n a l l yg a i n e d w h i c hi s 2 0 0 1h + l7 0 3 h ”，w i t ht h em a x i m u mh a r d n e s s v 上海大学硕士学位论文 1 1 3 5 h b k e yw o r d ：a 1 一m g - s ia l l o y ；h a r d n e s s ；r e s i s t i v i t y ；d s c ；a g e v i 上海大学硕士学位论文 图目录 图1 1 人工时效的a i m g - s i c u 合金的机械性能8 图l - 2 含4 5 c u 的铝合金时效时电阻、密度及点阵常数的变化1 2 图2 1 工艺路线图1 7 图2 2 正向挤压示意图1 8 图3 - 1电阻率测试示意图2 l 图3 2a 1 - m g s i 系合金相图的脱溶曲线2 4 图3 3l 群、2 # 、3 # 和4 # 合金的电阻率随固溶温度的变化曲线2 6 图4 1 退火态的4 # 合金3 6 0 c 固溶处理后，在2 0 0 c 进行人工时效时电阻率随时效时间的 变化曲线3 0 图4 2 退火态的4 # 合金4 5 0 。c 固溶处理后，在2 0 0 进行人工时效时 电阻率随时效时间的变化曲线3 l 图4 _ 3 退火态的4 # 合金4 8 0 。c 固溶处理后，在2 0 0 进行人工时效时 电阻率随时效时间的变化曲线3 l 图4 _ 4 退火态的4 # 合金5 0 0 固溶处理后，在2 0 0 进行人工时效时 电阻率随时效时间的变化曲线3 2 图4 5 退火态的4 # 合金5 3 0 固溶处理后，在2 0 0 进行人工时效时 电阻率随时效时间的变化曲线。3 2 图4 6 退火态的4 # 合金5 6 2 固溶处理后，在2 0 0 进行人工时效时 电阻率随时效时间的变化曲线3 3 图4 74 # 合金中，空位引起的附加电阻率与固溶温度之间的关系曲线3 4 图4 88 0 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线3 5 图4 - 9l l o 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线3 6 图4 1 01 4 0 。c 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线3 6 图4 1 11 5 0 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线3 7 7 4 上海大学硕士学位论文 图4 - 1 2 图4 _ 1 3 图4 1 4 图4 - 1 5 1 6 5 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线。3 7 1 7 0 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线。3 8 2 0 0 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线3 8 2 5 0 时效时，4 # 合金的电阻率随时效时间的变化曲线。3 9 图5 14 # 合金2 5 0 c 时效时，电阻率随时效时间的变化曲线4 2 图5 - 24 # 合金在2 0 0 c 时效时，电阻率随时效时间的变化曲线4 3 图5 31 0 0 时效结束时的时间的倒数的对数值与绝对温度的倒数之间的关系4 3 图5 - 44 # 合金在不同温度进行人工时效时砌( 砌( 1 ( 1 一朋) z n ( t ) 图4 6 图5 54 # 合金在不同温度进行人工时效时h ( k ) 1 广r 图4 8 图5 - 64 # 合金在1 7 0 等温处理时的相变热处理曲线4 9 图5 74 # 合金在1 7 0 时效时，电阻率随时效时间的变化曲线4 9 图5 - 8 固溶态的a i m g o s i 合金升温过程中的热流变化曲线，升温速率为1 0 c r a i n 5 0 图5 - 9 固溶态的a i - m g s i 合金升温过程中的热流变化曲线，升温速率为2 0 。c r a i n 。5 1 图5 1 0 时效析出过程中各个反应阶段的h ( y ) - ( t t p ) 关系图( o z a w a ) 5 1 图5 1 l 时效析出过程中各个反应阶段的1 1 1 ( y ( t p - t 0 ) ) - ( 1 t p ) 关系图( t a k h o r ) 5 2 图5 1 2 时效析出过程中各个反应阶段的h y t p 2 ) - ( 1 r r p ) 关系图( k i s s i n g c r ) 5 2 图5 1 3 时效析出过程中各个反应阶段的i n ( y r p l 9 2 ) ( 1 r r p ) 关系图( s t a r i n k ) 5 3 图5 1 4a 1 m g s i 合金的时效析出转变曲线5 5 图6 14 # 合金在不同温度下淬火后硬度的变化曲线5 8 图6 2 自然时效不同时间后，继续在1 7 0 时效时，4 # 合金硬度随时效时间的变化曲线5 8 图6 3 固溶态4 # 合金在1 1 0 c 保温1 2 h ，继续在1 7 0 c 下保温时硬度随时效时间的变化曲 线5 9 图6 - 4 固溶态的4 # 合金在1 4 0 。c 保温不同时间后，继续在1 7 0 保温时，硬度随时效时间 的变化曲线。6 0 图6 5 固溶态的4 # 合金在2 0 0 时效时的硬度曲线6 0 图6 - 6 固溶态的4 # 合金在2 5 0 时效时的硬度曲线。6 l 图6 7 合金的时效析出转变速率与时效时间关系图6 2 7 5 上海大学硕士学位论文 图6 - 8 在“2 0 0 + 1 7 0 c ”时效工艺下，合金的时效硬度变化曲线。6 4 图6 - 9 “2 0 0 1 2 ，3 0 m i n + 1 7 0 c ”时效工艺下，固溶态的4 # 合金的电阻率随保温时间的变化 曲线6 5 7 6 上海大学硕士学位论文 表目录 表1 1 汽车用6 0 0 0 系铝合金的化学组成3 表1 2 铝合金中基本的强化机制1 1 表2 - 1 实验材料化学成分表1 6 表3 1 与i a c s 相当的电阻率标准值2 l 表3 2 室温下，各溶质原子在基体中的溶解度2 6 表3 3 不同固溶温度下，该合金电阻率的测试结果和计算结果2 7 表5 1a v r a m i 方程在各种转交机制中的n 值4 7 表5 2 a v r a m i 方程中的n 值与各种转变机制之间的关系a 7 表5 3 不同升温速率中，合金中各相的析出温度5 l 表5 _ 4a i 1 6 3 w t m 9 2 s i 0 3 w t s i 合金各时效阶段的激活能( t o o l 1 ) 5 3 表5 5 趟1 1 2 w t m 9 2 s i 0 3 5 w t s i 合金各时效阶段的激活能5 4 表5 - 6 平衡a 1 m g s i 合金各时效阶段的激活能5 4 表5 7 热流曲线中峰值温度与合金时效过程中各析出相的对应关系5 5 表6 - l 该合金在不同温度时效时，出现g p 区和p ”相所需要的时效时间6 2 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 世界汽车工业正面临越来越严峻的三大问题：能源、环境、安全。伴随着石 油危机和经济形势的冲击，减轻重量、降低成本成为众人瞩目的焦点。为适应这 一新形势，要求新材料不仅具有高的静态疲劳强度，还应具有较强的抗裂纹扩展 能力和良好的耐蚀性能。a i m g - s i 系铝合金是热处理强化型铝合金中唯一没有发 现s c c 现象( 应力腐蚀开裂) 的合金，具有中等强度、优异的成形性、耐蚀性和 较低密度的6 0 0 0 系铝合金【1 1 ，适应这种新形势的要求，具有广阔的开发和应用前 景。 1 1 引言 a 1 m g s i 系铝合金具有一系列优良的性能：良好的耐蚀性能和工艺性能， 足够高的韧性，可进行阳极氧化着色，涂瓷漆和珐琅，被广泛的用作结构材料和 装饰材料。该系铝合金在加热状态下的塑性很高，可用来制造结构复杂、薄壁中 空的挤压态半成品，也可以进行模锻、拉伸、深冲和各种变形程度很大的操作， 可用在要求具有中高强度的、良好的工艺性能、耐蚀性能的和用作装饰外观的各 个工业部门。 近年来，为适应环保和提高安全性的需要，汽车制造商正在积极推进车身轻 量化的研究。 在欧洲，为突破2 0 0 8 年c 0 2 排放量自愿限制( 低1 4 0 9 k i n ) 的难关，正在积极 进行车身轻量化的研究。 在北美，为强化c a f e ( 美国于1 9 7 5 年制定的强制性汽车燃油效率政策) 的规 定，开展了新一代汽车合作伙伴活动( p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) ，以便大幅度降低车身重量。 在日本，汽车工业也产生了大的环境变化，如制定了2 0 1 0 年汽车燃耗费目标 ( 轿车的平均燃耗费要l 匕1 9 9 5 年降低2 3 ) ，而且从2 0 0 1 年起实施了汽车绿色环保 税制度，2 0 0 4 年实施的汽车报废回收利用法也立法通过等等。 在这种情况下，对车身的轻量化进行了很多实实在在的研究。减轻车重的方 上海大学硕士学位论文 法很多，其中之一就是更换材料的方法，即采用铝合金来有效地降低车身重量。 这也可成为地铁、列车、轻轨、高速列车等轻量化、现代化的有效途径。 显而易见，铝合金在车辆上的扩大应用已经成为不可阻挡的趋势。目前，汽 车上铝合金部件以铸件为主，但随着合金加工和新型合金的不断开发，变形铝合 金必将有更为广阔的应用空间。6 0 0 0 系( 砧m g - s i 系) 铝合金是一种适合于汽车应 用的轻量化材料，可用于汽车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等结 构。 1 2 各类汽车车身板铝合金的对比及其特点 用在汽车车身板的铝合金主要有砧c u m g 系( 2 0 0 0 系) 、a 1 - m g 系( 5 0 0 0 系) 和 a 1 - m g - s i 系( 6 0 0 0 系) 。 6 0 0 0 系a 1 m g s i 合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优良。与钢板相 比，6 0 0 0 系t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度相近，n 值超过钢板。此外，6 0 0 0 系铝合金是可热处理强化合金，在冲压成型后，经油漆烘烤，性能可进一步提高， 而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工。 2 0 0 0 系铝合金具有良好的锻造性，高的强度，焊接性能好等特点。其强化相 为c u a l 2 。由于2 0 0 0 系合金也是一种热处理强化合金，具有烘烤强化效应，但其 抗蚀性比其他工业铝合金差。 5 0 0 0 系铝合金中的m g 固溶于铝中，形成固溶强化效应，使该合金在强度、 成型性和抗腐蚀性等方面具有普碳钢板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的部 位。但低m g 合金铸造性能相当差，其共晶含量少，合金有明显的热脆性。5 0 0 0 系的固溶强化，使它还有两个明显的缺点：延迟屈服和斯德勒线。另外，当晶粒 尺寸 1 0 0 肛m 时，板材易出现桔皮效应。 因此，6 0 0 0 系铝合金具有成型性好、耐蚀性强、强度高、耐高温性能好等性 能，7 0 0 0 系合金虽然也具有较好的硬度和强度，但疲劳强度低于6 0 0 0 系合金；跟 6 0 0 0 系合金相比，2 0 0 0 系合金的抗腐蚀性能较差，5 0 0 0 系合金的斯德勒线及桔皮 效应不大令人满意，在喷漆退火后其屈服强度下降，而6 0 0 0 系的屈服强度上升。 并且，6 0 0 0 系铝合金还可通过添加少量、多种合金元素来细化晶粒，改变再结晶 状态，同时可改进铸造、轧制及热处理等工艺，以获得良好的综合性能。汽车上 2 上海大学硕士学位论文 常用的6 0 0 0 系铝合金及其化学成分组成见表1 1 【2 川。 表1 1 汽车用6 0 0 0 系铝合金的化学组成姗 1 3a i m g s i 系铝合金成分、组织和性能 1 3 1 合金元素对a i m g s i 系铝合金组织和性能的影响 1 3 1 1 镁和硅嘲 镁和硅同时加入铝中，形成a 1 m g - s i 系合金。强化相为m 9 2 s i 。其镁与硅 的质量比为1 7 3 ：1 。m 9 2 s i 在铝中的最大溶解度为1 8 5 ，且随温度的降低溶 解度减小，时效时形成g p 区和细小沉淀相对合金起强化作用。a 1 m g - s i 系合金 大致可分为三组： 第一组合金有平衡的镁、硅含量。镁和硅的总量不超过1 5 ，m g z s i 一般 在0 8 - - - ，1 2 之间。典型合金是6 0 6 3 。固溶处理温度高，淬火敏感性低，挤压 3 上海大学硕士学位论文 性能好，挤压后可直接风淬，抗蚀性高，阳极氧化处理效果好。 第二组合金的镁、硅总量较高，m 9 2 s i 为1 4 左右。镁、硅比亦为1 7 3 ：1 的平衡成分。该合金加入了适量的铜以提高强度，同时加入适量的铬，以抵消铜 对抗蚀性的不良影响。典型合金是6 0 6 1 ，其抗拉强度比6 0 6 3 约高7 0 m p a ，但淬 火敏感性高，不能实现风淬。 第三组合金的镁、硅总量是1 5 ，但有过剩的硅，其作用是细化m 9 2 s i 质 点，同时硅沉淀后亦有强化作用。但硅易于在晶界偏析，将引起合金脆化，降低 塑性。加入铬( 如6 1 5 1 ) 或锰( 如6 3 5 1 ) ，有助于减小过剩硅的不良作用。 1 3 1 2m g 元素 镁对铝的强化作用很明显。对于a i m g 合金，当镁由1 增加到6 时，强 度的提高明显，镁含量在4 5 以内，在任意加热后合金仍能保持其高的耐蚀性。 但镁含量超过5 时，如果热处理不当，将使材料的抗应力腐蚀能力降低。含5 7 m g 的合金，按照一定的热处理制度，可以得到均匀的多相组织，避免p 相 ( a 1 3 m 9 2 ) 的网状分布。当存在电解质时，这种组织仅发生极均匀而缓慢的腐蚀。 经过合理退火的材料，对低温加热不敏感，制品在使用过程中能保持高的耐蚀性。 但当镁含量增加时，裂纹形成的倾向性增加。 m g 具有一些与s i 类似的作用。合金的初始硬度与m 9 2 s i 溶质原子集团的 硬化作用有关。所以在含有较高硅含量的同时必须有足够多的镁。m g 与合金中 过量的s i 形成大量的溶质原子集团而使初始硬度提高【9 】。 过剩镁的存在能显著降低m 9 2 s i 在铝中的溶解度 1 0 】，造成强化相从基体中 析出，析出相很易长大粗化，致使在阳极氧化的碱洗过程中出现斑剧1 1 d 2 】；而且， 析出相m 9 2 s i 会导致合金在碱洗过程中发生剥落腐蚀，降低型材的腐蚀性能。 1 3 1 3s i 元素 当镁含量一定时，a 1 m g - s i 合金中的抗拉强度随硅含量的增加而升高。合 金中的m 9 2 s i 相愈少，过剩硅对合金的强度、淬火效果、自然时效效果提高的愈 大。当硅含量一定时，a 1 一m g - s i 合金的抗拉强度随镁含量的增加而提高，但其 4 上海大学硕士学位论文 增加程度要比镁一定时随硅含量增加的程度小。增加硅含量，能改善其铸造性能 和焊接性能。而a i m g - s i 合金的耐蚀性能则随m 9 2 s i 相和硅的增加而急剧降低。 当有杂质铁存在时，部分硅可能与铁形成汉字状的f e s i a l 型三元相，从而阻止 了能使合金塑性急剧降低的粗大f e m n a l 6 相初晶的形成。 随着s i 含量的增加，合金的晶粒变细，金属流动性增大，铸造性能变好， 热处理强化效果增加，型材的抗拉强度提高。由于过剩硅提高铝固溶体的过饱和 度，也增加了时效期间g p 区的密度，因而提高了时效硬化效应。但过剩的硅易 沿晶界偏析，降低塑性，引起晶界脆化，耐蚀性变坏【1 3 1 。 研究表明1 9 1 ，增大s i 含量能提高s i 析出物及p 相的析出密度导致更高水平 的强化，而对促进人工时效动力学作用不大，在工业生产中，主要是通过影响合 金时效的初始硬度进而提高合金的烤漆硬化性。 在阳极氧化时，m 9 2 s i 的溶解速度比铝固溶体的快【1 4 1 ，对氧化膜色调无影 响，但游离的过剩硅则被包裹在氧化膜内，由于过剩量和分布状态的不同，氧化 膜呈灰铸铁色或几近黑暗色。 1 3 1 4m n 元素 m n 对材料的性能有强化作用，它对铝及铝合金的再结晶过程有很大影响。 第一，它能阻止铝及其合金的再结晶过程，提高再结晶温度；第二，在再结晶终 了阶段，m n 能显著细化再结晶晶粒。而且，锰形成的弥散强化相对硬度和强度 的提高也有贡献 1 5 1 。 锰固溶于铝中，可提高再结晶温度2 0 - - 1 0 0 k ，铝越纯，锰含量越高，作用 愈明显。对再结晶晶粒细化主要是通过a 1 6 m n 弥散质点对再结晶晶粒长大起阻 碍作用。a 1 6 m n 是与舢一m n 固溶体相平衡的相，它除了能提高合金的强度，细 化再结晶晶粒外，另一重要作用是能溶解杂质铁，形成a 1 6 ( f e 、m n ) ，减小铁的 有害影响。同时a 1 6 m n 的电极电位愈铝的电极电位相等( 0 8 5 ，所以对铝的抗 蚀性能没有影响。另外，锰会明显的增加铝的电阻，所以用作导电材料时应控制 锰的含量。合金中锰含量过多时，会形成粗大、硬脆的a 1 6 m n 化合物，将损害 合金的性能【8 】。 在液一固相变时，a 1 和m n 形成粗大的a i f e m n s i 相( 0 【相) 颗粒，这种粗大 5 上海大学硕士学位论文 相在热轧过程中会破碎，在破碎的粗大相的周围将形成一高应力区，促进了新晶 粒的形核和成长；在固固相变时，a 1 和m n 会形成细小弥散的a 1 2 m n 3 s i ( 仅相) 颗粒相，尺寸在0 1 一o 3 l t m 左右，这种弥散的颗粒相对合金再结晶中的晶界迁 移有阻碍作用。合金中m n 含量增加时，a 1 2 m n 3 s i 弥散相的体积上升，增大了颗 粒相对再结晶时界面迁移的阻碍作用；合金中f e 含量降低时，a i f e m n s i 粗大相 的体积下降，减小了粗大相在再结晶过程中引发新晶粒形核的可能性【1 6 】。 1 3 2 组织形态 1 3 2 1 合金时效析出过程 一般认为平衡的a i m g - s i 合金的人工时效机理的过程为：g 卜针状 m 醇s i 非平衡相棒状m 9 2 s i 非平衡相片状m 9 2 s i 平衡相。d u t t a 和a l l e n 的研究表明 1 7 1 ，a 1 m g - s i 合金的时效析出过程是：s i 原子簇埘i 区 刈p i i 区p 叫7 d m 9 2 s i 。但是，在时效初期还有原子团聚过程、 1 3 及g p 区的结构和所形成中间析出相的结构都还不清楚。有证据表明除了以 上列出的相还有其他的沉淀析出【1 8 - 1 9 1 。随后，e d w a r d 研列2 0 】表明，a 1 m g s i 合 金析出过程为：铝基固溶体一s i 原子簇和m g 原子簇m s i 共同原子簇 微小析出颗粒叫- b7 和p p m 9 2 s i 。并且在m g s i 、微小析 出颗粒、b 和d 川中，m g ：s i 原子比都接近1 。所形成的g p i 区为无独立晶 格结构的球状物，b 为有序结构，d 为半共格的平衡的p 相，失去共格性。 其中d 相是最主要的强化相，它是沿 a 1 方向的细针状析出物，具有单斜 晶格【2 l 】，第一次由x 射线分析发现【2 2 之4 1 。一般p 7 7 相的体积分数随着合金化学 成分和时效条件而改变。对于合适的成分和时效条件，合金中可以只析出1 3 川 相 2 5 1 。p7 是沿着 a l 方向析出的杆状物，具有六边形结构【2 6 1 。平衡相p 相 是在( 1 0 0 灿上形成的片状物，为面心立方结构【2 6 1 。它对a 1 m g s i 合金的强度 几乎没有什么贡献【2 7 】。b 是与p7 相同时观察到的中间相，它是沿着 a i 方向析出的板条状物质，具有六边形结构或者体心立方结构 1 8 】。“c ”型析出物也 通过h r t e m 观察到【1 9 】。m 9 2 s i 在合金中能随着温度的变化而溶解或析出，并以 不同的形态存在于合金中： 6 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 弥散相p 是由过饱和固溶体中析出的m 9 2 s i 相弥散质点，是一种不 稳定相，会随温度的升高而长大。 ( 2 ) 过渡相p 是由p 长大而成的中间亚稳定相，也会随温度的升高而 长大。 ( 3 ) 沉淀相p 是由d 相长大而成的稳定相，多聚集于晶界和枝晶界。 能起强化作用的m 9 2 s i 相是当其处于p 弥散相状态的时侯，将p 相变成 d 相的过程就是强化过程，反之则是软化过程。 1 3 2 2 合金中的强化相及其对合金组织和性能的影响 a 1 m g s i 系铝合金以其优良的综合性能而成为国内外的研究焦点。其优势即 在于时效硬化。合金的时效硬化特性决定于沉淀相。因而，可根据沉淀相把工业 合金分为四组：( 1 ) c u a l 2 ；( 2 ) c u m g a l 2 ；( 3 ) m 9 2 s i ：( 4 ) c u 2 m 9 6 s i 6 a 1 6 。实际上， 大多数合金的组织组成物都多于一个，它们可含有上述的两个或三个强化相。 ( 1 ) 属于第一组合金的，是铜含量等于或高于固溶极限( 4 - - 一5 c u ) ，而镁及 硅的量又少或其比例正好形成m 9 2 s i 的合金； ( 2 ) 第二组合金包括m g ：c u 值至少为0 4 ，而硅含量通常较低( 1 0 5 q ) 和中阻值( 1 1 0 5 q ) ，准确度要求不高时，常用兆 欧表、万能表等仪器测量。测量准确度要求较高的小电阻( 电阻值 1 q ) 或用电阻 法研究和分析金属的组织结构变化时，就须采用精密的电桥法或电位差计法进行 测量。电桥法分为单电桥法和双电桥法两种。在研究金属与合金的电阻随组织结 上海大学硕士学位论文 构变化时，常用双电桥法。 对合金时效过程的研究最早是用电阻法和硬度法进行的。后来通过x 射线 衍射分析和电镜观察分析，对时效过程的机理有了进一步的认识。在此基础上， 用电阻法研究时效过程，更是一种方便而有效的方法。合金时效的基本过程是固 溶体内溶质原子的偏聚，形成过渡相和析出稳定相。 图1 2 【3 3 1 是含4 5 c u 的a 1 c u 合金在2 0 * ( 2 和2 2 5 c 时效时，电阻随时效时 间的变化规律。在2 0 c 自然时效时，由于温度低，铜原子只能达到一定程度的 偏聚，故电阻略有升高并趋于不变值。在2 2 5 c 时效时，则因温度相当高，时效 过程伴随着秒相的立即析出，并向口相转变，同时秒相很快地聚集长大，故电阻 一开始即急剧下降。图中还对应给出了点阵常数和密度的变化。 g 5 o u c ： 鼍 ，4 莲 ，8 毫 c 裁 格 迸 皤 g 鼍 鹤 窗 2 0 o 一 1 s _ l l 一 ，l 1 2 互 5 “1 一t 时效时阃h 图1 - 2 含4 5 c u 的铝合金时效时电阻、密度及点阵常数的变化【3 3 】 1 2 上海大学硕士学位论文 1 5 金属的导电理论 金属电子理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理论、量子电子理论和 能带理论。 1 5 1 经典电子理论 在金属晶体中，原子失去价电子而成为正离子，正离子构成了晶体点阵，价 电子则成为公有化的自由电子，它们弥散分布于整个点阵中，犹如气体分子充满 整个容器那样，故称为“电子气”。经典电子论认为：正离子所形成的电场是均匀 的；自由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律；自由电子与正离子 之间的相互作用仅仅是类似于机械碰撞而已。在没有外电场作用时，金属中的自 由电子沿各方向运动几率相同，故不产生电流。当给金属施加电场后，自由电子 获得附加速度，沿外电场方向发生定向的迁移，在运动过程中自由电子不断与正 离子发生碰撞，造成定向运动的破坏，从而产生电阻和电流热效应。根据经典的 电子理论，可以导出电阻率的基本公式【3 3 】： 2 m ， p 2 t i e 2 。一l 式中，p 为金属电阻率，n 为金属中自由电子( 价电子) 数密度，l 为自由 电子平均自由程，e 、m 、v 分别是自由电子的电量、质量和平均运动速度。经典 的电阻率公式表明，单位体积金属中的自由电子数目愈多，电子运动的自由程愈 大，则该金属的电阻率愈小。 1 5 2 量子电子理论和能带理论 经典电子理论在一定程度上较好地阐述了金属导电的本质，可以很好