（材料学专业论文）er微合金化的al45mg07mn01zr合金的性能与组织研究.pdf

摘要 摘要 通过预研发现微量元素e r 在高纯铝、a 1 m g 、a 1 l i 以及舢z n m g 合金中的 积极作用，在此基础上，围绕e r 的微合金化作用，以工业化的5 0 8 3 原型合金 朋- 4 5 m g 0 7 m n 0 1 z r 作为研究对象，测定了含e r 的实验合金的硬度、常温拉 伸性能、高温瞬时拉伸性能和高温持久性能，以及合金的工艺性能。借助金相显 微观察、x 射线衍射物相分析、扫描电镜与能谱分析、透射电镜微观组织分析以 及差热扫描量热法等技术手段，研究了不同含e r 量的实验合金在铸态、均匀化 态、热轧及冷轧态等状态下的组织。分析了e r 对实验合金组织和性能的影响， 对晶粒尺寸和枝晶间距的影响，对再结晶过程和组织的影响，含e r 实验合金的 焊接以及变形等工艺性能，e r 在实验合金中的存在形式以及作用机理，e r 与实 验合金中其它合金元素之间的交互作用，强化析出相的结构与生长过程等。 结果表明：微量的e r 可以提高实验合金的硬度和强度等常温力学性能，同 时还可以改善高温瞬时拉伸以及高温持久拉伸力学性能。实验条件下e r 的合适 添加量为0 2 0 4 ( 重量百分比，下同) ，在0 2 以下，实验合金铸态凝固 时主要形成过饱和固溶体，在0 2 - - 0 4 之间除了形成过饱和固溶体以外，晶 界上出现不连续的一次或离异共晶3 e r 化合物，超过o 4 以后晶界析出物倾 向于连成网状，将使合金的强度和塑性均有所下降。e r 对合金的强化方式有固 溶强化、细晶强化、第二相强化以及亚结构强化，其中由于e r 在合金中平衡固 溶度很小，以及在实验成分范围内e r 对实验合金晶粒细化作用有限，所以前两 种强化方式不是主要强化方式。 合金的第二相强化以及亚结构强化来源于过饱和固溶体分解形成的a 1 6 m n 、 3 e r 、灿3 ( z r e r ) 复合相以及少量的3 z r 相，其中3 e r 、a 1 3 z r 相以及砧3 ( z r e r ) 复合相与基体a a 1 之间存在共格关系，界面能小，形成的粒子稳定性 好，可以强烈钉扎位错和亚结构，阻碍位错运动和亚晶界迁移，是合金中的重要 强化相。a 1 6 m n 弥散析出可以起到一定的强化作用，但是高温下a 1 6 m n 容易聚 集粗化长大而失去强化作用。 e r 在0 4 以下对晶粒和枝晶有所细化，但不明显，在0 8 及以上范围可以 明显细化铸态晶粒和枝晶间距。这主要是由于随着e r 含量的增加，合金凝固时 从液相中直接析出的一次a 1 3 e r 相数量增加，它们可以作为a a 1 结晶的核心而 起到异质形核的作用，另一方面晶界处偏聚富集的e r 形成网状的化合物可起到 北京t 业大学t 学博 j 学位论文 阻碍晶粒长大的作用，从而有效细化晶粒。 e r 对合金高温力学性能的改善和再结晶终了温度的提高同样来自于沉淀析 出相a 1 3 e r 相及a 1 3 ( z r e r ) 复合相与基体的共格强化以及这些相的高温稳定性， 在合金的高温力学性能中e r 、m n 主要是提高合金的强度，但是会降低合金的塑 性，为达到强塑性的良好结合，必须添加一定量的z r ，微量的z r 形成砧3 z r 在 合金的凝固过程中起到异质形核的作用，有利于细化晶粒，改善合金塑性。此外 z r 取代砧3 e r 中的部分e r 原子形成a 1 3 ( z r e r ) 复合相，该相与a 1 3 e r 相比，与 基体有更好的界面匹配性，而且z r 的添加可以形成更多的沉淀相，对合金的力 学性能有更好的影响。 含e r 的实验合金板材各向异性不显著，有利于板材的加工；e r 同样可以改 善板材焊缝组织和提高焊接强度；随着变形量的增加，板材强度显著提高，塑性 有所下降，变形量在4 0 - 7 0 之间性能变化较为平缓，超过7 0 以后强度迅 速增加而塑性明显下降。冷轧板材经过1 2 5 l h 稳定化处理达到组织稳定和强 塑性良好结合。 实验合金中e r 只与a l 之间有较为强烈的交互作用，e r 与m g 和m n 并没有 形成化合物，与z r 之间形成一定量的朋3 ( z r e r ) 复合相。但是e r 影响m g 、 m n 和z r 与舢之间的交互作用强度，增大m g 、z r 在a i 基体中的固溶度，降 低m n 在a a l 中的固溶度，增加m n 与a 1 之间的交互作用强度，使合金凝固时 析出更多的a 1 6 m n 。 沉淀析出相a 1 3 e r 及a 1 3 ( z r e r ) 相形态均为球形，当它们尺寸小于5 0 n m 的 时候与基体之间完全共格，在5 0 - - 1 0 0 n m 保持半共格关系，更大的粒子将失去 作为第二相的共格强化作用。晶界处分布的灿3 e r 为一次析出物和离异共晶产物， 它们呈现不规则骨块状和球状，不规则状的a 1 3 e r 粒子在均匀化退火过程中在晶 界上薄弱处会发生球化。 综合以上实验结果得出结论，e r 对5 0 8 3 原型合金妯- 4 5 m g - 0 7 m n 0 1 z r 的 组织和性能均会产生有益的影响，但是e r 的作用的充分发挥需要m g 、m n 和z r 等合金元素以及工艺条件的配合。 关键词：a 1 m g 合金； 微合金化元素e r ；力学性能；高温拉伸；a 1 3 e r a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o a l l o y e de l e m e n te rw a sp r o v e dt oh a v ep o s i t i v ee f f e c t so ns t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e so f h i g hp u r ea i ，砧- m g ，灿一l ia n d - z n - m ga l l o y sb yp r e r e s e a r c hw o r k t h e r e f o r e ，t h ei n d u s t r i a l i z e d5 0 8 3p r o t o t y p ea l l o y 灿- 4 5 m g 一0 7 m n 一0 1z rw a sa c t e d 嬲t h er e s e a r c ho b j e c tb yt h em i c r oa l l o y i n ge f f e c t so fe ri nt h i sp a p e r h a r d n e s sa n d t e n s i l ep r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n d15 0 。ca l o n gw i t ht h ep r o c e s st e c h n o l o g y w e r ei n v e s t i g a t e d b ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r o ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，t h e r n i c r o s t r u c t u r e so fa 1 - 4 5 m g 一0 7 m n 一0 1z ra l l o yu n d e rd i f f e r e n t s t a t e s ( a s c a s t , h o m o g e n i z e d , h o t - r o l l e d ，c o l d - r o l l e d ，a n n e a l e d ，q u e n c h e d ，a g e d ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fe ro ns t r u c t u r ea n dt e n s i l ep r o p e r t i e s ，g r a i ns i z ea n dd e n d r i t es p a c e , r e c r y s t a l l i n gw e r ea n a l y z e d m o r e o v e r , t h ee x i s t i n gf o r m so fe rc o m b i n e dw i t ht h e i n t e r a c t i o no fe r 、) l ，i lt h eo t h e ra l l o y i n ge l e m e n t s ，a n dt h ec o a r s e n i n go fa 1 3 e rw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w nt h a tt r a c ee l e m e n te rc a ni m p r o v et h eh a r d n e s sa n dt e n s i l e p r o p e r t i e so fe x p e r i m e n t a la l l o y si nr o o mt e m p e r a t u r ea l o n g 、历mt h ei n s t a n t a n e o u s a n dl a s t i n gt e n s i l ep r o p e r t i e su n d e rl5 0 t h ea p p r o p r i a t ea m o u n to fe ri so 2 0 4 m ，t h es a m e 勰t h en e x tc o n t e n t s ) i ne x p e r i m e n t a la l l o y e rc a nf o r m m e t a s t a b l es u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o nu n d e ro 2 ，a n d0 2 o 4 e rc a np a r t l y f o r ms u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o na n dl i t t l ep r i m a r ya 1 3 e ra n dd i v o r c e de u t e c t i c c o m p o s i t e s ，a b o v e0 4 e rw i l ld i s t r i b u t ea l o n gg r a i nb o t m d a r y sa n df o r mn e tl i k e s t r u c t u r e ，w h i c hw i l ld e c r e a s et h es t r e n g t ha n dd u c t i l e t h e r ea r ef o u rs t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m si n e x p e r i m e n t a la l l o y s ：s o l i d s o l u t i o n s t r e n g t h e n i n g ，f i n eg r a i n s t r e n g t h e n i n g ，t h e s e c o n d p h a s ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g a n ds u b s t r u c t u r e s t r e n g t h e n i n g o fa l lf o u rs t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m s ，t h el a t t e rt w op l a yam o r e i m p o r t a n tr o l eo fa l lf o u rs t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m s t h es e c o n dp h a s ep r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n gc o m e sf r o mt h ed e c o m p o u n d i n go f s u p e r s a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o nt of o r ma i 【3 e r ，a 1 6 m np a r t i c l e sa n daf e wo fa 1 3 z ra n d a 1 3 ( z r e r ) c o m p o u n dp h a s e a 1 3 e r ，a 1 3 z ra n da 1 3 ( z r e r ) p a r t i c l e sh a v et h ec o h e r e n t c o r r e l a t i o n ，t h el i t t l ei n t e r f a c ee n e r g yw i t h1 1 - a 1m a t r i xa n dh i g hs t e a d yp r o p e r t i e s t h ed i s l o c a t i o na n ds u b s t r u c t u r ew e r ep i n n e db yt h o s ep a r t i c l e s ，s ot h em o v e m e n ta n d i l l 北京丁业人学t 学博十学位论文 t r a n s f e ro ft h e mw e r eh i n d e r e d t h e ya r et h ei m p o r t a n ts t r e n g t h e n i n gp h a s ei n e x p e r i m e n t a la l l o y s a 1 6 m np a r t i c l e sh a v ea l le f f e c to fs t r e n g t h e n i n gw h e nt h e ya r e d i s p e r s e dp r e c i p i t a t i o n , b u tt h e yw i l lg r o wu pa n dl o s tt h ee f f e c to fs t r e n g t h e n i n ga t 1 l i g ht e m p e r a t u r e e ra d d i t i o nc a l lr e f i n eg r a i ns i z ea n dr e d u c ed e n d r i t ea r ms p a c eu n d e ro 4 s l i g h t l y , w h i l eo 8 e ra d d i t i o nw i l lg r e a t l yr e f i n et h eg r a i ns i z ea n dd e n d r i t ea l t n s p a c e w i t ht h ei n c r e a s i n go f e ra d d i t i o n ，t h ea m o u n to fp r i m a r ya 1 3 e rw h i c hs e p a r a t e o u tf r o mm e l td i r e c t l yw i l li n c r e a s eg r a d u a l l y , a n dt h ef i n ep r i m a r ya 1 3 e rc a na c ta s t h eh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t e sc o r eo fa a 1t op r e v e n td e n d r i t ea l t na n dg r a i nf r o m g r o w i n g o t h e r w i d e , a 1 3 e rw h i c hd i s t r i b u t e di nt h eb o u n d a r yw i l lh i n d e rt h eg r a i n g r o w i n g ，s ot h eg r a i ns i z ea n dd e n d r i t ea r ms p a c ew e r er e f i n e d a l s ot h ee f f e c t so ft r a c ee ro nh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dr e c r y s t a l l i z i n g t e m p e r a t u r ec o m ef r o mt h ep r e c i p i t a t i o no fa 1 3 e rp a r t i c l e sc o h e r e n ts t r e n g t h e n i n ga n d p r e t t ys t a b i l i z a t i o ni nh i g ht e m p e r a t u r e e ra n dm na c t t h er o l eo fi m p r o v i n g s t r e n g t h e n , b u tt h ed u c t i l i t yd e c r e a s e sg r e a t l y f o rt h ep u r p o s eo fb a l a n c eb e t w e e n s t r e n g t h e na n dd u c t i l i t y , t r a c ez rm u s tb ea d d e di n t ot h ee x p e r i m e n t a la l l o y s a d d i t i o n o ft r a c ee l e m e n tz rc a nf o r ma 1 3 z rt oa c ta st h ec o r eo fa 1g r a i ns o l i d i f i c a t i o na n d i n c r e a s et h ed u c t i l i t y a l s oz rp a r t l yr e p l a c ee ri na 1 3 e rt of o r ma 1 3 ( z r e r ) c o m p o u n d p h a s e ，w h i c hh a v eb e r e ri n t e r f a c em a t c h i n gw i t hc t - a l ，i tw a sb e n i f i tt ot h es t r e n g t ho f e x p e r i m e n t a la l l o y s t h e r ei sn oo b v i o u sa n i s o t r o p yi ne x p e r i m e n t a la l l o yp l a t e sw i t he r , w h i c hi s b e n e f i tf o rp r o c e s s i n g a l s oe ra d d i t i o nc a ni m p r o v et h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f w e l d i n gj o i n t ，d e c r e a s et h et e n d e n c yf o rf o r m i n gc r a c ki ne x p e r i m e n t a la l l o y s w i t h t h ei n c r e a s eo fd e f o r m i n gd e g r e e ，t h es t r e n g t hi n c r e a s e da n dd u c t i l ed e c r e a s eo i lt h e e x p e r i m e n t a la l l o yp l a t e b u tw h e nd e f o r m i n gb e t w e e n4 0 7 0 ，t h ep r o p e r t i e s v a r i t ys l o w l ya n da b o v e7 0 s t r e n g t h e ni n c r e a s eg r e a t l y f o rag o o db a l a n c e b e t w e e n s t r e n g t h e na n dd u c t i l e ，t h ec o l dr o l l e dp l a t es h o u l db et r e a t e db ys t a b i l i z a t i o n a n n e a l i n ga tt h ec o n d i t i o n so f1 2 5 。c l h e rh a sag r e a t l ym u t u a le f f e c tw i t ha li ne x p e r i m e n t a la l l o y e rc a nn o tf o r m c o m p o u n dw i t hm g ，m na n dz r , b u te rh a st h ee f f e c to nm u t u a li n t e n s i t yo fm g ，m n a n dz rw i t ha 1m a t r i x e ri n c r e a s et h es u p e r s a t u r a t e dd e g r e eo fm ga n dz ri na 1 m a t r i x ，b u td e c r e a s et h es o l i ds o l u b i l i t yo fm n ，s om o r ea 1 6 m nc o m p o u n d ss e p a r a t e o u ti nt h ec o u r s eo fs o l i d i f i c a t i o n t h i sw i l lh a v eb l i g h tt oa 1 6 m np r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n gi ne x p e r i m e n t a la l l o y s t h ea 1 3 e ra n da l s ( z r e op h a s ew h i c hs e p a r a t e so u tf r o mm e l ta n ds u p e r s a t u r a t e d s o l i ds o l u t i o nh a sas p h e r e l i k es h a p e ，a l s e ra n da l s ( z r e r ) p h a s e sw e r ec o h e r e n t i v a b s t r a c t c o m p l e t e l yw i t ha 1m a t r i xw h e nt h ed i a m e t e rw a sb e l o w5 0 n ma n db es e m i - c o h e r e n t w h e nt h ed i a m e t e rw a s5 0 n m 一10 0 n m t h ec o h e r e n c yw o u l dl o s tw h e nt h es i z eo f a 1 3 e rp a r t i c l e sw a sa b o v e10 0 n m a 1 3 e rp a r t i c l e sw h i c hd i s t r i b u t e di nt h eb o u n d a r y w e r ea r o s eo rl i k eas p h e r e t h e yw e r ep r i m a r ya 1 3 e ra n dd i v o r c e de u t e c t i c c o m p o s i t e s ，a n dc o u l db ep a r t l ys p h e r o i d i z e di nw e a k n e s sb o u n d a r yb ya n n e a l i n ga t 4 7 0 2 0 h o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，t h ea d d i t i o no ft r a c ee l e m e n te rc a l ln o to n l y a f f e c tt h em i e r o s t r u c t u r eo f p r o t o t y p ea l l o y 触- 4 5 m g 一0 7 m n o 1z r5 0 8 3 ，b u ta l s ot h e p r o p e r t i e sw i l lb ei m p r o v e d b u tt h ef u l l ye x e r t i o no fe ro na l l o ym u s tb ec o m b i n et h e o t h e ra l l o ye l e m e n t sm g , m na n dz r 、析n 1p r o c e s sc o n t r 0 1 k e y w o r d ：a 1 一m ga l l o y , m i c r o a l l o y e de l e m e n te r , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h , a 1 3 e r v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 0 8 ，z 12 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 陋导师签名： 日期：趁2 丞! 兰：型 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 铝及铝合金作为仅次于钢铁的一类量大面广的传统金属材料，广泛应用于航 空航天、交通运输、建材、电子信息、机械、包装等行业，在国民经济和国防建 设中具有十分重要甚至不可替代的作用。各国政府都将铝材示为战略必争物资而 对其发展予以规划、引导和支持。如2 0 世纪末美国能源部的铝工业技术指南 ( a l u m i n u mi n d u s t r yt e c h n o l o g yr o a d m a p ) ，提出了一系列降低铝生产成本，提 高传统铝合金性能的基础研究课剧。同年日本启动的超级铝计划其目标是通过 晶粒超微细化技术将现有大多数铝合金的强度、韧性和耐蚀性提高0 5 倍i 2 j 。 我国是铝工业大国，2 0 0 4 年氧化铝产量达到6 3 x10 6 t ，居世界第二，电解铝 需求达到6 1 1 0 6 t ，居世界第一，铝材需求量达到6 2 x 1 0 6 t ，居世界前列。但是 我国还不是一个铝工业强国，据2 0 0 1 年的统计我国人均铝消费量为1 5 培，为 美国的5 8 ，日本的7 5 ，为世界人均消费量的一半。美国常用铝合金牌号有 2 5 8 种，我国仅有1 4 3 种，而且基本是仿制，自己独立开发的很少。铝合金的热 处理状态美国有3 0 0 多个，而我国仅有7 0 多个，也基本是仿制，高质量的铝材 还需要大量进口，2 0 0 1 年我国进口铝材达到4 3 5 1 0 4 t ，相当于当年铝产量 ( 2 1 7 9 x 1 0 6 t ) 的2 0 【3 】。因此，加快我国铝工业的发展步伐，开创具有我国自 主知识产权的铝产业具有十分重要的现实意义。1 9 9 9 年我国启动了“提高铝材 质量的基础研究 国家重点基础研究发展项目，旨在推动我国铝工业的发展，全 面提高我国铝材质量和性能【4 j 。 目前国内外铝合金研究的重点主要集中在以下几个方面【3 】：( 1 ) 超高强高韧 耐蚀铝合金。为满足航天、航空和车辆减重高载的需要，该类铝合金发展很快， 以美国的7 0 5 0 和7 0 5 5 为代表，强度超过6 5 0 m p a ，且以厚板和大型板材为主要 产品。该类铝合金集中了铝合金的主要科学问题，代表了铝合金的最高水平。 ( 2 ) 车( 船) 用铝合金。以铝代钢是车辆和船舶减重发展的方向，因此车( 船) 用铝合金是铝合金发展的热点。轿车、客车、地铁和中小型船舶将大量使用铝 合金。目前国内外这一领域的研究主要集中在现有铝合金( 5 0 0 0 、6 0 0 0 ) 的改 性和新型合金的开发。( 3 ) 再生铝合金。发达国家废铝回收率的比例已经达到 原铝产量的8 0 以上，如日本的铝罐体8 0 回收后重新加工成罐料带材，2 0 0 3 年我国的废铝回收量仅占原铝产量的3 5 左右。废铝回收的意义在于净化环境， 北京t 业大学t 学博i j 学位论文 降低成本。国外在这方面的研究主要集中在回收的废铝的纯化和净化、附着物 的去除、合金的提纯等方面。( 4 ) 铝合金薄板。该类铝合金以罐用铝合金和印 刷板( p s ) 为代表，美国的罐用铝合金已经从3 0 0 3 、3 0 0 4 、3 1 0 4 发展到3 2 0 4 ， 制耳率已小于1 ，而我国的制耳率不能稳定达到2 。日本的p s 板的印刷速 度可超过3 0 m m i n ，而我国只能控制在1 0m m i n 。国外研究的重点主要集中 在织构的形成和控制，合金的变形与再结晶等。( 5 ) 铝合金薄材。( 6 ) 大规格 铝材制备的高均质、底残余应力加工成型技术。( 7 ) 其它铝合金。 当前，铝合金正朝向高比强、高比模、高损伤容限和耐热，耐蚀方向发展， 而微合金化一直是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重 要手段，成为研究的重点和热点，引起了世界各国的广泛关注。近年来尽管在 此方面己进行了大量的探索，并取得了重要进展，但微量元素在铝合金的存在 形式及作用机理上仍存在较大争议和分歧。继续开展此方面的研究，不断积累 有关资料和数据，并从理论上加以总结和深化，对于改善现有合金的组织和性 能，以及设计新合金都有很重要的意义。 本论文在充分分析国际上铝合金微合金化方面现有研究成果和以往研究工 作的片面性以及不足之处的基础上，运用透射电子显微电镜、高分辨电镜、扫描 透射电镜等先进的微观分析手段，进一步系统研究了重稀土元素e r 微合金化铝 合金的性能和微观组织演变，并对合金中的主要微量添加元素在铝合金中的存在 形式和作用机理进行了探讨。 论文的课题背景是针对飞机下机身板、高速列车车体结构件以及舰船甲板等 特殊结构用材，要求具有较高强度、良好的成形性能、耐晶间腐蚀和应力腐蚀、 焊接性能优异、并耐疲劳损伤等。通常选用2 x x x 和7 x x x 铝合金材料，2 x x x 铝合金以c u 为主要合金化元素【5 】，并含有少量的m g ，合金中的主要强化相是秒 相a 1 2 c u ，可以通过固溶处理后自然时效( t 4 ) 或人工时效获得( t 6 ) ，在c u 含量为“的时候合金具有最高的强度。7 x x x 铝合金以z n 为主要合金化元 素，同时添加m g 、c u 和少量的其他元素，该系合金中的主要强化相为瑁相m g z n 2 和丁相a 1 2 m 9 3 z n 3 ，通过热处理达到很高的强度。但是如果这两个系合金中合金 元素较多或热处理不当，砧2 c u 、m g z n 2 相容易沿晶界析出，此时，a 1 2 c u 与周 围贫c u 区、m g z n 2 与舢基体之间形成原电池，在腐蚀介质中贫c u 区和m g z n 2 相发生溶解，所以这两类合金有晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性，为了改善其耐蚀性 能，需要包覆其它耐蚀铝合金制成复合材料。此外，合金中的强化相在加热的时 候容易粗化长大，使强化效果降低，因此使用温度一般不超过1 0 0 c ，此类合金 焊接过程中容易产生焊接热裂纹，大型构件仍以机械连接为主。在替代材料中， 2 第1 章绪论 皇量量置罾 ii | - - - zee i = 曼皇曼詈曼曼曼曼曼曼皇曼皇量量置量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼昌曼曼曼曼量量曼曩量量量量置量曼 首选5 x x x 合金。因为5 x x x 合金以m g 为主合金化元素，m g 主要以固溶体及 少量的a 1 3 m 9 2 的形式存在，在m g 含量低于5 的时候没有发现晶间腐蚀和应力 腐蚀倾向性，其耐蚀性能和焊接性能非常优异，热处理不可强化，通过变形后在 不同温度退火可实现不同级别的性能要求，缺点是强度级别仍低于2 x x x 和 7 x x x 合金。本文选择5 0 8 3 合金的原型合金灿- 4 5 m g - 0 7 m n 0 1 z r 合金作为研 究对象基于以下几点考虑：首先是课题组前期研究的基础之上已经确定e r 在 a 1 m g 合金中有非常积极的作用：其次m g 含量的选择是保证m g 对铝合金的强 化效果的基础上不明显出现沿晶界分布的a 1 3 m 9 2 相，因为该相的出现会降低合 金的耐腐蚀性能和焊接性能；最后5 0 8 3 是应用非常广泛的铝合金材料，具有中 等强度，对该合金的改性研究可以为铝合金材料的广泛应用打下基础。主要研究 目标是通过微量合金化在保持5 0 8 3 合金原有性能的基础上，改善其室温及高温 力学性能，并测定其余性能指标，分析合金化原理，合金元素的分布、相互间的 交互作用以及物相组成等。 1 2 铝合金中的主要微合金化元素及其作用 国内外对于铝合金中的微合金化元素的研究主要集中在第三副族( 包括s c 、 y ) 、第四副族( 包括t i 、z r 、h f ) 、第五副族( 包括v 、n b 、t a ) 以及镧系稀土 元素。它们共同的特点是：( 1 ) 能形成合适的强化相。( 2 ) 常温下在铝中具有较 低的固溶度。( 3 ) 在铝中的扩散速率较低。下面就几种主要的微合金化元素以及 它们的作用做一简单介绍。 1 2 1s c 和y 钪( s c ) 是元素周期表中第四周期第1 _ i i b 族的过渡元素，钪在铝中的扩散速 率为1 9 8 1 0 。1 7 时s 一，可与铝形成稳定的l 1 2 型a 1 3 s c 相，该相与基体之间的错 配度仅1 3 2 ，且有很好的抵抗粗化和长大的能力1 6 j 。2 0 世纪7 0 年代以后，俄 罗斯科学院巴依科夫冶金研究院和全俄轻合金研究院相继对钪在铝合金中的存 在形式和作用机制进行系统研究，开发了含钪系列铝合金【5 】。与不含钪的同类合 金相比，铝钪合金的强度高、塑韧性好、耐蚀性能和焊接性能优异。 俄罗斯开发的含钪铝合金主要应用在a i m g 、a 1 - z n - m g 、a 1 一z n m g c u 、 a 1 m g l i 和a 1 c u l i 合金当中，尤其是在热处理不可强化的a 1 m g 合金中添加 微量的s c 可以显著提高铝合金半成品热轧和退火态的强度，尤其是屈服强度值。 如在a 1 5 m g 合金中加入o 1 8 的s c 使合金铸态晶粒度下降6 0 7 0 ；在 a 1 6 5 m g 合金中加入0 4 的s c ，热挤压状态下，相对于无s c 的l f 6 合金，其 抗拉强度约提高o 5 倍，屈服强度提高近一倍，而延伸率仍然保持较高的水平 3 北京t q k 大学t 学博i j 学位论文 t q i 】：在a 1 z n m g 和a 1 z n m g - c u 合金中加入s c 可以改善合金的抗应力腐蚀性 能和焊接接头的强度系数，并使合金具有超塑性1 1 2 】；在a 1 一m g l i 合金中，s c 降 低固溶体在p 相和丫相的稳定性，并使固溶体在2 9 0 时s ( a 1 2 m g l i ) 相区内的 稳定性增加，从而提高了a 1 m g l i 合金的淬透性【l3 1 。s c 能显著提高铝合金的再 结晶温度和热稳定性【1 4 。17 】。分析认为s c 对铝合金的强化原因一是含钪的过饱和 固溶体在加热和热变形过程中析出的共格弥散分布的舢3 s c ，提高了应力加工后 形成的未再结晶组织的稳定性，二是弥散相质点a 1 3 s c 的直接强化作用f 7 1 8 。2 1 】。 单独添加s c 时，对于细化合金铸态晶粒需要过共晶成分合金析出一次舢3 s c 作为异质形核的核心，而且沉淀析出的a 1 3 s c 的尺寸大小不均田j 。但是复合添加 s c 和z r 以后，可以使亚共晶成分的合金铸态晶粒就会被明显细化，并且第二相 沉淀更加细小弥散，这主要是由于一方面z r 本身可以在液相中形成a 1 3 z r 而起 到异质形核的作用，另一方面a 1 3 s c 附着在a 1 3 z r 上形核，形成a 1 3 ( s c l 哇z 取) 复合相，该相不但与基体之间保持更好的共格性，而且比3 s c 更加弥散，且具 有更高的热稳定性乏6 】。 钇( y ) 与钪( s c ) 在周期表中位于同一族，但钇在铝中形成稳定相为d o l 9 型的3 y ，在快速凝固的铝合金中存在亚稳的l 1 2 型的a 1 3 y 相，而且这种亚稳 相与基体之间的错配度可达4 5 5 5 1 。显然钇对铝合金的作用要弱于钪。但y 的 密度很小，添加y 不会引起合金密度过多的增加。h i r o s h io k a d a l 2 7 】等认为微量 的钇可以吸附a 1 m g 合金晶界处的氢，从而降低a 1 m g 合金脆断的可能性，提 高了合金的塑性。桂全红等【2 8 】研究了微量y 对a 1 l i c u m g z r 合金析出相尺寸 及性能的影响。随着y 含量增加，k c 值减少，即67 的粗化速率减少。认为可能 是下列综合作用所致，即y 降低了析出相与基体的界面能；增加“与基体的结 合能，使扩散系数d 减小；y 使较多的p 相析出，依附于p 相的6 相长大较快， 导致基体中l i 原于的浓度降低等。y 也促进s7 相均匀分布。添加0 1 y 在不 降低强度的同时，也改善了合金的塑性。 1 2 2z r 、t i 、h f 禾口v 过渡族元素( z r 、t i 、h f 、v 等) 分别属于第四和第五副族元素，它们具有 特殊的电子结构和独特的性质，对合金的组织和性能有显著的改善【2 9 1 。它们对合 金组织的影响有以下相似点： ( 1 ) 细化铸锭组织，是良好的变质剂。其中z r 、t i 是常用铝合金铸锭的最 佳变质剂。由于a 1 z r 、a 1 t i 均为包晶反应，如图1 1 所示，在液相中可以直接 析出一次a l a x 化合物，作为异质形核的核心而细化铸锭晶粒。但是a 1 3 z r 有亚 4 第1 章绪论 稳的l 1 2 和稳定的d 0 2 3 两种结构【3 0 】，亚稳态l 1 2 结构的舢3 z r 粒子与基体共格， 平均错配度在o 3 0 5 之间，因此只有亚稳态l 1 2 结构的3 z r 粒子才可以成为 结晶的有效核心，而亚稳相舢3 z r 的形成除了与成分有关外，还与合金的冷却速 度有关，如图1 2 所示。t i 在舢中的含量超过0 2 以后将在凝固时形成粗大的 一次析出相而失去作为再结晶晶核的意义【3 0 】。因此z r 、t i 细化铸锭晶粒需要一 定的条件配合。 ( 2 ) 提高再结晶温度。在工业生产中经常用的抵抗再结晶元素为z r 、n 、 c r 、m n 。过渡族元素能提高铝合金的再结晶温度主要取决于从固溶体中析出的 大量弥散金属间化合物粒子( 如a 1 3 z r 、a 1 3 t i 、a 1 6 m n 、c r a l 7 等) ，这些粒子阻 碍晶界移动，使再结晶难以进行。 ( 3 ) 弥散金属间化合物粒子( a 1 3 z r 、a 1 3 t i 、a 1