（冶金工程专业论文）sc与ti、zr、mn复合微合金化在almg合金中的作用.pdf

摘要采用铸锭冶金方法，制备了a 卜5 5 m g 、a 15 5 m g 一0 2 5 s c 、a 15 ，5 m z 一0 0 4 t i 、a i 5 5 m g 一0 1 2 z r 、a 卜5 5 m g 一0 。4 m n 和a 卜5 。5 l g 一0 ，2 5 s c 一0 ，0 4 t i 、a 1 5 5 m g o 2 5 s c 一0 1 2 z r 、a 1 5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 4 m n 八种微合金化元素含量不同的a 卜5 5 m g 合金。测试了这八种合金冷轧薄板经3 4 0 l h 退火处理后的室温拉伸性能；采用金相显微镜和透射电子显微镜等手段观察分析了实验研究合金在不同状态( 铸态、热轧态、退火态) 下的显微组织；研究了单独添加s c 、t i 、z r 、m n 和采用s c 与t i 、s c 与z r 、s c 与m n 复合微合金化对a l 一5 5 m g 合金组织与性能的影响；探讨了s c 与t i 、z r 、m n 复合微合金化在a l m g 合金中的存在形式与作用机理。结果表明：在a 卜j 5 m g 合金中，单独采用0 2 5 s c 或0 0 4 t i 、0 1 2 z r 、0 4 m n 进行微合金化时，其强化作用效果不明显，而采用0 2 5 s c 与0 0 4 t i 、0 2 5 s c 与0 】2 z r 、0 2 5 s c 与o 4 m n 复合微合金化可显著提高a 卜m g 合金的强度，其抗拉强度和屈服强度增量分别达4 4 8 1 m p a 和6 71 2 0 m p a 。在a 卜m g 合金中，采用s c 与t j 或s c 与z r 复合微合金化，可形成a 1 。( s c ，t j ) 、a l ，( s c ，z r ) 复合粒子。初生a l 。( s c ，t i ) 和a l 。( s c ，z r ) 颗粒对合金铸锭晶粒具有极强的细化作用，次生a l 。( s c ，t i ) 和a l 。( s c ，z r ) 质点强烈地钉扎位错和亚晶界，有效地抑制合金在热轧和退火过程中的再结晶。采用s c 与t i 或s c 与z r 复合微合金化同时具有细晶强化、亚结构强化和直接析出强化作用。采用s c 与m n 复合微合金化除在一定程度上消除a l m g 合金中的枝晶组织外，对其铸态晶粒并没有细化作用；m n 在合金中以长条块状a i 。( m n f e ) 铝化物的形式存在。采用s c 与m n 复合微合金化具有亚结构强化和直接析出强化作用。采用s c 与t i 、z r 复合微合金化可大大增强微量s c 在a 卜m g 合金中的各种作用效果。因t i 、z r 的价格比s c 便宜很多，采用s c 与t i 或s o 与z r 复合微合金化可减少合金中s c 的加入量，从而降低合金的成本。关键词：铝合金，a 1 一m g s c t i 合金，a 卜m g s c z r 合金，a 卜m gs c m n 合金显微组织，力学性能a b s t r a c tas e r i e so fa 1 一m gb a s e da l l o y s w i t ha n d w i t h o u ts c ，t i ，z r ，m n w e r ep r e p a r e db yi n g o tm e t a l l u r g yp r o c e s s i n g t h er o o m t e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e so fs h e e t o ft h es t u d i e da 1 1 0 y sa t3 4 0 。c l ha n n e a l e dt e m p e rw e r em e a s u r e d t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h e s ea l l o y sa td i f f e r e n tt r e a t m e n tc o n d i t i o n s( a s c a s t ，h o t r o l l e d ，a n n e a l e d ) w e r ee v a l u a t e du s i n go p t i c a lm i c r o s c o p ya n dt 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 h ee f f e c t so fm i n o ra d d i t i o n ss cw i t ht i ，z r ，m no nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fa 1 一m ga 1 1 0 yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee x is t i n gf o r m sa n da c t i n gm e c h a n i s i n sw i t hc o m b i n a t i o n so fm i n o rs ca n dt i ，z r ，m nw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t sa r ef 0 1 e w s ：t h ej o i n ta d d i t i o n so fs cw i t ht i ，z r ，m ns i g n i f ic a n t l yi n c r e a s e st h es t r e n g t ho fa l m ga l l o ya n dm a k e st h ea 1 1 0 yg e tas u p e r i o rc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dd u c t i1 i t y t h ei n c r e m e n to fa 1 5 5 m ga l l o yt e n s i l es t r e n g t ha n ds t r e s ss t r e n g t ha r e4 4 8 1 m p aa n d6 7 1 2 0 m p a ，r e s p e c t i v e y t h em i n o rs cw i t ht i ，z rm a i m ye x i s t si nt h ef o r mo fa 13 ( s c ，t i ) ，a l3 ( s c ，z r ) c o m p o s i t ep a r t i c l e s t h ep r i m a r ya 13 ( s c ，t i ) a n da 13 ( s c ，z r )i n t e r m e t a l l i cp h a s ec a ns u b s t a i n t i a l l yr e f i n et h eg r a i ns i z eo fa 卜a l l o yc a s t i n g t h es e c o n d a r ya 13 ( s c ，t i ) a n da 13 ( s c ，z r ) d i s p e r s o i d sp r e c i p i t a t i n gf r o mt h es u p e r s a t u r e dq ( a 1 ) s o li ds o l u t i o ni nt h eh e a t i n gp r o c e s so fi n g o tc a ns t r o n g l yp i nd i s l o o a t i o na n ds u b g r a i nb o u n d a r y ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi n h i b i tt h er e c r y s t a l l i z a t i o no fa 1 一m ga l l yc o n t a i n i n gs cw i t ht i ，z rd u r i n gh o tr o l l i n ga n da n n e a l i n g t h es t r e n g t h e n i n gc a u s e db yt h ec o n b i n a t i o na d d i t i o n so fm i n o rs cw i t ht j ，z rt ot h es t u d i e da l l o y si sm a i n l yd u et of i n e g r a i ns t r e n g t h e n i n g ，s u b s t r u c t u r es t r e n g t h e n i n ga n dp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g t h ea d d i n gm i n o rs ca n dm nt oa 1 一m ga l l o yh a sn og r a i nr e f i n e m e n tp h e n o m e n o n m i n o rm ne x i s t si nt h ef o r mo fa 16 ( m n f e ) a l u m i n i d e si na 卜m gs c m na o y s t h es t r e n g t h e n i n gc a u s e db yt h ec o m b i n a t i o na d d i t i o n so fm i n o rs cw i t hm nt ot h es t u d i e da l l o y si sm a i n l yd u et os u b s t r u c t u r es t r e n g t h e n i n ga n dp r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n g t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to ft h ec o m b i n a t i o na d d i t i o n so fm i n o rs cw i t ht i ，z r ，m nt oa l m ga l l o yi sm u c hm o r ee f f e c t i v et h a nt h a to fm i n o ra d d i t i o n ss cw i t h o u tt i ，z r ，m n d u et ot h ep r i c eo fs ci sm u c he x p e r t s i v et h a to ft i ，z r ，m n ，l e s ss ci sr e q u i r e dt op r o d u c ea l u m i n u ma l l o y sc o n t a i n i n gs cb yj o i n ta d d i t i o n so fs cw it ht i ，z r ，m n k e y w o r d ：a l u m i n u ma l l o y ，a 1 一m g s c t ia l l o y ，a 1 一m g s c z ra l l o y a 1 一m g s cm na l l o y ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y 中南大学博士后出站报告1绪论1 1 含钪铝合金的研究概况含钪铝合会是继铝锂合金之后的新一代铝合金结构材料，在航天、核能和舰船等国防军工尖端领域具有广阔的应用前景。其研究最早始于1 9 6 5 年“。前苏联及现在的俄罗斯所进行的研究最早、最深入，以俄罗斯全俄轻合金研究院、航空材料研究院和国家科学院为首，对含钪铝合会进行了大量的研究与开发“1 。根据1 9 9 4 年在莫斯科召开的首届钪及其应用国际会议的资料“6 1 报道，全俄航空材料研究院、全俄轻合金研究院已研制开发出一系列含钪的工业铝合金，主要包括a 1 一m g s c 系( 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 l 、0 1 5 7 5 ) ，a 卜z n m g 一( c u ) 一s c 系( 0 1 9 7 0 、0 1 9 7 5 、0 1 9 8 1 ) ，a 卜m gl is c 系( 0 1 4 2 l 、0 1 4 2 3 ) ，a 1 一c u l i s c系( 0 1 4 6 0 、0 1 4 6 4 ) “”“。到目前为止，他们已经形成了从钪的提炼、铝钪中间合金制备和含钪铝合金生产等一系列比较完整的工业体系，卡门斯克一乌拉尔冶金工厂是现今俄罗斯最大的含钪铝合金生产企业”。2 “，其生产的半成品有0 。8 一j m m 厚的冷轧板，6 3 2 硼厚的热轧板，直径为5 5 - - 1 8 0 m m 的挤压棒以及重量达l o o k g 的模锻件。这些合金的含钪量在0 1 - - 0 3 ( 重量百分比，以下同)范国内，强度、韧性及焊接性能均比未加钪的台金有明显提高，目前已在相关的军工部门获得应用。但是，前苏联解体后，随着市场经济的建立，含钪铝合金由于钪的价格问题，其进一步推广、应用受到阻碍。为此，俄罗斯正在通过改进钪的生产工艺以降低其成本，研究用非高纯钪制取a - s c 中间合金的技术，以及开拓含钪铝合金的军转民应用等途径来积极促进该类合金的研究、开发及工业化生产。据悉俄罗斯已将含钪铝合金用于航天器在液氧、液氢介质中工作的荷重结构件和抗中子辐射损伤的热核反应堆部件等“”3 。除俄罗斯以外，美国。2 “、日本。”、西欧“3 “埽口其他国家“”“：对含钪铝合金也作了不少研究工作，近年来取得了长足的进展。我国在含钪铝合金的研究、开发方面，中南大学“。”1 、东北大学“。7 1 - 7 3 、中国科学院沈阳金属所。+ “7 和其他单位”。“1 自二十世纪九十年代初以来相继作过一些研究工作，在实验室条件下已制备出高性能小规格板材，先后发表论文3 0 余篇。中南大学博士后出站报告1 2 钪的主要物理化学性能钪( s c ) 的原子序数为2 1 ，位于元素周期表第4 周期i i i b 族，既属于稀土元素，又属于过渡金属。钪与过渡族元素具有相似的电子层结构( 3 d 型) ，因此其物理性能和力学性能与过渡族金属相似；又因其最外层电子与镧系稀土元素有相似的( n1 ) d 1 ，t 2 s 2 组态而与稀土金属有相似的化学性能”“。( 1 ) 钪的主要物理性能钪具有两种同素异构体：在1 3 3 7 。c 以下为n s c ，属密排六方品格，a = o 3 3 0 9 n m ，c = o 5 2 6 8 n m 在1 3 3 7 。c 以上为0s c ，属体心立方晶格，a = o 3 7 3 0 n m 。钪的主要物理和力学性能如表1 1 所示。表1 1 钪的主要物理和力学性能“”8比热膨胀系数电阻率h bj g 。cax 1 06 cx 1 0 6 n c m m p am p a2 54 91 1 45 27 5 0 1 0 0 03 1 02 0一( 2 ) 钪的主要化学性能钪是一种化学活性较高的稀土金属。稀土金属( r e ) 的化学性质主要是由外层电子结构来决定，因r e 的外层电子结构非常相近，所以r e 的化学性能也极为相似；但各r e 的化学活性与负电性与在周期表中的位置有密切的关系，因为负电性的高低可以近似地代表它与其它元素的结合能。由负电性的理论计算值可知，s c 的负电性最高，化学活性最大，而其它r e 除铕( e u ) 和镱( y b ) 外几乎相同。某些稀土化合物形成时能释放大量的热，就其热量来说，s c 几乎比所有元素化合物的形成热都高，所以热稳定性很高。多数r e 在空气中存放会发生氧化，有的反应剧烈，在室温条件下，受磨擦或冲击时能产生火花( 如c e ) ，而s c中南大学博士后出站报告对空气最稳定，其银灰色金属光泽长期存放后也不会改变。s c 也与其它r e 一一样，能与卤族元素和硫发生强烈反应，生成难熔卤化物( 如s c f 。s c c l 。等) 和硫化物( s c 。s 。) ；也能在一定条件下同k 、h 和h 。0 发生反应，生成稳定性不同的氮化物( s c n 或s c ( n 魄) 。) 、氢化物( s c h 。或s c h 。) 和氢氧化物( s c ( o h ) 。) 。这些稀土化合物可作为金属态r e 的生产原料，例如卤化物s c f 。就是制备a 卜s c 中间合金的较合适的原料。1 3 钪与铝合金中合金元素的相互作用为了进步提高铝合金材料的性能，在添加钪元素的同时，也必将添加一些其它合金元素。钪与其它合金元素之间的相互作用对铝合金组织与性能会产生一系列的影响，下面给予简单评述。( 1 ) 钪与铝合金中主要合金元素的相互作用在工业铝合金中，主要合金元素有m g 、z n 、c u 、s i 、l i 等，其中m g 、z n和l i 与s c 不形成化合物。“，故在以这些元素为主要合金组元的铝合金中加钪是有益合理的。但是，关于以c u 、s i 为主要合金组元的变形铝合金中加s c 的合理性问题，尚需更进一步的研究。铜：c u 与s c 能形成w 相( s c c u b 6 4 a 1 。一。) “。”3 ，该相在铝熔体结晶时形成，在随后的工艺加热时不溶解。所以，进入w 相中的s c 和c u 不会参与合金强化，并且它本身会降低合金的强度性能。此外，w 相质点还会增加合金组织内过剩相的体积百分数，从而致使合会的塑性、冲击韧性和断裂韧性下降。但是，分析a 卜c u s c 状态图时会发现，在c u 含量小于1 j 和s c 含量小于0 2 的条件下，不形成w 相，因此，如果合金内c u 含量不超过上述数量，用s c 合金化也是有益的：。硅：s i 不仅能与s c 形成化合物( s c 。a 1 s i 。) “i ”。，而且还会改变含s c 铝合金固溶体的分解特性，即出连续分解变为不连续分解，不连续分解的产物粗大，在合金单位体积内，其分解密度明显降低。因此，硅的存在会减小钪在铝中过饱和同溶体分解时的强化效应，并会急剧降低含钪铝合金半成品的再结晶温度。鉴于硅的这些不利作用，含s c 铝合金中硅含量不应超过0 1 5 t 8 “。铁：杂质f e 与s c 不形成化合物，不改变钪在铝中固溶体的分解特性，其本中南大学博士后出站报告身不减小钪对铝合金组织和性能的影响。但是，如同其它工业铝合金一样，含钪铝合金中铁的含量应加以限制，有关资料建议，可按一般的无钪工业铝合金的规范来控制”。( 2 ) 钪与主要过渡金属的相互作用铝合金中通常添加z r 、t i 、m n 、c r 、v 等过渡金属。不同的过渡金属与s c的相互作用以及对铝合金组织性能的影响各异。文献 8 2 总结了俄罗斯轻合金研究院的研究结果，具体情况如下：锆：大量实验表明，钪应该与锆同时加入铝合金内。这是因为z r 能颇大( 达5 0 ) 地溶于a 1 。s c 相中，并形成a l 。( s c 。z r 。) 相，该相因其晶格类型、点阵参数与a l 。s c 相相差甚小，不仅保持了a l 。s c 的全部有益作用，而且在高温加热下聚集倾向比a 1 。s o 相小得多。因此，加入钪的同时加入锆，一方面可提高铝合金的有益性能，另一方面还可减小昂贵s c 的加入量( z r 的价格要比s c 便宜得多) 。加z r 的作用，在铝合金中钪含量较小时则更为显著，例如当s c 含量从0 4 减小到0 2 时，其强化作用明显减小( 见表1 3 ) ，此时，z r 不仅起稳定剂作用，表1 3 不同s c 含量a 卜s c 二元合金性能的比较m 1而且还起到强化剂作用；依靠增加原始固溶体过饱和度相应地增加其分解产物的弥散度，强化效应可提高1 倍多。同时，试验表明，具有锆溶解量最大的a s c n z r ，) 相质点具有最小的聚集倾向，当分析性能最佳的合金成分时，发现其a i 。( s o n z r ：) 相内有5 0 的s o 原子被z r 原子置换。因此，在工业铝合金中s c和z r 的含量之比应接近1 ：1 。但是，实践表明，在高合金化和中合金化的铝合中南大学博士后出站报告金中，特别是在浇铸大铸锭时，z r 含量超过0 1 0 0 1 5 时会形成粗大的初生金属问化合物a l 。z r 。所以，用z r 合金化的含钪铝合金，z r 含量取0 1 0 o 1 5 。s c 的含量理论上应与之相同，但考虑到正像合金组分那样，并非全部可能潜在的钪都被利用上了，因此s c 的含量应该提高到0 1 j 0 3 。锰：锰与钪不起作用，不形成金属间化合物。在含钪铝合金中加锰，像在其它工业铝合金中一样，能提高强度性能和改善合金的抗腐蚀稳定性。不过，用大量的锰来合金化会降低s c 的溶解度和减少金属间化合物的形成，故不宜大量添加，一般用量在0 2 o 5 之间。另外，在需要获得超塑性、导热性等的某些情况下，锰的含量也要加以控制。钛：钛同锆一样，能溶解于a 1 。s c 相内，置换出s c 原子，但它在a l ，s c 相内的溶解度相当小。钛的加入，与锆一样会增强s c 的变质效应，并从其出现变质作用开始，减少s c 的临界浓度。但是，在含钪的过饱和固溶体分解时，加t i会恶化合金的强度性能、加速软化过程。不过，在铝合金中z r 的存在可以充分中和t i 的不良作用，故在含s c 铝合金中可以加t i ，作为和z r 一起的综合变质剂，其加入量可为0 0 2 o 0 6 。铬：在含钪铝合金中加铬，会略为减小s c 的强化效果和抗再结晶效果；另外，在a 卜z nm g s c 系合金中，加c r 还会降低其塑性、加强分层腐蚀倾向和影响可焊性。钒：在含钪铝台金中加钒，会减小过饱和固溶体分解时的强化效应，并降低与加钪有关的抗再结晶效应。不过，在合金内存在z r 时，可以中和钒的不利作用。铪：在a 卜0 2 s c 合金内加0 1 5 h f 的实验表明，h f 的加入加强了过饱和固溶体分解时的强化效应和稍微提高了该合金的再结晶温度。所以，在含钪铝合金中加h f 是有益的。但是，为了达到明显的效果，h f 的加入量应该比实验的加入量要高些。1 4 含s c 铝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m 介绍，钪含量的选择应遵循以f 原则：在相当于铝合金铸锭连续铸造的结晶条件下，中南大学博士后出站报告要使大部分钪处于过饱和的固溶体内，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a l 。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a 1 。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。分析a 卜s c 二元合金平衡相图”，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0 3 2 。但是，在相当于连续铸造铸锭结晶的冷却速度条件下，钪在铝内会形成反常的过饱和固溶体( 达0 6 ) ，因此，s c 的含量在o 6 左右时，a 卜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( 见表1 3 ) 。从表l _ 3 可知，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。因此，在s c 含量大于0 6 的情况下，其强度性能的进一步提高是不大可能的。另外，当钪含量增加到0 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一时间参数的条件下，确保s c在铝中过饱和固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 墙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s c 的最佳浓度时，必须考虑以卜因素：( 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 。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，可能会是s c 在铝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o 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的合理范围为0 1 o 5 8 “。1 5 本文研究的目的意义与内容如上所述，钪是铝合金中一种非常“神奇”的微合金化元素，把它加入到铝合金中，能全面改善其宏观和微观组织以及大大提高铝合金的强度、可焊性和抗蚀性等，但是，要获得理想的作用效果，s c 的加入量必须达到定的临界浓度，这样就不得不在铝合金中加入更多的s c 。由于s c 的价格较贵，增加了合金的成本，“重影响了含钪铝合金的研究、开发与应用。因此，探讨如何减少铝合金中s c 的加入量，对这类合金的发展具有非常重要的意义。而采用s c 与t i 、z r 、n中南大学博士后出站报告等过渡元素复合微合金化是一种十分有效的途径，其可保证合金在具有优异性能的前提下，来达到降低成本和增强增韧的目的。本研究是结合国家重点基础研究( 9 7 3 计划) 项k l “提高铝材质量的基础研究”中课题“高强高韧铝合金微合金化成分( 钪、锆等) 设计及强韧化机理”进行的。主要研究内容包括如下三个方面：( 1 ) s c 和t i 复合微合金化在a 卜m g 合金中的作用：( 2 ) s c 和z r 复合微合金化在a l m g 合金中的作用；( 3 ) s c 和m n 复合微合金化在a 卜合金中的作用。通过s c 与t i 、z r 、m n 复合微合金化，研究其对a 卜m g 合金微观组织与拉伸性能的影响，探讨s c 与t i 、z r 、m n 复合微合金化在a 卜m g 合金中的存在形式及作用机理，为含钪铝合金的成分设计提供实验依据，从而促进我国含钪铝合金的研究与发展。一鱼苎兰堡主生垄! ! 塑主2 实验研究合金的制备与实验方法2 1 合金制备为了达到实验研究的目的，共制备了a 1 一m g 、a 卜m g s c 、a 1 一m g t i 、a 1 一m gz r 、a 1 一m g m n 、a 1m g s c t i 、a 1 一m g s c z r 、a 1 一m g s o m n 八个系列不同成分的合金，通过对其进行对比研究分析，探讨了单独添加s c 、t i 、z r 、m n 和复合添加s c和t i 、s c 和z r 、s c 和m n 在a 卜m g 合金中的作用行为。其实验研究合金制备的工艺技术路线如图2 1 所示。图2 1 合金制备的工艺技术路线2 1 1 合金成分设计与配料在查阅有关文献e 4 5 ，2 9 ，3 2 ，3 6 ，8 2 和前划预研工作的基础上，合金名义成分分别设计为：1 。合金a 1 5 5 m g ，24 合金a 卜5 ，5 m g 一0 2 5 s c ，3 4 合金a 卜5 5 m g 一0 0 4 t i ，4 合金a 1 - 5 5 m g 一0 1 2 z r ，5 # 合金a l 一5 5 m g 一0 4 m n ，6 4 合金a 1j 5 m g 一0 2 5 $ c0 ，0 4 t i ，7 。合金a 15 5 m g 一0 2 5 s c 一0 1 2 z r ，8 4 合金a 1 5 5 m g0 2 5 s c 一0 4 m n 。每种合金配料3 k g ，其中a 1 采用2 。工业纯铝，m g 采用2 。2 i i , j k 纯镁，s c 、t i 、z r 和m n 分别以a 卜s c 、a l t i 、a 卜z r 和a 卜m n 中间合金r中鱼垄堂堡主墨生苎塑：生一一的形式加入。各种合金的名义化学成分见表2 - 1 。表2 1 研究用合金的名义化学成分( w t )一_ 一合金m gs ct iz rm na 1i 2 ( a 卜5 5 9 9 )5 5”2 ( a i 一5 5 m g 一0 2 5 s c )5 502 5余量3 = ( a 卜55 m g 一0 0 4 t i )5 50 0 4余量4 - ( a i j 5 m g 一0 1 2 z t )5 50 1 2余量5 ：( a i 一55 m g 一0 4 m n )5 50 4余量6 = ( a i 一5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 0 4 t i )5 50 2 500 4余量7 ：( a 卜5 5 m g 一02 5 s c 一0 1 2 z r )5502 50 1 2余量8 = ( a i 一5 5 m g 一0 2 5 s c 一04 m n )5 50 2 50 4余量2 1 2 合金的熔炼铸造及铸锭均匀化处理合金的熔炼、铸造试验在本学院熔铸实验室进行。熔炼采用5 k w 井式坩埚电阻炉，坩埚为石墨坩埚。熔炼温度为7 5 0 7 6 0 。c ，覆盖剂采用不含钠盐的2 。熔剂，除气剂采用常用的六氯乙烷( c 。c 1 。) 。先将纯铝熔化，接着根据成分控制要求依次加入各种原材料或中间合金，待完全熔化后进行2 次精炼，静置、扒渣后开始浇铸。铸造采用铁模铸造，空冷。浇注温度为7 2 0 7 3 0 。c 。浇注前将模具预热至2 5 0 左右。铸锭的均匀化处理采用箱式电阻炉，在4 6 0 4 7 0 下保温1 3 小时。2 1 3 合金铸锭的热轧与冷轧板材轧制试验在本学院新材料工程中心完成。首先将经过均匀化处理和铣面后的铸锭，在箱式电阻炉中加热至4 5 0 4 6 0 。c ，保温3 小时左右，然后开轧。开轧温度为4 5 0 左右，终轧温度为2 0 0 3 0 0 。c 。合金经5 道次热轧至4 m m 左右，热轧总变形量约为8 0 。中南大学博士后出站报告热轧后不经中间退火，直接进行冷轧。合金经过4 个道次冷轧至2 o m m 左右冷轧总变形量达5 0 。2 1 4 合金板材的退火合金冷轧板材的退火处理在箱式电阻炉中进行，退火制度为3 4 0 l h 。2 2 实验方法2 2 1 合金室温力学性能测试分别测试了八种台金冷轧板材经3 4 0 | 。c i h 退火处理后的抗拉强度o b 、屈服强度0 。：和延伸率6 。拉伸试验在本学院力学性能实验室的c s s 一4 4 1 0 0 电予万能材料试验机上完成。试样按照g b 6 3 9 7 8 6 金属拉伸试验试样的规定加工而成，为标准矩形试样。试验过程按照g b 2 2 8 - 8 7 金属拉伸试验方法的有关规定进行，拉伸速度为2 m m m i n 。每个测定值取3 个试样的平均值。2 2 2 合金金相组织观察采用普通光学金相显微镜对1 。8 4 合金在不同状态( 铸态、热轧态、3 4 0 。cl h 退火态) 下的显微组织进行了观察与分析。金相显微分析在本学院金相实验室的p o l y v e r m e t 金相显微镜上进行，主要观察分析了合金铸态组织的晶粒大小和变形态组织的晶粒形貌。金相样品经机械抛光后电解抛光并阳极复膜，然后置于偏光下观察。电解抛光和复膜选用3 0 m l h f + il g h ，b o ：，+ 9 7 0 m l h ：0 溶液，抛光电压为2 0 2 8 v ，时间1 3 分钟，电解抛光后将电压调低直接在原溶液中进行阳极复膜，复膜电压为1 5 2 5 v ，时间l 2 分钟。合金平均晶粒尺寸的测量采用线截矩法”“。2 2 3 合金透射电镜样品的制备与观察透射电镜分析在湖南大学材料学院电镜室的h i t a c h i - - 8 0 0 分析电镜上进行，主要观察了不同状态下材料的微观组织、第- - _ 4 目的形貌、大小和分布以及位中南大学博士后出站报告错组念等。试样制备过程为：先经机械预减薄至1 0 0um 左右，冲裁成中3 m m 的圆片，然后在m t p i i 型双喷电解减薄仪上用3 0 硝酸+ 7 0 甲醇溶液最终减薄，双喷电压为2 0 3 0 v ，电流为6 0 l o o m a ，温度控制在一2 0 。c 以下。2 2 4 合金扫描电镜的观察扫描电镜在本学院k y k y 2 8 0 0 型扫描电子显微镜上进行，主要观察和分析铸态和均匀态下合金中结晶相的形貌、大小、分布以及确定这些相粒子的成份组成等。试样制备：通过截取铸态和均匀态合金的扫描电镜试样，经粗磨、细磨和机械抛光后，直接在扫描电镜上利用背散射电子像进行能谱分析。中南大学博士后出站报告3s c 与t i 复合微合金化在a i - m g 合金中的作用3 1s c 与t i 复合微合金化对a i - m g 合金拉伸性能的影响四种实验合金( 1 8 、2 。、3 。、6 。) 冷轧板材经3 4 0 退火1 小时后的拉伸性能见表3 1 。由表可以看出：在a 1 5 5 m g 合金中单独添加0 2 5 s c 或0 0 4 t i 时，表3 1实验合金的拉伸性能( 冷轧薄板+ 3 4 0 1 h 退火)合金的强度均有所提高，但提高幅度较小，而复合添加0 2 5 s c 和0 0 4 t i 时，合金强度提高幅度非常显著，其抗拉强度o 。和屈服强度o 。的增量分别达4 4 m p a和7 0 m p a ，这表明采用s c 和t j 复合微合金化的a 卜m g s c t i 合金比单独加入同样s c 的a 卜m g s c 合金和单独加入同样t i 的a l m g t i 合金具有更好的拉伸综合性能，s c 和t i 复合微合金化对a 卜m g 合金产生了显著的强化作用。3 2s c 与t i 复合徽合金化对a f - m g 合金金相组织的影响3 2 1 铸态合金的金相组织圈3 1 为四种实验合金( 14 、2 4 、3 。、6 4 ) 在铸态下的晶粒组织。采用线截矩法分析测量各合金铸态晶粒的尺寸，结果如表3 2 。表3 2 实验合金的铸态晶粒尺寸( um )中南大学博士后出站报告图3 1 实验合金的铸态晶粒组织( a ) a 1 5 5 m g( b ) a 15 5 m g 一0 2 5 s c( c ) a 1 5 5 m g 一0 0 4 t i( d ) a 1 5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 0 4 t i由图3 1 和表3 2 可以看出，添加0 2 5 s c 的2 。合金相对于传统a 1 - m g 合金( 图3 1 ( a ) ) ，除在一定程度上消除了合金中的枝晶组织外，晶粒大小并无明显变化( 图3 1 ( b ) ) ：添加0 0 4 t i 的3 。合金则出现明显的晶粒细化现象( 见图3 1 ( c ) ) ，晶粒尺寸由传统a 卜m g 合金的3 7 0 i j m 左右下降到1 8 4um 左右：而同时添加0 2 5 s c 和0 0 4 t i 的6 。合金，与前三者相比，晶粒最为细小( 见图3 1 ( d ) ) ，平均晶粒尺寸为6 7u i i 】，这表明单独添加0 2 5 的s c 对a 卜她合金铸态晶粒组织无明显的细化作用，而0 2 5 s c 和0 0 4 t i 复合添加时，产生了极为强烈的晶粒细化作用，并且该作用远大于单独添加0 0 4 t i 的作用效果。3 2 2 热轧态合金的金相组织图3 2 为四种实验合金热轧态的金相组织。由图中可以看出，a 1 一m g 合金经壹垄堂堡主墨生苎i 垦童一一。图3 2 实验台金热轧态的金相组织( a ) a 1 5 5 m g( b ) a 1 5 5 m g 0 2 5 s c( c ) a i 一5 5 m g 一0 0 4 t i( d ) a 1 5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 0 4 t i热轧后发生了完全再结晶，形成了细小的类等轴晶组织( 图3 2 ( a ) ) ：而单独加入0 2 5 s c 的a 卜m g s c 合金和单独加入0 0 4 r i 的a 1 _ m g t i 合金或0 。2 5 s c和0 0 4 t i 复合添加的a 1 一m g s c t i 合金都形成了末再结晶的纤维状组织( 见图3 2 ( b ) 一( d ) ) 。s c 和t i 复合添加后形成的纤维状组织更为细小。这表明，在a 卜m g 合金中，单独添加s c 以及采用s c 和t i 复合微合金化可以抑制其热轧过程中的再结晶。3 2 3 退火态合金的金相组织图3 3 为四种实验合金经3 4 09 c l h 退火后的金相组织。由图可以看出，传统的a 卜m g 合盒已经发生了完全再结晶，并且晶粒已明显长大( 图3 3 ( a ) ) 。而a l - - 5 5 m g 一0 2 5 s c 合金经退火后基本上保持了条带状纤维组织，但在条带状纤中南大学博士后出站报告图3 3 实验合金退火态( 3 4 0 1 h ) 的金相组织( a ) a 1 55 m g( b ) a i 一5 5 m g0 2 5 s c( c ) a 1 5 5 m g 一0 0 4 t i ( d ) a 1 5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 0 4 1 i维组织中出现了少量细小的等轴晶( 图3 3 ( b ) ) 。这表明a 卜j 5 m g 一0 2 5 5 c 合金经3 4 0 l b 退火后已开始发生部分再结晶。而a 卜5 5 m g 一0 0 4 t i 合金经3 4 0 l h 退火后则出现了大量细小的等轴晶，已经发生了完全再结晶( 图3 3( c ) ) 。但观察a 卜5 5 m g 一0 2 5 s c 一0 0 4 t i 合金的退火组织时，它仍为纤维状的未再结晶组织( 图3 3 ( d ) ) 。表明采用s c 和t i 复合微合金化可以有效地抑制a 卜m g合金在退火过程中的再结晶，其效果比单独添加s c 时更为强烈。3 3s c 与ti 复合微合金化的a i - m g 合金的t e m 组织图3 4 是a 卜5 5 m g 一0 ，2 5 s c 一0 0 4 t i 合金冷轧板材经3 4 0 】h 退火后的透射电子显微组织。由图可以看出，合金中析出了大量弥散细小圆形的第二相粒子( 见图3 4 ( a ) ) ，该粒子衬度呈双叶花瓣状( 见图3 4 ( b ) ) ，粒子中间的无衬度带表中南大学博士后出站报告图3 4a 1 5 5 ) j g 一0 。2 5 s c 一0 0 4 t i 合金3 4 0 c i h 退火态的t e m 组织( a ) 一( d ) 合金中次生的第二相质点( e ) 一( f ) 合金中的亚品界和位错墙( g ) 第二相粒子钉扎强晶界( h ) 第二相粒子钉扎位错6中南大学博士后出站报告明该粒子与a ( a 1 ) 基体共格。参考有关文献。3 “3 及分析判断，该粒子为与基体共格的a 1 。s c 相。另外，从图3 4 ( a ) 还可以观察到一种复合粒子，其放大像如图3 4 ( c ) 所示，这些粒子呈鱼眼状，粒子衬度也呈双叶花瓣状( 图3 4 ( d ) ) ，粒子中间的无衬度带表明该粒子也与o ( a 1 ) 基体共格。参考有关文献”“4 6 ”3 及分析判断，该粒子为a 1 。( s o ，t i ) 或a 1 。s c a l t i 相。进一步观察分析发现：经3 4 0 c l h 退火处理后，合金内回复过程非常明显，由形变造成的大量杂乱缠结的位错进行了重新排列，在合金中形成了位错墙( 图3 4 ( e ) ) 和亚晶组织( 见图3 4( f ) ) ，其中亚晶界和位错被第二相粒子牢牢钉扎住( 见图3 4 ( g ) 一( h ) ) 。3 4s o 与丁i 复合微合金化在a f - m g 合金中的作用3 41 晶粒细化作用对于以a 卜m g 为基的含s c 铝合金，由于与s c 不形成中间化合物”“，所以s c 在a 卜m g 合金中的存在形式同它在a 卜s c 二元合金中类似。分析a 卜s c 二元合金相图3 3 可知，它是典型的共晶相图，共晶温度为6 5 56 c ，共晶成分为0 5 5 ，s c 的极限固溶度为0 3 2 。因此，当合金中s c 含量低于0 3 2 时，在平衡状态下不形成初生a 1 。s c 粒子，所以在a 卜m g 合金中添加0 2 5 s c ，铸态晶粒无细化作用。然而，在非平衡凝固条件下，对于a l m g s c t i 合金，由于t i 的加入，大大降低了s c 在a l 中的固溶度，使共晶浓度降低，由于t i 能溶解于a l 。s c 相内。“”。，置换出部分s c 原子，因此铸态合金中就会出现初生a 1 。( s c ，t i ) 颗粒，该颗粒无论从晶格类型( l 1 。型) 还是晶胞尺寸“1 ，均与基体极为相近( 见表3 2 ) ，而且锗配度非常小，与基体完全共格，这些特点都保证了初生a l ，( s c ，t i )相可成为良好的非均质晶核，从而造成对a 1 - m g 合金晶粒的显著细化作用。表3 2a 1 、a l 。s c 和a 1 。( s c ，t i ) 的晶格常数和错配度物质熔点，晶体结构晶格常数，错配度，a 】6 6 0f c c4 0 5a l s s c1 3 2 0l 1 24 1 0 31 5a 1 3 ( s c ，t i )i5 5 9l 1 24 0 7 010 5中南大学博士后出站报告3 4 2 抑制再结晶作用在a i m g 合金中采用o 2 5 s c 和o 0 4 t i 复合微合金化，其在3 4 0 l h 退火条件下仍保持了完全未再结晶的纤维组织。分析其原因，除了t i 本身与a l 形成a 1 3 t i 相具有一定的抑制再结晶作用外，主要在于：第一，t i 能够降低s c 在o ( a 1 ) 中的溶解度，增强其原始固溶体的过饱和度，从而相应地增加了其分解产物次生a i t s c 或a 1 3 ( s c ，t i ) 相质点的数量及弥散度；第二，t i 在a 1 3 ( s o ，t i ) k 目内颇大地替代其中的s c 原子，使得有更多的s c 原子去形成更多的铝钪化合物质点( a 1 3 s c 或a 1 3 ( s c ，t 1 ) 相) ，从而增加了第二相质点的数量。这种次生质点强烈地钉扎位错，阻碍位错运动( 见图3 4 ( h ) ) ，同时阻止亚晶界迁移与合并( 见图3 4 ( f ) 一( g ) ) ，对形变组织中的亚结