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四川大学博士学位论文 高铝锌合金压蠕变行为研究 摘要 材料学专业 研究生魏晓伟指导教师沈保罗教授 z a 2 7 合金具有优良的室温机械性能，其室温抗拉强度超过很多铝、 青铜等铸造合金，这种材料可望应用于更多的场所。本文首先较全面地综 述了锌铝合金的发展及研究现状，然后采用自制的压蠕变试验装置研究了 z a 2 7 合金在不同的温度和应力条件下的压蠕变行为、相变和微观组织的演 变。 系统地研究了铸造方式、稳定化热处理以及变质剂稀土、锰和锆对 z a 2 7 合金的压缩蠕变行为的影响，不但发现稳态蠕变速率的对数分别与应 力和温度的对数有较好的线性关系，而且还发现在其压蠕变的第一阶段会 出现负蠕变现象( 负塑性变形) 。负蠕变的出现与温度和应力有关，稀土和 锰扩大了负蠕变出现的温度和应力范围。稳态蠕变速率符合半经验公式 玉刊口”b 甲r 一“r 矽或s = a t 口”唧r q 船矽。稳态蠕变速率主要由锌的点 阵扩散和位错的攀移所控制，晶界滑移对蠕变也有贡献。 应用相变的观点并结合x r d 、t e m 和s e m 分析结果深入分析了负蠕 变出现的原因。负蠕交现象是由于压蠕变过程中的四相转变( a + 一t + t 1 ) 引起体积膨胀而造成的，负蠕变量为压蠕变量与体积膨胀量之差。在压蠕 变过程中，随着压蠕变量的增加，合金的微观组织从部分片状向球形状转 化。 添加r e 、m n 和z r 后合金的蠕变抗力提高，但在1 6 0 时z a 2 7 一z r 则相反，并结合显微组织的变化对此进行了深入分析。 四川大学博士学位论文 发现晶粒大小和晶界处的复杂化台物对z a 2 7 合金的压蠕变有很大的 影响。粗化晶粒和晶界处的复杂化合物的有利作用使台金的压蠕变抗力提 高。 关键词：z a 2 7 合金压蠕变稀土锰锆负蠕变相变微观组织演化 秘强大学博士学蕴论文 r e s e a r c ho n c o m p r e s s i v ec r e e p b e h a v i o ro ft h e h i g h a l u m i n u mz i n cb a s e d a l l o y a b s t r a c t a m o n g z i n c a l u m i n u mc a s ta l l o y s ，z a 2 7a l l o ye x h i b i t sa t t r a c t i v ep h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m b i n e dw i t hg o o df r i c t i o na n dw e a l r e s i s t a n c e ， m a k i n g i tab e a r i n ga l l o yr e p l a c i n go fs o m e c o p p e ra l l o y s ，a l s ot h i sa l l o yt e n d t o b eu s e dw i d e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nt h ez a 2 7 a l l o ya r es y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e d ，a n dt h e nt h ec o m p r e s s i v ec r e e pb e h a v i o ro f t h ez a 2 7 a l l o yi si n v e s t i g a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dc o m p r e s s i v es t r e s s w i t h s p e c i a la p p a r a t u s a n da l s o t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n ，m i c r o s t m c t u r a l e v o l u t i o na n dt h ee f f e c t so f t 嚣m na n dz re l e m e n t sa r er e s e a r c h e d t h ee f f e c t so f c a s t i n gm e t h o d s ，s t a b i l i z e dh e a tt r e a t m e n ta n dm o d i f i e r s ( r e ， m na n dz r ) o nt h ec o m p r e s s i v eb e h a v i o ro ft h ez a 2 7a l l o ya l ei n v e s t i g a t e d e x t e n s i v e l y i t s h o w st h a tt h e r ew a sg o o dl i n e a r l o g a r i t h m i cr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s t e a d yc r e e p r a t ea n da l lo f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s su s e d t h e s t e a d y c r e e p r a t e o b e y e d a n e m p i r i c a le q u a t i o n 玉刊口”e x p ( 一q 批乃o r s = a to n e x p ( - 舭d 。t h ec o m p r e s s i v ec r e e pr a t ei nt h ea l l o yw a gm a i n l y c o n t r o l l e db yt h el a t t i c ed i f f u s i o no fz i n ca n dd i s l o c a t i o nl i m b ，a n dt h eg r a i n b o u n d a r ys l i d i n gc o n t r i b u t e df o r i ti ns o m e d e g r e e 。 1 1 1 er e a s o nw h yt h en e g a t i v ec r e e po c c u r r e dd u r i n gc o m p r e s s i v ec r e e pw a s d e e p l ya n a l y z e dw i t h t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n du s i n gx r d , t e ma n ds e m t e c h n i q u e s i t w a gf o u n dt h a tt h e n e g a t i v ec r e e p r e s u l t e df r o m v o l u m e e x p a n s i o nc a u s e db y t h ef o u r - p h a g et r a n s f o r m a t i o n ，娃+ t + i nt h ea l l o y , a n dt h ev a l u e so fn e g a t i v e c r e e pd e p e n d e do nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e c o m p r e s s i v ec r e e pd e f o r m a t i o na n d t h ev o l u m ee x p a n s i o n t h em i c r o s t r u c t u r e c h a n g e dp a r t l y f r o ml a m e l l a rs t r u c t u r ei n t o s p h e r o i d i z e ds t r u c t u r e 、硝t it h e 四川大学博士学位论文 c o m p r e s s i v ec r e e ps t r a i nd u r i n gc o m p r e s s i v ec r e e p t h ec o m p r e s s i v ec r e e pr e s i s t a n c eo fz a 2 7a l l o yi n c r e a s e da f t e ra d d e d s o m er e m no rz re l e m e n t s ，b u tj ti sc o n v e r s ef o ra d d i t i o no fz ra t1 6 0 t h e s ea r ea n a l y z e de x t e n s i v e l yw i t ht h em i c r o s t r u c t u r a lc h a n g e i ti sf o u n dt h a t t h eg r a i ns i z ea n dt h ec o m p _ 1 e xc o n s t i t u t ec o m g o u n dl o c a t e di ng r a i nb o u n 6 a r y h a v eag r e a ti n f l u e n c eu p o nt h ec r e e p ，c o a r s e n i n gt h eg r a i na n dt h ec o m p l e x c o n s t i t u t ec o m p o u n di su s e f u lt oi n c r e a s et h ec r e e dr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：z a 2 7 a l l o y ；c o m p r e s s i v ec r e e p ；r e ；m n ；z r ；n e g a t i v ec r e e p ；p h a s e t r a n s f o r m a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o a 四川大学博士学位论文 r5 3 0 2 1 口 四川大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得四川大学 或其他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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归四川i 大学所有，特此声明。 学位论文作者：魏硅肺 2 0 0 3 年4 月2 日 四川大学博士学位论文 高铝锌合金压蠕变行为的研究 第一章绪论 锌铝合金具有良好的力学性能、耐磨减摩性能以及其他一些独特的性 能( 如碰撞时不产生火花，无磁性等) ，用其代替部分铜合金甚至铝合金 具有明显的经济性，同时，该合金熔点低、耗能少、成本低廉、成型方便， 适合于多种铸造方法，因此具有很强的市场竞争力，对其研究和应用也在 不断地深入和发展，并成为金属材料科学研究的热点之一。 1 1 锌铝合金的发展概况 锌及其合金的发展经历了一个漫长的过程，第个记载并描述锌的是 p a r a c ei s u s ( 1 4 9 3 1 5 4 1 ) ，他指出：又一种为人们陌生的金属叫锌( z n ) ， 它有特殊的来历和性质，有许多金属与其共生在一起，它的本质对我们来 说还未完全认识。锌远在公元前5 0 0 年就为人们所知，人们在c a m e r o s 遗址中发现了古人用锌制作的手镯i l 】。大约1 6 世纪，金属锌传入欧洲。有 史料证踢，锌合金出现于本世纪初期，锌的加工和应用最早起源于印度， 作为锡和铅的代用品用于制造印刷铅字，为这种用途而开发的最早的1 种 锌基合金含6 s n ，5 c u 和0 5 a l 。但早期的锌合金易于产生晶间腐 蚀和过早失效，在潮湿环境下易开裂，早期的这些不良特性使得锌合金的 “不光彩”名声长期以来难以摆脱，导致人们没有给予充分的重视。但没 有预料到使得人们难以想象锌及其合金也能成为性能优良的工程材料。随 着锌冶炼技术的进步，人们可以得到纯度很高的锌，改善锌合金的晶间腐 蚀性成为现实。上世纪3 0 年代左右，美国新泽西锌合金公司研制出了 z a m a k 3 和z a m a k 5 锌铝压铸合金。在战前和二次世界大战期间，德国由 于铜资源紧缺，而用重力铸造锌铝合金代替铜制造轴承材料。锌铝合金熔 点低、机械性能好因而在压铸工业中得到了广泛的应用。上世纪6 0 年 代前后，由于塑料工业的兴起，使锌合金面临竞争与挑战。1 9 5 9 年国际 铅锌研究组织i l z r o ( i n t e r n a t i o n a ll e a dz i n cr e s e a r c ho r g a n i g a t i o n ) 发起 四川大学博士学位论文 了一项旨在开发新型的、先进的压铸锌铝合金的研究计划，这个计划促使 了薄壁锌铝合金压铸技术和i l z r o 1 6 、i l z r o - - 1 2 铸造锌铝合金c i , 2 的 出现。i l z r o 1 2 ( 后经改进发展成z a l 2 合金) 铸造锌合金的蠕变性能与 z a m a k 3 和z a m a k 5 相当，但其铸造性能和力学性能更好。上世纪7 0 年代 后期又开发了性能更优的z a 8 和综合力学性能最佳的z a 2 7 合金。此后， 在世界范围内，人们开始研究、开发锌铝合金，一些国家还将锌铝合金列 入国家标准1 3 1 。 1 2 锌铝合金的特点 1 2 1 锌铝合金的相图 人们常用相图研究和分析实际问题。图1 1 表示z n a 1 二元合金的 最新相图。对z n a i 二元合金相图，曾改动过几次，1 9 3 2 年除液相线和三 个平衡相的温度以外曾制作了较多的的相图，后来，f e d r o wc e r e p a ：z 和 t a n a b a 提出该合金的相图应具有几个明显的特征，即：含6 0 z n 左右 的合金中应有一个中间相1 3 ，是由含4 8 z n 的固溶体与液相通过包晶反应 产生的；含8 8 z n 的z n 固溶体和b 相的共晶体在3 8 0 形成；1 3 相 图l lz n - a i 二元合金相图 f i 晷l lt h ep h a s em o r p h o l o g yo fz n a ia l l o y 2 疆j 大学簿学靛论文 兹共辑努勰点鲍减分及遗瘦分别为6 0 z n 程2 7 0 2 8 0 。在1 9 4 4 年 s c h i m i d t 等人在这个建议的糕础上研制出了z n a 1 二元合金的新相图，但 对稳图中的彀鑫反盛豹湿度秘各提匏戏分一褒存在麓争议。p r e s n y k o v 及 a k n a y a k 等人经过较祥细的研究，制定出了z n 一a l 二元含金的最新相 图f 4 l ，出该极强可鲰，该合龛滚态樵聂无限滚解，程耀当宽懿念z 畦沤匿 内，其凝固隧间很宽，共晶反应的温度和成分分别是3 8 0 和9 4 z n ，共 析反应的滠度和成分为2 7 5 襄7 8 z n ，在4 5 5 c 和7 5 z n 的合金中， 发生包晶反应，征桶和1 相在合金中沉淀析出是最童耍的固态反应。 锌铝会金缒三元状态图较先复杂，匿躯的资誊莘较少，塑l 2 梵 妥l 2z n m - c a 系蔽态匿 f i g 1 ot h ep h a s em o r p h o l o g y o f z n a i c ua l l o y zb ( 1j 圈l 一3 为z n a 卜m g 系的状态图 f i 蛋l 3t h ep h a s em o r p h o l o g yo f z n - a i - m ga l l o y 3 四川大学博士学位论文 z n a i c u 系，图1 3 为z n _ a i m g 系的状态图1 4 l 。 1 2 2 锌铝合金的成分特点 z a 合金是在z n a l 二元合金的基础上发展起来的多元合金，在成分 设计时，一反传统观念，大胆提高铝的含量，使铝含量达到3 5 以上。锌 铝合金中的主要组元除了锌、铝以外，还有铜、镁元素，了解这些组元的 相互作用对于锌铝合金的研究、开发和推广应用具有重要意义。 锌是六方品格金属，无同素异构转变。纯锌的力学性能较低( ob = 1 5 0 m p a ) ，难以满足工程构件对性能的要求，因此应用中常加入强化元素。 锌基合金中常用的强化元素有铝、铜和镁【4 “。其中铝是锌铝合金中首要 的强化元素，铝可以提高锌合金的流动性，细化晶粒，改善铸件的机械性 能。随着铝含量增加。强度提高。韧性下降。铝与锌之间在高温时无限互 溶。低温下相互形成置换式固溶体，不形成金属间化合物。铝在锌中固溶 度很小，而锌在锅中有很大的周溶度，且随温度变化显著，如在共析温度 下，富铝相固溶锌的量高达3 0 ，室温下其溶解度变为2 ，这使得这种 合金有很强的固溶强化效果。 铜可溶于富铝相和富锌相中，使台金产生固溶强化，当铜含量低于 1 2 5 时，可提高合金的抗拉强度和硬度，还可提高合金的抗晶间腐蚀能力 和高温蠕变性能。当铜含量较高时，会在合金中形成富铜的化合物相。但 由于铜能阻碍锌铝合金的共析转变，使铸件冷却过程中共析转变难以充分 进行，从而过量的铜可引起铸件尺寸的不稳定。 镁在锌铝合金中的固溶度不大，室涅下镁的固溶度仅为0 0 0 5 ，但 即使这么微量的镁也能起到固溶强化、提高强度和硬度的作用。同时镁还 能防止晶问腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变。锌铝合金的镁量很低，一般 不宜超过o 0 2 0 0 3 ，过高的镁量不但会降低合金的塑性和蠕变强度。 还会增加合金的热裂和冷裂敏感性。同时锌铝合金中的铜、镁还降低了合 金的阻尼性能【4 1 ， 锌合金中还不可避免地存在着铅、镉、锡和铁等微量杂质元素，其中 铅、镉和锡可引起锌合金的晶闻腐蚀，铁使合金的韧性大大下降。因此， 在应用中应严格控制锌合金中的杂质含量。 4 四川大学博士学位论文 1 2 3 锌铝合金的工程性能 锌铝合余具有良好的铸造工艺性能，对各种铸造方法的适应性强， 经热处理后可获得较好的室温综合性能，在几种锌铝合金中，z a 2 7 合金 表现出较高的抗拉强度和硬度。另外，锌合金具有良好的切削加工性，表 面精整性好，可进行电镀和阳极氧化处理。本文对这方面作籁要的概述。 铝是锌合金中的主要元素，共晶合金具有最好的流动性，常作为压 铸合金，但此合金的冲击强度较低。含铝高于5 的合金的抗拉强度随铝 含量的提高而增大，但铸造工艺对机械性能的影响很大，福山和g e r v a i s 等 4 1 对金属型铸造合金和c u 、m g 对高铝锌合金性能的影响的研究表明， 当a l 含量达到2 5 左右时，其拉伸强度最高，继续提高铝含量至5 0 ， 拉伸强度几乎不变，c u 和m g 有最佳的添加范围，并且在含铜的z n a l 的合金中加入m g 时，m g 与c u 也有一最佳的组合含量问题。另外，在合 金中加入b 、b - t i 或稀土通过细化晶粒可使机械性能得到改善，而铁使舍 命的延伸率显著下降p 1 。 在凝固条件对合金的性能影响方面，g e r v a i s l 4 发现适合于砂型铸造且 强度高的合金，其铝含量在2 0 3 0 ，而金属型铸造则为l l 。影响合 会凝固速度的因素会影响到合金的显微组织状态或枝晶臂间距( d a s ) ， 从而影响到拉仲强度【35 1 。可见金属型浇注时合金的强度较高。1 9 7 9 年开 始研究z a 合金压铸方面的问题，研究表明z a 2 7 的压铸件的性能与砂型 铸件非常相似，而z a 8 和z a l 2 通过压铸或挤压铸造后，硬度和强度大大 提高1 1 1 ti 2 l ，这是压力铸造使合金组织细化的结果。 z a 合金的组织是不稳定的，要使合盒的性能稳定，一般采取稳定化 处理，即铸件在9 5 或1 0 0 时效1 0 天。另一神方法是将铸件先进行高 温均匀化然后固溶处理再时效。稳定化处理后，合金的冲击强度可得到较 大的提高，而抗拉强度下降，一般延伸率只有少许提高f 4 l 。但当合金中有 其它元素时，情况变得复杂化，如在含c u l 3 以及少量m g 的z a 2 7 合金时效后，强度和延伸率均下降，不加铜时，时效后强度下降而延伸率 增大。 温度对z a 合金的性能是很重要的，z a 合会的强度和硬度随温度升 高而下降，而延伸率和冲击值则提高1 4 13 1 。一般认为，z a l 2 合金的使用 四川大学博士学位论文 温度不宜超过1 0 0 ，而z a 2 7 也不超过1 5 0 。 z a 共析合金处于超塑性状态时，具有微细等轴组织，而热处理后使 之具有层状组织时，这两种状态的疲劳特性有显著差别。对细晶下的超塑 性材料，室温下的疲劳曲线表明它与施加应力的频率有关，频率越高，疲 劳寿命越长。而有层状组织的合金，则旌加应力的频率对疲劳特性没有关 系，但显示出典型的s n 曲线1 4 j 。 6 0 年代开始，锌基合金就作为锡青铜的代用材料在机床业中广泛使 用，高锌铝合金的发展使得z a 合金在耐磨场合下的使用向前迈了一大步。 合金的磨损情况与载荷及速度有关，稆山正孝等【h 1 6 1 比较了不同铝含量 的z a 合金的磨损量随摩擦速度的变化，发现低速的磨损量大，高速的磨 损量小，而当摩擦速度进一步增大时，磨损量又急剧增大，总的趋势是铝 含量提高，磨损量减少。合金中添加铜时，耐磨性提高，表示了铜对合金 耐磨性的影响。另外硅有利于合金载荷能力的提高。稆山正孝还指出，少 量的s i 、m n 和t i 对z n a i c u 合金的耐磨性有改善，而加硅又加镁时， 改善作用最明显。z a l 2 和z a 2 7 是常使用的耐磨材料，z a 2 7 的使用温度 比z a l 2 要高。 近年来开发出了z a 高阻尼合金。早在7 0 年代，n u t a l l 【4 】就发现在细 小等轴晶的z a 2 2 中存在着非常强烈的机械振动衰减，而衰减率峰与超塑 性温度一致，因为超塑性状态都产生在晶粒相当细小的情况下，这自然使 人们将高的振动衰减水平与发生在晶粒边界上并引起蠕动的过程联系起 来。在理论领域，有很多人用内耗的方法来研究z a 合金的相变动力学， 如k a m e l 等人【4 “5 1 6 】详细地研究了共析的z a 合金相变过程中的衰减情况， 从而能够判断a 相的分解程度。镁、稀土、硼、钛和锆等能提高合金的阻 尼性能，同时可以看出，z a 合金的阻尼与其它性能有矛盾的地方，如淬 火态阻尼性能高，而力学性能低，为了改善耐蚀性，加入的镁降低阻尼性 能。可见，要用到实际中还有不少工作要做。 1 3 研究现状 为了改善和调整锌铝合金的使用性能，拓宽其应用领域，人们采用诸 6 四川i 大学博士学位论文 如合会化、变质、热处理、塑性变形等措施和技术对锌铝合金进行处理， 并取得了成效。 1 3 1 合金化与变质 锌铝合金中常用的合会化元素有铜帮镁，另外为了改善合金某一方面 的性能，常加入其他合金元素。在z n 2 7 a l 合金中加入一定量的s r 、l i 和s b ，可使合会的底缩缺陷得以消除，l i 还可改善力学性能【1 7 。9 1 。在锌 铝合金中加入2 一8 s i ，可以大大改善合金的耐磨性，而且长期时效下 的尺寸稳定性也得以提高【2 。n i 和m n 可提高锌铝合金的耐磨性和高温 性能，z n - 2 2 a 1 合金中加入m n 和b i 可提高合金的耐腐蚀性 2 h 。 为了改善合金的性能，还常加入晶粒细化剂，即变质剂。在合金中加 入稀土元素。可使铸态组织细化，强度和延伸率得到改善f 2 孙，阻尼性能提 高f 2 3 。n a 箍变质可使z n a 1 s i 合金中s i 的形态改变，提高了合金的力学 性能和耐磨性 2 4 1 。在锌铝合金加入t i 、z r 、t i + b 、t a 、v 等变质元素可 细化晶粒，显著提高塑性和韧性，也改善了合金的阻尼性能1 2 ”j 。 1 3 2 热处理对组织和性能的影响 锌铝合金铸件可以通过热处理调整性能。适当热处理可稳定组织，从 而改善z a 合金的尺寸稳定性田，文献 2 7 , 2 8 研究了过饱和z a 2 7 合金在自 然时效过程中的力学性能和阻尼性能变化规律证实合金经固溶处理并在 自然时效稳定后，可获得良好的力学性能和阻尼性能。文献 2 研究表 明，铸态z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 合金经9 5 。c 时效1 0 h 后强度分别下降2 0 、2 3 和1 5 z a 8 和z a l 2 延伸率增加l 倍，冲击强度分晃l j 下降5 5 和3 5 。文献r 2 9 研究了热处理工艺参数对z a 3 3 3 合金的力学性能 的影响表明合金经3 6 5 固溶化处理3h 水淬，再在l o o 下时效9 0 m i n 的热处理可获得最好的综合性能。固溶处理可提高z n 一3 7 5 a 1 2 5 c u 0 0 5 m g 合金的硬度，但后续的时效使硬度和电阻率下降，稳定化的 优选热处理工艺为3 7 5 下固溶化处理1 0 h 时，在i s 0 。c 下时效8h 【j u j 。文 献 3 1 】认为适当的固溶和水淬处理可提高锌铝合金的阻尼性能，同时抗拉 强度和硬度下降，延伸率上升。 四川大学博士学位论文 1 3 3 塑性变形 文献+ 3 2 3 引研究了锌铝合金经挤压后的组织，结果表明挤压可使初生 的树枝状富铝相细化，通过控制挤压温度可以控制合金的相组成。文献口4 ”3 报导了塑性成型对z a 2 7 合金力学性能的影响，对z a 2 7 合金进行均匀 化处理并经热挤压后，不仅可消除疏松，大幅度提高其综合性能，而且可 消除材料不同部位的性能差异。挤压还可提高锌铝合金的阻尼性能1 3 6 1 。 1 3 4 其他 为了提高和改善锌铝合金的性能，除了采取以上措施外，人们还从凝 固技术方面人手，研究和开发了新的凝固工艺，如：j y a m a s h i t a 等人【3 7 】 研究开发的倒砂型铸造法可有效地抑制微观疏松、晶粒长大和初生q 铝的 重力偏析，提高了厚壁锌基合金铸件的机械性能。施忠良1 3 8 l 把液态锌铝合 金与半固态过共晶铝硅合金混合，用搅拌和变质控制硅相的形态，从而制 备出了硅相分布均匀的、细小的颗粒硅增强锌铝合金复合材料，这是一种 良好的耐磨材料。杨留栓等人的研究表明口，当含有6 s i 的z a 2 7 合金 经喷雾沉积处理后，可使合金的尺寸稳定性提高，磨轴量和摩擦系数明显 减小，耐磨减摩性能优异。研究发现，增强颗粒( s i c 或a 1 2 0 3 ) 的加入 大大地提高了高铝锌合金的高温蠕变抗力，蠕变速率降低，蠕变激活能提 高。因材料承受载荷能有效地转移到增强的颗粒上，基体中位错密度较高， 且复合材料的内应力提高了位错滑移的门槛应力1 4 3 l 。 1 3 5 应用概况 根据铸造方法、性能和用途的不同，锌铝合金可分为压铸锌铝合金、 模具锌铝合金、超塑性锌铝合金和高强度锌铝合盒等。 ( 1 ) 压铸锌铝合金 美国开发的z a m a k 3 和z a m a k 5 合金的含铝量均在4 左右，属于亚 共晶合会。其成分与共晶点很接近，因此该合金的铸造性能良好、收缩率 低，切削加工性也较好，在压铸工业中得到了较大发展和广泛应用。 ( 2 ) 模具用锌铝合金 8 四川大学博士学位论文 模具用锌铝合金化学成分接近于z n a 1 c u 三元合金的共晶点。该合 会的主要优点是可采用铸造法制模，加工周期短，工艺简单，而且材料能 重熔回用，因而成本低，经济效益显著。锌合金最初用于制造飞机、汽车 行业的拉延模，后来应用范围不断扩展。几乎使用于各类模具制造之中【“ 4 0 1 。 ( 3 ) 超塑性锌铝合金 几乎所有典型成分的锌铝合金，如纯锌、共晶合余和共析合金，在一 定条件下均可表现出良好的超塑性能，其中z n 2 2 a 1 共析合金的超塑性 最好、应用最广、研究也最深入。具有等轴超细晶粒的z n a l 2 2 c u m g 合金 在2 0 0 3 0 0 下和适当的应变速率下拉伸时。可获愿高达1 5 0 0 的延伸率 阻引】，由于超塑性锌铝合金在一定条件的延伸率特别高，因此可以一次 成型形状复杂、尺寸精确、表面光洁的模腔和零件，可用于制造各种形状 复杂的模锻件和挤压件，此外还可用来制作各模具。 ( 4 ) 高强度锌铝合金 这类合金包括z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 合金系列。其中z a l 2 合金具有 良好的机械性能和耐磨性，并具有价廉、节能等优点，一经问世很快便开 拓了市场。z a 2 7 合金是在z a l 2 合金基础上开发出来的，具有比z a l 2 更好的机械性能j 耐磨性。z a 8 合金强度和硬度不如z a l 2 和z a 2 7 合金。 但合金的凝固温度区间窄、流动性好，是理想的铸造合金。这类合金随铝 含量增加，合金收缩率增大，密度降低延伸率、硬度、冲击值及抗蠕变 性增大，耐磨性提高。这类合金通常用重力铸造法生产铸件，广泛用于制 作轴承、各种管接头、滑轮以及各类受冲击和磨损的铸件。由于强度高、 铸造性好、导热性好、耐磨性好、成本低和工艺简便。从两成为部分银合 会、铝合金和铸铁件的良好代用品1 1 1 。同时，z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 合金是 对常规压铸锌基合金z a m a k 3 和z a m a k 5 的有益补充，在压铸上的应用日 益增多j 。 近年来，锌铝合金的阻尼及相关研究引起了人们的关注i t 2 啦8 j 酊。锌 铝合金是非磁性材料，本身具有高的阻尼性能，且阻尼性能不受磁场影响， 有利于电子器件及仪器仪表的减振降噪。锌铝合金密度中等，力学性能好， 具有良好的耐磨减摩特性，碰撞时不产生火花，因此可望用于大多数结构 9 四川大学博士学位论文 阻尼的场合，特别是某些有特殊环境要求的阻尼场合，如减振轴承，石油 贮运减振器等。 总之，锌铝合金以其优良的性能，较低的原材料成本和低的熔化能耗 受到了人们的重视，其研究和应用日益深人。我国铜资源短缺，锌、铝资 源丰富，因此大力研究特别是高温蠕变性能的研究和推广锌铝合金的应用 具有重要的经济意义。 1 4z a 合金高温强度及蠕变性能 高温结构材料在使用条件下。不论处于任何复杂状态，通常总是受到 应力的作用，因此表征高温下材料抵抗缓慢塑性变形能力的蠕变抗力，以 及抵抗断裂寿命为特征的持久强度便成为高温结构材料力学性能中最基 本的强度指标。与蠕变裂纹扩展密切有关的持久塑性指标在使用中也越来 越被人们重视。这种“强度”与“塑性”之间往往存在一定程度的矛盾， 而“强韧化”的方向则是使高温结构材料“强度”与“塑性”统一的途径， 也是合金设计及材料生产和使用中的重要问题。 严格来说，金属材料在应力长时间作用下产生缓慢的并与时间相关的 塑性变形可以在任何温度下产生。例如，纯铝在4 k 的低温条件下也可以 产生蠕变。然而，工程中的高温蠕变是指在高于o 5 t 镕温度下，材料承受 远低于屈服强度的应力并且随加载时间的延续而缓慢产生的塑性变形现 象。 1 4 1 蠕变变形规律的认识 通常以“蠕变曲线”来描述温度、应力、时间与蠕变变形量的关系。 根据变形速率随时间的变化，可以将蠕变曲线分为三个阶段：蠕变第( i ) 阶段，也称减速蠕变阶段；蠕变第( i i ) 阶段：在此阶段蠕变变形速率 随着加载时间的延续而保持恒定，故又称为恒定蠕变阶段。由于此阶段的 蠕变速率最小而且稳定，故亦称最小蠕变速率或稳态蠕变速率( 南) 。实际 上，工程合金在恒载荷蠕变时，最小蠕变速率并不是最低水平线段，而是 有微小变化的。因此也就出现一个稳态平均蠕变速率及最小蠕变速率等工 1 0 四川大学博士学位论文 程表示法；蠕变第( h i ) 阶段：随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加， 故亦称加速蠕变阶段。材料最终在此阶段产生蠕变断裂。 蠕变曲线不仅与温度和应力等外界条件有关。而且还直接受控于材 料内部的组织结构因素【4 ”。温度和应力对蠕变曲线的影响在不同的条件下 三个蠕变阶段所表现的情况各异，在强度和塑性良好配合的条件下，既具 有不高的蠕变速率，又具有良好的塑性，因而得到很长的蠕变断裂寿命， 这是实际使用中期望得到的一种典型“强韧化”材料。 上述蠕变及断裂过程中的三项重要指标( 最小蠕变速率e 。，断裂时间 t ，和蠕变量s ) 并不是互相孤立的，大量的实验统计得出，在不同类型的 合金中，稳态蠕变速率与断裂时间在双对数坐标上具有直线关系，即： t ，( 。) 。= b( 1 一1 ) 一般来说a 和b 对应力和温度是不敏感的，它是材料常数。通常a 值为o 7 7 o 9 3 。如果近似地将a 看作是1 ，此时b 是持久塑性的函数， 即稳态蠕变速率与持久断裂寿命的乘积是受控于持久塑性值的大小。当持 久塑性值6 ，一定时，蠡降低则t ，增加。在作新合金设计或老合金材质改 进时，可以在南几乎不变( 即蠕变强度不变) 的条件下，通过持久塑性的 改善来增长断裂寿命，这是一种行之有效的办法。 1 4 2 蠕变变形机构 蠕变变形的微观机构是与材料内部组织、结构的变化以及位错的组 念与行为密切相关的。如果在温度和应力长时间作用下的蠕变过程中仅有 形变而不伴随着有其它的相变，那么蠕变中的主要形变机构包括以下三 种：( 1 ) 滑移。在蠕变过程中的特点是：随羞温度升赢和形变速率降低，滑 移带变粗以及滑移带之间的间距增大，即滑移比较集中地产生在某些滑移 带地区。高温形变时由于滑移系统的增多，可以产生多滑移或交叉滑移。 纯铝在5 0 0 高温形变时就有交叉滑移现象1 4 封；( 2 ) 亚晶的形成，由于晶内 变形的不均匀性，大晶粒被形变交错组成的狭窄形变带分割成很多位相略 有差异的小晶粒。这个过程好象是一个晶粒的“碎化”，即形成亚晶1 4 引。 从位错的行为来说，滑移形变在碰到障碍物受阻时，由于蠕变时高温的作 用，具备扩散条件，位错可以攀移。在滑移面上塞积的位错可以通过攀移 四川大学博士学位论文 而按一定方位排列组成小角晶界，最后形成亚晶。奥氏体耐热钢在服役的 高温蠕变条件下产生亚晶组织就是一个实例【4 钔。在有第二相强化的合金蠕 变时，除了上述位错间的交互作用外，还有位错与第二相的交互作用。高 合金化的g h 2 2 0 镍基合金在8 5 0 。c 高温蠕变时，由于大量y 相对位错运 动的剧烈阻碍作用，可以清楚看到在￥相之间高密度的位错网络以及 部分位错切入相的迹象，以及位错在y7 相向前受阻而组成界面位错的典 型例子；( 3 ) 晶界的形变，在高温蠕变条件下晶界可通过晶界的滑移和迁 移参与形交，晶界变形量占蠕变总变形量的比例( 。，。) 是随着蠕变温 度的升高和形变速率的降低而增加，由于晶界在高温蠕变时参与形变以及 晶界本身对晶内位错在滑移面运动的机械阻碍作用。因此晶界附近的位错 组念显得非常复杂。如镍基合金在高温蠕变时，晶界附近位错的堆积和位 错缠结所显示的高密度位错网络 4 5 , 4 6 1 。 1 4 3 蠕变激活能 如果蠕变现象不在绝对零度附近进行。就可以把蠕变作为一个激活 过程，其蠕变速率e 应满足a r r h e n i u s 热激活方程1 4 4 4 6 1 ，即 = a e x p ( - q c r t ) ( 1 - 2 ) 式中，a 是与温度、应力和组织结构因素有关的特征常数泯为气体常数： t 为绝对温度：q 。即为蠕变激活能。蠕变激活能这个物理量是可以通过宏 观的蠕变试验来求出的。例如采用瞬变温度法，当试样在恒应力下蠕交 到某一定值时，很快的将温度由t l 改变t 到t 2 。若a t 不太大时，可 以认为温度瞬变前后结构并没有明显改变，而蠕变速率的变化全系改变温 度引起的。此时 ：j e x p ( q c r t i ) 2 2 e x p ( q c 瓜t 2 ) 则得出： q c = r t n ( e l 如) ，( 1 玎2 一i t 1 ) 用实验的方法测得高纯铝的蠕变激活能与温度的关系可以知，纯铝从低温 ( o 0 8 t 镕) 一直到高温( t 镕) 的激活能表现出三个区域：在低温区域7 8 2 5 0 k 0 5 t 镕一直到接近熔点温度，q c 是与温度无关的恒定值等于3 5 5 0 0 c a u m o t 。这个数值正好和纯铝的自扩散 激活能是相等的。进一步实验测定，当t 0 5 t 。时，不仅是铝，还有 很多其它金属也产生着蠕变激活能和自扩散激活能等值的现象【4 6 1 矧，如图 l 一4 所示。 壹t 巷簟口。，- 廿l ，m 味 图l 4 蠕变激活能与自扩敖激活能的关系4 6 删 f i g 1 一t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r e e pa q t i v ee n e r g y a n ds e l f ed i f f u s i o ne n e r g y 由于纯金属高温蠕变时蠕变激活铯与自扩散激活皂糯等，棍容易联 系到高温蠕变是与扩散型的形变机构或者说位错的扩散型移动过程密切 相关。然而在工业合会中并非如此简单，蠕变激活能往往比自扩散激活能 高1 3 倍，说明合金中的成分和多相组织结构的复杂因素会导致激活能 的升高和蠕变机构的复杂化。 1 , 4 4 蠕变速率方程 业已确立，在一定温度和应力条件下纯金属的稳态蠕变速率可以 用下式来表示1 4 j 6 】： 。= ao “e x p ( 一( x 很t )( 1 3 ) 四川大学博士学位论文 其中n 为应力指数，通常在3 5 之间；其它物理量的意义如前述。 然而。对于工程合金，由于具有复杂的多元成分和多相组织，故应力 指数n 往往大于3 5 ，甚至可以高达7 5 ，蠕变激活能也比自扩散激活能 高达2 3 倍。所以，为了对多元复杂技术合金的蠕变问题加以简化，而 把它作为纯金属来处理，只不过在蠕变速率方程中的应力项中再引入一项 oo ，并作数学处理，使n o _ - - - - - 4 ，即： s = a ( o oo ) “” 一q c r t 】( 1 4 ) 这样一来，应力项为( o oo ) ；同时n o 的值与纯金属类似，约为3 5 ： 而蠕变激活能亦与自扩散激活能的值接近。从表观来看，外加应力要消耗 一个内部的阻力oo 。而表现为( o ao ) 的“有效应力”，此时的蠕变速 率方程就可以按纯金属的简单办法来处理了。这个oo 有时称为背应力 ( b a c ks t r e s s ) 、内应力( i n t e r n a ls t r e s s ) 摩擦应力( f r i c t i o ns t r e s s ) 或阻力 ( r e s i s t i n gs t r e s s ) 。在纯金属中这个内应力可以理解为位错运动时形成 的三维位错网络对其的牵制应力和多晶体晶界对位错的阻力。在单相固溶 体合金中，可以是固溶强化因素对位错运动时的阻力( o 。) ，如合金元素 的加入引起堆垛层错能降低而造成的强化。在第- - - n 强化合金中表现为第 - - * h 对位错运动障碍( o 。) 而造成的种种强化机理。 从式( 1 4 ) 单纯的数学分析可见，当外加应力。等于背应力oo 时，蠕变速率为零。由此可见在蠕变试验时，逐步降低应力，达到长孕育 期蠕变应变量为零时即可求得oo 。 近年来，对工程合金综合考虑了除第二相强化外还有固溶强化的因 素，而得出稳态蠕变速率的方程为： = a ”( 1 - - k ) n o ( t ，- - t 3 p ) e 】“o e x p ( - - q j r t )( 1 5 ) 式中，k 是小于l 的固溶强化系数；o 。是由第二相强化而引起的背应力： e 是与温度有关的弹性模量；其它物理量同前述。此时，用蠕变速率与【( 1 - - k ) ( o o ，) 】愿作图，对于前述的高温合金不仅应力指数n 均为4 ，而 且都在一条综合的母线上y t 4 酣，说明这个综合的蠕变速率方程可以普遍适 用于各类合余。这里总的背应力考虑为由固溶强化引起的a 。和由第二相 强化引起的o 。两项，即： o0 = o s + od( 1 _ 6 ) 四川大学博士学位论文 从各类镍基合金中表征固溶强化特征的k 和o 。值以及表征第二相强 化特征的o 。值可以看出 4 6 “引。随着固溶强化程度的增加，k 值增大，相 应的o 。也增长，合金中第二强化相数量增加以及强化程度的增加也伴随 着使o 。值增高。由此可说明固溶强化和第二相强化对降低稳态蠕变速率 和提高蠕变强度的作用。 对于复合材料来说，由于具有较好的高温特性( 如纤维增强的铝基 复合材料) 1 4 9 其蠕变性能得到众多的研究者注意。许多研究发现，类似 于氧化弥散强化合金( o d s ) 及非连续增强m m c 显示出高的名义蠕变应 力指数和蠕变激活能。m i s h r a 和p a n d e y 【5 0 j 通过引入蠕变门槛应力( 相当 于oo ) 概念成功地解释了其高的应力指数和蠕变激活能的原因，同时认 为铝基复合材料的蠕变是点阵自扩散控制。复合材料的稳态蠕变机制主要