基于稀土元素Sc改性Al-Mg新型鋁合金的組織控制與強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、高性能鋁合金由于低密度、強(qiáng)度適中、高塑性、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能廣泛地應(yīng)用在食品包裝、化學(xué)加工等行業(yè)。然而，為了進(jìn)一步擴(kuò)大合金在航天航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用，合金需要具備更高的強(qiáng)度。而提高鋁合金強(qiáng)度的一個(gè)有效途徑是向合金中添加微量的Sc作為合金元素。
　　本文采用鑄錠冶金方法制備了不同Sc、Zr含量的Al-Mg-Sc-(Zr)合金。采用金相顯微鏡(OM)、電子背散射衍射(EBSD)、透射電子顯微鏡(TEM)和拉伸實(shí)驗(yàn)研究了Sc和

2、Sc、Zr復(fù)合合金化對(duì)Al-Mg合金組織與性能的影響;調(diào)查了Al-Mg-Sc和Al-Mg-Sc-Zr鑄態(tài)合金中初生粒子的外部形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與空間分布規(guī)律;探討了Sc和Sc、Zr在Al-Mg合金中的存在形式與作用機(jī)理。結(jié)果表明:
　　(1)在Al-5Mg合金添加微量的Sc可顯著改善合金的微觀組織。Sc添加量為0.2 wt.％時(shí)，合金細(xì)化效果不明顯;而當(dāng)Sc添加量增加至0.4 wt.％時(shí)，合金微觀組織由粗大樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，顯著

3、細(xì)化晶粒，其晶粒尺寸由259.1μm減至77.2μm;當(dāng)Sc含量繼續(xù)增至0.6 wt.％，合金得到進(jìn)一步細(xì)化，平均晶粒尺寸為50.3μm。Al-5Mg合金中Sc添加量分別為0.2 wt.％、0.4 wt.％、0.6 wt.％時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度增幅為4％、30％和40％，屈服強(qiáng)度增幅為18％、78％和111％，而塑性減幅為12％、33％和44％。當(dāng)Sc添加量為0.4 wt.％時(shí)，合金的綜合性能達(dá)到最佳，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性分

4、別為280.2 MPa、153.6 MPa和14.8％。
　　(2)Sc在Al-5Mg合金中主要以兩種形式存在:一是Sc添加量超過(guò)共晶點(diǎn)成分時(shí)（0.4 wt.％），合金在凝固過(guò)程中析出初生的Al3Sc顆粒;由于與基體α-Al相具有相同的晶體結(jié)構(gòu)（αAl=0.4050nm，αAl3Sc=0.4106nm）和一致的取向，位于晶粒內(nèi)和晶界處的初生粒子能夠有效地?cái)M制有害擴(kuò)散和作為α-Al基體的異質(zhì)形核核心，起到細(xì)化晶粒的作用。但是，并不是

5、所有的初生粒子都可以作為異質(zhì)核心。二是Sc含量未達(dá)到共晶點(diǎn)成分時(shí)，Sc主要固溶在基體中形成過(guò)飽和固溶體，在后續(xù)的熱加工處理中分解并析出大量的、彌散的次生Al3Sc沉淀相，這些與基體共格的Al3Sc粒子有效的釘扎位錯(cuò)，阻礙亞晶界的遷移與合并，對(duì)合金產(chǎn)生強(qiáng)烈的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效果。
　　(3)Al-Mg-Sc合金中析出的初生粒子在熔體中的氧化物上形核并且呈現(xiàn)“cellular-dendritic”模式生長(zhǎng)，即優(yōu)先在<111>方向生

6、長(zhǎng)形成樹(shù)枝晶的主干，然后在<110>和<100>方向生長(zhǎng)出二次枝晶和三次枝晶，最后由于元素的擴(kuò)散與偏聚而形成“Al3Sc+α-Al+A3Sc+…”多層結(jié)構(gòu)特征。
　　(4)基于EBSD分析結(jié)果引入了一種特殊的計(jì)算方法。通過(guò)這種方法計(jì)算出交截面分別為(100)、(110)、(111)的三個(gè)不同形貌顆粒在觀察面上的三個(gè)慣習(xí)面分別為(3，2，1)，(2，3，0)，(1，1，4)、(0，1，0)，(6，0，1)，(1，1，6)和(4，0，

7、1)，(0，4，1)，(1，1，4)。通過(guò)變換得出相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸分別為(3，2，1)，(2，3，0)，(1，1，4)、(2，0，3)，(0，1，0)，(3，0，2)和(3，1，4)，(3，1，2)，(0，3，1)。結(jié)果表明初生粒子呈現(xiàn)隨機(jī)分布，而不是簡(jiǎn)單的{100}、{110}或{111}面。
　　(5)0.2 wt.％ Sc和0.1 wt.％ Zr復(fù)合修飾Al-5Mg合金時(shí)產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化效果。合金中析出的初生粒子由于與基體α