（材料加工工程专业论文）合金元素对almgsi系铝合金组织及性能影响的研究.pdf

上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )中文摘要 摘要 a 1 m g s i 系铝合金作为6 0 0 0 系列挤压铝合金中重要的一种，具有良好的综合 性能，广泛应用于汽车工业，但铝合金本身的性能特点使其在应用中还存在一些 问题，如强度较低、耐热性能不高等。因此，有必要对a 1 m g - s i 系铝合金进行进 一步的研究。 本文在a 1 一m g s i 系铝合金成分的基础上，添加和调整m g 、s i 、c u 元素的含 量，制各出不同合金元素含量的合金。通过金相显微镜、电阻仪、透射电镜 ( h r t e m ) 、能谱分析( e d s ) 、扫描电镜( s e m ) 、x 一射线衍射( x r d ) 、电子万能 拉伸机和硬度计等一系列分析测试手段，研究了合金元素对显微组织、结晶相、 时效行为、力学性能的影响，从微观组织、强化机制、析出动力学、原子扩散角 度探讨其机理。 研究结果表明： 1 强化 l | m 9 2 s i 的溶解度与固溶温度有关。在相同固溶温度下，m g z s i 质量分 数大于1 2 时，不同成分的合金时效后的硬度相同。 2 添n c u 元素使a 1 一m g s i 系合金的硬度、强度及耐热性能提高，但对最大硬 度峰的出现时间没有影响。 3 在时效过程中，a i - m g s i 系合金电阻率先升高，达到峰值后降低，最后下 降缓慢，基本不变；而且合金元素含量的越多，合金的电阻率越高。a i m g s i 系合金中析出相对电阻率的影响程度为：g p 区 p ”相 p 相 p 相。 4 添加c u 元素后，a t - m g s i 系合金g p 区的形成提前；峰值强化相是b ”和q ； q 相为棒状物，横截面为3 n m x5 n m 的长方形，长度为5 0 n m 左右，点阵常数 a = 0 9 1 n m ，c = 0 4 4 9 n m 。 5 m n 元素强烈地钉扎合金中的亚晶界和位错，有效地阻止了合金亚晶界的迁 移与合并，稳定亚晶粒结构，抑制了合金的再结晶。 6 成分为a 1 0 7 5 s i 一0 7 7 m g 一0 6 2 c u 一0 6 m n ( w t ) 的1 2 号合金挤压后经固溶时效 处理的力学性能为抗拉强度6b 为4 4 6 m p a ，延伸率6 为1 3 5 6 ，高于典型的变形 铝合金6 0 6 1 经t 6 处理后的性能。 关键词：a 1 一m g - s i 系铝合金；m g z s ic u ；力学性能：电阻率：强化相 l 海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 英文摘要 a b s t r a c t a i m g s is e r i e sa l l o yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te x t r u s i o na l u m i n i u ma l l o y s t h e yh a v em a n ya d v a n t a g e sa n db e e nw i d e l yu s e di na u t o m o b i l ef i e l d h o w e v e r , s o m ep r o b l e m ss u c ha si o ws t r e n g t ha n dl o wh e a t r e s i s t a n ta b i l i t yh a m p e rt h e a p p l i c a t i o no fa l u m i n i u ma l l o y sf o ra u t om a t e r i a l s 。t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h ea 1 m g s ia l l o y sf u r t h e r i nt h i sp a p e r , s e v e r a ld i f f e r e n tn e w a l l o y sa r ed e s i g n e da n dp r e p a r e db a s e do nt h e c o n t e n t so fa 1 m g s ia l l o y t h ei n f l u e n c eo fa l l o yc o m p o s i t i o n so nm i c r o s t r u c t u r e a n da g i n gb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ya r ei n v e s t i g a t e d b yl o t so fa n a l y s i n g a n dt e s t i n gm e t h o d ss u c ha so p t i c a lm i c r o s c o p e 、r e s i s t i v i t yi n s t r u m e n t 、乃智n s m i s s i o n e l e c t r o n ( t e m ) 、 e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o c o p y ( e d s ) 、s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m l 、x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) b yh a r d n e s sm e a s u r e m e n t 、t e n s i l et e s t s t h em a i nr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es o l u b i l i t yo fm 9 2 s i ，t h em a i ns t r e n g t hp h a s e ，i sr e l a t e dt ot h es o l u t i o n t e m p e r a t u r e 。a st h eq u a n t i t yo f m 9 2 s ii so v e r1 2 ，i nt h es a m es o l u t i o nt e m p e r a t u r e ， t h eh a r d n e s si st h es a m ed e s p i t et h ed i f f e r e n tq u a n t i t ya d d i t i o n a lm 9 2 s ii na l l o y s f 2 1t h eh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ha n dh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t ya r ei m p r o v e da s a d d i n gc u ，b u tt h et i m eo fa g i n gp e a ki s n ta f f e c t e db yi t ( 3 ) d u r i n ga g i n g ，t h er e s i s t a n c eo f a l 一m g s ia l l o y si n c r e a s e sf i r s t ，t h e nd e c r e a s e s a n dr e m a i n ss t a b l ef i n a l l y t h er e s i s t a n c ev a l u ei si n c r e a s e db ya d d i n ge l e m e n t s t h e e f f e c to f p r e c i p i t a t i o n so nr e s i s t a n c ei s ：g pz o n e 3 ”p h a s e 1 3 p h a s e 1 3p h a s e ( 4 ) t h ef o r mo f g pz o n ei na i m g s ia l l o y si sa c c e l e r a t e db ya d d i n gc ue l e m e n t t h ep h a s ea tt h ea g i n gp e a ka r e1 3 ”a n dq q i st h er o ds h a p e ，2 0 n ml e n g t h ，a n dt h e c r o s ss e c t i o ni sr e c t a n g l e 。w h i c hc r y s t a ls t m c t u r ei sh e x a g o n a ls t r u t t u r e ，a n d1 3 ”a n d q h a v et h es a m ec o h e r e n c yr e l a t i o n s h i pw i t ha l - ( 5 ) m ne l e m e n tc a np i nu pt h ed i s l o c a t i o n sa n ds u b g r a i nb o u n d a r i e s ，a n di n h i b i t t h er e c r y s t a l l i z a t i o no f a l m g s id u r i n gh o te x t r u s i o n ( 6 1 a f t e re x t r u s i o na n dh e a t t r e a t m e n t ， a l l o y 1 2 c o m p o s e d o f a 1 0 7 5 s i 0 6 2 c u 一0 ，6 m n ( w t 1h a v eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t yt h a n6 0 6 1a l l o y a f t e rt 6t r e s a t m e n t w h o s et e n s i l es t r e n g t hobi s4 4 6 m p aa n dd u c t i l i t y6i s13 5 6 k e yw o r d s ：a i - m g - s ia l l o y s ；m 9 2 s i ；c u ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；r e s i s t a n c e ；s t r e n g t h p r e c i p i t a t i o n i i 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) 日期：兰竺鳗! 兰：兰矿 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究a i - m g s i 系铝合金的意义 a i m g s i 系铝合金属： ：- 6 0 0 0 系列，它是一类中高强度铝合金，具有一系列宝 贵的综合性能：良好的耐蚀性能、工艺性能和足够高的韧性，可进行阳极氧化着 色，涂瓷漆和珐i 良，被广泛的用作结构材料和装饰材料。该合金在热状态下的塑 性很高，可用来制造结构复杂的、薄壁中空的挤压半成品，也可以进行模锻、拉 伸、深冲和各种变形程度很大的操作。它用在要求具有中等强度、良好的工艺性 能、耐蚀性能和作装饰外观用的各个工业部门。它作为挤压合金可广泛用于汽车 工业、建筑及交通行业m 】。 近年来，铝合金在汽车工业方面的应用越来越广，这是因为能源、环境和安 全是当今世界各国极为关注的三大问题，汽车工业的发展和汽车应用的普及同这 三大问题密切相关。减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之 一，据统计，汽车每减重1 0 ，油耗可降低6 8 3 。车身质量占汽车总质量 的3 0 4 0 ，因此车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。轿车 轻量化的途径有两种：一是优化结构设计，二是采用轻质材料。其中轻质材料在 汽车上应用是实现汽车轻量化的重要途径。铝合金以优良的特性和高的材料再生 性，在汽车行业上获得广泛应用，并成为制造汽车的重要材料。铝合金板材具有 重量轻、强度高、耐蚀性好的特点。达到同样的力学性能指标，铝比钢轻4 7 t ”。 仅在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使车身减重约4 0 5 0 。可观 的减重效果是铝合金材料的突出优点，汽车自重降低必将带来能耗的下降。另外， 承受同样冲击，铝板比钢板多吸收冲击能5 0 。 采用铝合金能有效地降低车身重量，因此铝合金板材主要用于车的顶盖，铝 合金挤压材料除用作底盘外，铸锻材还可用作骨架材，其使用量正在增加。最近 已批量生产的全铝合金汽车奥迪a 2 采用了空间构架结构，有效地使用了铝合金 板材、挤压材和铸造材。这样，除了可以减少汽车的零部件数量外，还采用了与 批量生产相符的各种技术，因此格外引人关注。 铝有丰富的资源，从地壳中元素含量来看，以质量百分比计算，在氧、硅之 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 后，铝占第三位( 8 1 ) ，明显地超过占5 o 的铁。随着电力工业的发展和冶炼方 法的革新，铝产量的增大和成本的下降应为期不远。汽车铝化成了2 l 世纪的世界 性课题。1 9 9 2 年，美国铝业协会的一份报告称，如果目前出厂的小轿车的零部件， 凡是可用铝合金制造的都用其代替，那么每辆车的平均用铝量将达4 5 4 k g 【5 】。从 减重节能、保护环境、提高汽车行驶性能、安全可靠性及美观性来看，铝合金是 满足未来汽车轻量化、耐久性和抗冲击最具吸引力的材料。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 当前研究和使用的汽车用铝合金主要有a 1 c u m g ( 2 0 0 0 ) 系，如美国的2 0 3 6 ， 法国的c p 4 8 3 ，日本的c v 5 ；a i - m g ( 5 0 0 0 ) ：系，如美国的5 1 8 2 ，德国的a i m 9 5 ，日 本的g z 4 5 ，g c 4 5 年 i g c1 5 0 等；a 1 m g - s i ( 6 0 0 0 ) 系，如美国的6 0 0 9 和6 0 1 0 ，日本 的g v1 0 等【6 。当前的许多汽车车身板用铝合金在某些关键性能方面能够提供优 良的性能，比如成形性、强度和抗蚀性等。 2 0 0 0 系铝合金具有良好的锻造性、高强度及焊接性能好等特点。其强化相为 c u m g a l 2 ( s 相) 。由于2 0 0 0 系合金是一种热处理强化合金，因此具有烘烤强化效 应，但其抗蚀性不如其他工业铝合金。 5 0 0 0 系铝合金中在强度、成形性和抗腐蚀性等方面具有优异的性能，可用于 汽车内板等形状复杂的部位。但由于该系铝合金的固溶强化作用会产生两个明显 的缺点：延迟屈服和勒德斯线。另外，当晶粒尺寸大于l o o p m 时，板材易出现桔 皮效应，并且与6 0 0 0 系相比，该系合金在烤漆退火后其屈服强度下降，而6 0 0 0 系合金的屈服强度上升【”。 由于2 0 0 0 系的抗蚀性，5 0 0 0 系的勒德斯线和桔皮效应都不尽人意，所以6 0 0 0 系合金受到了关注【8 1 。6 0 0 0 系合金具有强度和塑性的良好结合，综合性能优良。 6 0 0 0 系合金是可热处理强化合金，在冲压成形后经油漆烘烤，性能可进一步提高， 而且合金板材还可以直接利用原有的模具和生产线来加工。 日本过去主要以5 0 0 0 系的合金为基础开发满足轿车用铝合金，但存在强度 不足的问题，且产生滑移线痕，影响表面质量。因此日本曾通过调整微量元素含 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 量、控制加工过程及进行适当的热处理等提高成形性；在不降低成形性的前提下， 加入适量的c u ，提高台金的强度，保证涂装烤漆处理时不软化，使合金具有最 好的成形性和抗蚀性。但近来日本也开始转向开发6 0 0 0 系汽车用铝合金。 韩国在开发轿车用铝合金方面进行了广泛的研究，并申请了专利，例盘1 1 9 9 年南韩开发了一种含0 1 c r 和0 0 5 b e 的a 1 0 8 m g 1 0 s i ( w 慨) 合金，采用1 2 0 4 h + 1 8 0 0 5 h 的双级时效处理，可获得良好的烘烤硬化性和成形性。 北美主要使用含c u 量高的6 1 1 1 系合金，还开发了抗蚀性更好的6 0 2 2 合金。 另外，欧洲主要使用含c u 量低的6 0 1 6 合金。6 0 6 1 在制造汽车车身和关键受力件 中也颇受汽车制造商的欢迎。 1 2 2 国内发展现状 6 0 0 0 系列铝合金适宜制造汽车底盘中的转向节、摇臂、控制臂等关键汽车 零部件和车身、动力传动框架、发动机托架等结构件。我国的汽车工业近年来有 了很大发展。为加强产品在国际市场上的竞争能力，急需开发我国的汽车用铝合 金。我国6 0 0 0 系铝台金汽车用铝合金材料的研究处于起步阶段，因此进行汽车 用6 0 0 0 系铝合金的研究是很有必要的。而且，国产汽车用铝合金的比例与国外 汽车相比还有很大的差距，因此铝合金在国产汽车上的应用有非常大的潜力。东 北轻合金加工厂曾试产过轿车车门用5 0 0 0 系铝合金，用于汽车车身，假其强度 和抗凹陷性不能满足要求。西南铝加工厂现有一条1 + 1 铝板带热粗精轧生产线 ( 工作辊宽度为2 8 0 0 m m ) ，并具有良好的高精深冲板材的生产条件和生产6 0 0 0 系合金的经验，该厂( 1 + 4 ) 热连轧的升级设备已达到世界先进水平。但整体铝合 金在汽车中的应用还远远不及国外的情况，所以继续深入研究6 0 0 0 系汽车用铝 合金具有十分重要的意义。 1 3 合金的强化原理与方法 合理利用金属材料，充分挖掘材料潜力，必须运用各种强化手段提高材料的 承载能力，使同样截面尺寸的结构能承受较大的载荷，或使承受同样载荷的结构 更加紧凑、轻巧。各种工程结构和机械零件都是在承受一定外力形式下服役的， 材料的力学性能表现为抵抗外力的能力。强度是重要的力学性能之一。由于材料 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 的强度容易测定，便于计算，常常作为零件设计的主要依据。强度反映了材料抵 抗塑性变形的抗力，而塑性变形又是位错运动的结果。凡是阻碍位错运动的各种 障碍，都能达到强化材料的目的。强化金属材料的基本方向是：降低位错密度， 制成几乎不含位错的完整晶体；增加位错密度，造成尽可能多的位错运动阻碍 口。固溶体中外来原子引起的晶格畸变、冷塑性变形、晶界、第二相沉淀等都 能起到位错阻碍作用。结合多元合金的凝固特性，在合金组织中造成尽可能多的 位错运动阻碍，这是目前用于强化多元金属合金材料的主要方向。 1 4 合金元素的设计和控制 合金成分的设计和控制是一个比较复杂的问题，每一个合金组元在合金中的 行为特征相互制约，同时又受加工工艺的影响。合金的化学成分包括三部分：1 主要组元及其配比；2 杂质及其比例；3 微量元素。 a 1 一m g - s i 系铝合金的主要合金元素是镁与硅，并形成m 9 2 s i 相。牌号为5 1 s ( o 6 m g 、l s i ) 的第一个工业合金就是苏联人杰夫里斯和阿尔契尔【9 】于1 9 2 3 年在美国获得专利权的( 美国专利n o 1 4 7 2 7 3 ，1 9 2 3 年) 。它属于a 1 一m g s i 系合 金，强化相是m 9 2 s i 。 为了满足结构功能材料及制造业的需求，a l u m i n i u mp e c h i n e ya n dc e g e d u r p e c h i n e y 公司研制开发了三种新型合金：g p 6 0 0 5 0 2 ( a a 6 0 0 5 a ) ，g p 6 3 5 1 5 1 ( a a6 3 5 1 ) ，g p 6 0 8 2 5 0 ( a a 6 0 8 2a n d6 3 5 1 ) ”j 。考虑到在交通工业及工程结构方 面对高强度合金性能的要求，具有高含量的m 9 2 s i 及过量s i 含量的合金沿着两 科，不同方向发展：1 如6 0 0 5 及6 1 8 1 合金，除了m g 、s i 外，没有其它添加元素， 这类合金具有优异的挤压性能和淬火性能，但是强度中等，不适于用作结构工程 合金：2 合金6 0 6 1 、6 2 6 1 、6 3 5 l 和6 0 8 2 ，它们都含有一定量的铬或锰，由此形 成的金属间化合物对强度很有利，但是对压力下的挤压和淬火性能不利。 为推动6 0 0 0 系铝合金板材在轿车车身构件上的广泛应用，今后合金发展方 向主要是：1 、提供非常好的挤压性能和淬火性能；2 、提供高的机械性能，如较 高的强度、良好的成形行、焊接性能、疲劳强度和耐腐蚀性能等。 4 l 海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 1 5a i - m g s i 系铝合金的析出过程 一般认为平衡的a 1 一m g - s i 合金的人工时效机理的过程为：g p 区针状 m 9 2 s i 非平衡相棒状m 9 2 s i 非平衡相片状平衡m 9 2 s i 平衡相。d u t t a 和 a l l e n 的研究表明a 1 m g s i 合金的时效析出过程是：s i 原子簇g p i 区 g p 1 1 区p ”p p ( m 9 2 s i ) 。但是，在时效初期原子团聚过程、d ” 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 1 , 1 2 1 。随后，e d w a r d 研究表明，a i m g s i 合金析 出过程为：铝基固溶体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p ”p 和b ”p ( m 9 2 s i ) 。并且在m g s i 、微小析出颗粒、 p 和p ”中，m g ：s i 原子比都接近l 。所形成的g p i 区为无独立晶格结构的 球状物，p ”为有序结构，是最主要的强化相，它是沿 a l 方向的细针状析出 物，具有单斜晶格】。一般d ”相的体积分数随着合金化学成分和时效条件而改 变。列于合适的成分和时效条件，合金中可以只析出p ”柑1 5 】。p 是沿着 a l 方向析出的杆状物，具有六边形结构【埔】，平衡相b 相是在 1 0 0 ) a i 上形成的片 状物，为面心立方结构0 1 6 , 1 7 。它对a 1 一m g s i 合金的强度几乎没有什么贡献【1 7 1 。 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： ( 1 ) 弥散相b ”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p 相长大而成的稳定相，多聚集于晶界和枝晶界。 综合以上报道可见，有关6 0 0 0 系合金的研究很多，虽然合金的大体时效过程 和析出物的观点是一致的，但由于析出顺序具有复杂性和组织的细微性，对各个 合金的具体详细的析出过程和组织却持有不同的观点，仍有待于继续深入的研 究。 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 1 6 合金元素在a i m g s i 系合金中的作用 1 6 1 镁元素 m g 对铝的强化作用很明显。在a i m g s i 合金中，合金初始硬度与m 9 2 s i 溶质原子集团的硬化作用有关。m g 与s i 形成大量的溶质原子集团而使初始硬度 提高i 】。所以在含有较高硅含量的同时必须有足够多的镁。过剩镁的存在能显 著降低m 9 2 s i 在固态铝中的溶解度 1 ，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点【2 0 ：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 6 2 硅元素 当镁含量一定时，a 1 一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 i m g s i 合金的抗拉强度随镁含量的增加而提高，但其 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 1 一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 i 型三元相，降低f e 元 素的不良作用。 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【2 ”。 研究表明【】”，增大s i 含量能提高s i 析出物及b 相的析出密度，达到更高水 平的强化效果，在工业生产中，烤漆过程相当于合金的初期时效阶段，在此过程 中，增加s i 含量可以提高合金的初始硬度，即提高合金的烤漆硬化性。 1 6 3 锰元素 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。 上坶大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 第一，它能阻值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 了阶段锰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 2 2 。 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a l 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，另一重要作用是能融解杂质铁，形成a 6 ( f e 、m n ) ，减小铁的 有害影响。同时a 1 6 m n 的电极电位与铝的电极电位相等( 一0 8 5 v ) ，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。 1 6 4 铜元素 c u 是铝合金中重要的合金化元素，有一定的固溶强化作用。但铜元素的存 在会增加合金的晶间腐蚀倾向。m 9 2 s i 含量高的合金会发生时效滞后现象，即停 放效应，微量的铜能降低自然时效速度，从而减轻停放效应的不良影响【2 4 1 。早 期的研究表明，添加微量铜的强化作用是由于添加铜后生成了s 和07 析出物 1 6 , 2 5 1 。另外一种在a 1 一m g s i c u 合金中发现的沉淀是q 相，它在a a 6 0 2 2 等合金 中均有发现【2 ，具有六边形结构，q 相是q 相的先驱相，具有强化作用。q 相 的分子式被不同的学者定义为a 1 5 c u m 9 4 s i 4 、a 1 4 c u m 9 5 s h 、a 1 4 c u 2 m 9 8 s i 6 等1 2 7 。 具有代表性的挤压用铝合金化学成分如表l 一2 所示。 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 表1 1 代表性的挤压用a i - m g - s i 系合金的化学成分 合金s if ec um n m g c rt i m 9 2 s i 过剩s i 6 0 0 5 ao5 09 0 - 3 50 3 00 5 0 *0 4 0 7 0 3 0 *o 1 0o 8 70 3 8 6 0 0 507 50 _ 3 5 o 5 0o 1 00 7 90 2 9 6 0 1307 50 3 0o 9 0o 3 5o 9 50 9 50 - 3 0 6 0 6 10 4 0 8o 7 0o 1 5 040 1 5o 8 0 1 200 8o 1 51 5 80 0 2 6 0 6 3o2 06o3 50 1 001 00 4 5 0901 00 1 01 0 70 0 l 6 3 5 lo 7 1 3o 5 0o 1 00 4 0 80 4 0 8 o2 00 9 50 6 5 6 1 6 10 6 1 21 oo 3 5o 2 00 4 5 0 8o 1 5 o 3 5o 1 50 9 9o 5 5 6 2 6 2o 4 o 80 1 5 ，o 4o 1 50 8 1 20 0 4 0 1 40 1 51 5 80 0 2 6 1 0 1o2 一o7o 5o 1 0o 0 3o _ 3 5 o _ 8 0 0 609 lo 1 5 注： m n 十c r o 1 2 0 5 1 7 电阻的影响因素 电阻是金属材料的重要物理性能，它是对材料成分，组织和结构极其敏感的 电参数，能灵敏的反映材料内部的微弱变化。电阻测量法是一种很灵敏、方便的 方法，可以用来研究材料的成分、结构和组织变化，它可用于许多问题的研究， 诸如：研究合金的时效过程1 2 8 】；测定固溶体的溶解度曲线；研究合金有序无 序转变；以及研究马氏体转变等。 经典的电子理论观点认为，金属电阻的产生是由于其中的自由电子在外电场 的作用下定向运动时与点阵结点离子相碰撞的结果。量子力学建立后，对电阻的 特性又有了重新的认识，认为金属的电阻取决于有效电子数和电子的散射几率， 它与前者成反比，与后者成正比。任何晶格缺陷都会阻碍电子的运动，使它们反 射或折射，电阻增加。 影响电阻的因素有很多，比如温度、应力、形变以及合金元素和相结构等。 1 温度的影响。在理想完整的晶体中，电子的散射只取决于温度所造成的 点阵动畸变，即金属的电阻取决于离子的热振动。当温度高于得拜温度时，纯金 属的电阻与温度成正比。金属熔化时，由于点阵规律性遭到破坏及原子间结合力 的变化，熔点( t 。) 液态金属的电阻比固态约大一倍。温度对有效电子和电子 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 平均速度几乎没有影响，因为在熔点以下费密能和费密分布受温度的影响很小。 而随着温度的升高，会使离子振动加剧、热振动振幅加大，原子的无序度增加， 周期势场的涨落也加大。这些因素都是电子运动的自由程减小，散射几率增大而 导致电阻率增大。 2 应力的影响。单向拉应力，能使原子间的距离增大，点阵的动畸变增大， 由此导致金属的电阻增大。电阻率与应力之间有如下的关系：p t ：p o ( 1 + a t a ) 。由 于压力能使原子间距变小，点阵动畸变减小，大多数金属在三向压力( 低于 1 2 0 0 m p a ) 的作用下，电阻率都下降，压力与电阻的影响恰好与拉应力相反。 3 塑性形变的影响。形变使点阵产生缺陷和畸变，导致电子波的散射增强， 因此，金属经过塑性形变电阻增大；此外，冷加工也可能引起原子间的结合性质 发生变化，从而对电阻产生影响。金属加工硬化后的电阻率：p = p o + a p 。 4 合金元素及相结构的影响。合金元素引起原子间结合性质的变化和组织、 结构状态使电阻产生影响。形成固溶体合金时，一般的表现是电阻增高溶剂的点 阵受溶质原子的影响发生静畸变，从而增大了电子波的散射。另一方面，电阻的 增高还与组元之间的化学作用有关。在二元合金所形成的连续固溶体中，电阻的 增大和成分之间呈曲线关系，通常，在等于5 0 处出现极大值【3 ”。 5 固溶体有序化的影响。异类原子使点阵的周期场遭到破坏而使电阻增大， 而固溶体的有序化则有利于改善离子电场的规整性，从而减少电子的散射。有序 化使组元之间化学作用加强，导致传导电子数目减少。在上述两种相反作用的影 响下，电场对称性增加使电阻下降起着主要作用，所以有序化表现是电阻降低。 1 8 本课题研究目的和内容 国外用铝合金代替钢材作为汽车用材料虽然已经有所成功，但铝合金本身的 性能特点使其在应用中还存在一些问题。例如，强度、冲压性能比钢板低，价格 却高于钢板，因而其使用受到限制。有些铝合金属于中高强度，但耐热性能却不 尽人意。所以，有必要对a 1 m g - s i 系铝合金进行进一步的研究。 化学成分，原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材料性能的内在基本 因素。“组织”包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相 对分布。“结构”是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结构和组织 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第一章绪论 三者既相互区别，又相互渗透，并分别在不同程度上相互制约着，它们的综合作 用决定了金属材料的性能，而化学成分是基础。在合金中添加微量的合金元素可 以显著的影响合金的组织和性能，这也是金属材料研究工作者的主要方向之一。 如前所述，虽然已有不少学者对a 1 m g s i 系铝合金的微合金化进行研究，但 是合金元素在其中的存在形式和作用机理还不是很清楚，有些观点的分歧仍然很 大。本研究从材料强韧化的角度出发，根据相图，在a i m g s i 系铝合金成分的基 础上，通过添加和调整m g 、s i 、c u 元素的含量，改善和提高合金性能，找至j j m g 、 s i 并1 c u 含量的最佳组合。通过金相组织观察、电阻测量和扫描电镜能谱分析以及 硬度、拉伸实验，研究合金元素对显微组织、结晶相、时效行为、力学性能的影 响，从微观组织、强化机制、析出动力学、原子扩散角度探讨其机理，试图通过 解析一些试验现象来探讨合金元素在a i m g s i 系铝合金中的作用，希望能对生产 具有指导性的意义。 整个试验研究分为三个阶段。 第一阶段：根据相图，选择一系列合金元素成分，浇铸，锻压，并掌握合金 元素对a i m g s i 系铝合金性能的基本规律； 第二阶段：根据第一阶段的结果，选取成分优化合金，连铸，挤压，并测定 综合力学性能： 第三阶段：选取特征成分，进行微观组织研究，并探讨析出相的强化过程。 1 0 上海丈学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第二章试验方法及设各 第二章试验方法及设备 2 1 材料制备 2 1 1 合金成分设计 a i m g s i 系合金是可热处理强化变形铝合金中耐蚀性最好的合金，同时具有 良好的韧性和锻造性能以及中等的强度，约在3 0 0 m p a 左右，所以a 1 m g s i 合金 是一个具有强度、韧性，加工性能和耐蚀性能以及装饰性能良好配合的合金。其 牌号3 l i l d 3 1 ( 美6 0 6 3 ) ，l d 3 0 ( 美6 0 6 1 ) ，前苏联这一系列合金的代表牌号为a b 。 a i m g s i 系合金的主要合金元素是镁与硅，并形成合金中唯一的强化相 m 9 2 s i 。在理想状态下，m g 与s i 按1 7 3 ：1 结合成m 9 2 s i ，为了获得一定量的m 9 2 s i 强化相，应控制好合金中镁与硅的含量。但实际上，在合金的配比中，不可能使 m g 、s i 含量之比达到理想的1 7 3 ：1 ，而且还会不可避免地存在其它元素，必须 要有过剩的s i 以补充s i 的损失。 a i m g s i 系合金的腐蚀特性是没有晶间腐蚀倾向和应力腐蚀倾向，也没有剥 蚀倾向，主要腐蚀形式是点蚀。这首先是由它的组织特征决定的。以晶间腐蚀为 例，强化相m 9 2 s i 的电位比a a 1 更负。m 9 2 s i 是阳极相。在时效过程中，m 9 2 s i 在 晶内和晶界析出，而且优先在晶界析出，应该说合金具有产生晶间腐蚀的条件， 但是由于m 9 2 s i 在0 【a 1 中的溶解度较少( 1 8 5 ) ，不能在晶间构成连续的阳极链状 通道，所以a 1 m g s i 合金没有晶间腐蚀倾向。 合金中加入0 2 5 0 6 0 时m n 可以优化合金强度性能。6 0 1 3 合金中，m n 有两种不同类型的含锰相：一种在液固转变时形成，而另一种在固固转变时形成。 在液相中形成的粗大的锰相为c c 固溶体，而经固固转变形成的为弥散相，尺寸 ( 0 1 0 3 岬) 要小得多，该弥散相对6 0 1 3 合金的再结晶极为有利，因为它在再结晶 退火过程中阻碍了晶界的移动1 。 配比合金时先设定m 9 2 s i 的含量，计算出所需镁和平衡态硅的质量分数，再 加上过量的硅含量，就可以得出硅元素的总含量。m g z s i 的量一经确定，m g 含量 可按下式计算：m g = ( 1 7 3 x m 9 2 s i ) 2 7 3 。由于m g 是易燃金属，熔炼操作时会 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第二章试验方法及设备 有烧损。在确定m g 的控制范围时还要考虑烧损所带来的误差，但不能放得太宽， 以免合金性能失控，约为1 0 左右。s i 的数量应使合金中所有的m g 都以m 9 2 s i 相的形式存在，以确保m g 的作用得到充分的发挥。m g 的范围确定后，基本的s i 含量的控制范围可用m g s i = 1 7 3 来确定，再加上过, j s i 的含量，就可以算出s i 的 总量。 以a 1 一m g s i 系合金为基础，对台金成分进行一定的调整，初步设计合金成 分如表2 1 所示： 表2 1 设计a i - m g - s i 系合金成分 威分 m 9 2 s im g s i m na l m g ，s i 序号 l0o0 3 0 69 9 1 0 20 50 3 20 4 80 69 8 60 6 7 3l ，oo6 3o 6 60 69 8 10 9 5 41 40 8 9o 8 1o 69 7 71 1 0 51 61 o lo 8 9o 69 7 5l1 4 61 81 1 40 9 60 6 9 731 1 9 2 1 2 试验用材料及设备 1 原材料 纯铝、纯镁、a i 9 1 5 m n 合金及a l 1 2 s i 合金、纯铜 2 主要设备： 1 ) 铸造设备：石墨坩埚，坩埚式电阻炉( s g 一7 5 1 0 ) ，金属铸模 2 ) 锻造和挤压设备：四柱万能液压机( y e 3 2 1 0 0 ) ，垂直连铸机，卧式油压机 3 ) 热处理设备：盐浴炉( s g 5 1 2 ) ，干燥箱( 1 0 1 a 1 ) ，镍铬一镍硅热电偶，直 流电位差计( u j 3 7 ) 4 ) 力学性能测试设备：布氏硬度机( h b 3 0 0 0 ) ，微电子控制万能试验机( c m t 5 3 0 5 ) 5 ) 金相组织分析设备：金相试样抛光机( p 2 ) 和预磨机( m 2 ) ，n i k o n 光学显 微镜( l 一1 5 0 ) 和数码相机，s e m 扫描电镜( j s m 一6 7 0 0 f ) ，h r t e m 透射电镜 ( j e m 2 0 1 0 f ) ，x 射线衍射仪( d m a x 一2 5 5 0 ) 3 辅助工具：热电偶、天平、搅拌勺、夹钳、干燥器、游标卡尺等。 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章试验方法及设备 2 2 试验方法 2 2 1 工艺路线 为了合理设计a i m g - s i 系铝合金的成分，本课题先设计了一系列合金进行 小范围的浇铸锻压试验，得出基本规律后，选择其中的合金成分进行连铸、挤压 试验，再进一步进行微观测试。试验研究的工艺路线如图2 1 所示。 2 2 2 铸造工艺 图2 1 工艺路线图 熔炼前的准备工作如下： ( 1 ) 烘烤坩埚 在石墨坩埚使用前，应仔细检查有无裂纹、变形、卷曲等缺陷，并按相关工 艺进行烘烤、备用。 ( 2 ) 涂料配制 模具工具涂料的配制：1 0 氧化锌，1 0 水玻璃，8 0 水 涂料的配制工艺：先把水玻璃溶解于温水中，然后把干混均匀的耐火粉料加 入，再搅拌均匀。 【：海人学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章试验方法及设备 ( 3 ) 配料计算 配料时，采用下列公式计算： 形： 些坐 ( 2 1 ) ( 1 一b ，) c i ，= 一彬 ( 2 2 ) i = 1 式中：w i 配入某原材料的重量( 除了原材料铝锭) w 。】加入铝锭的质量 w 熔炼合金配入总重量 a 合金中某元素的含量 b i 熔炼时某元素的烧损率 c ，原材料中某元素的含量 但在实际配比中，使用了a 1 s i 及a i m n 中间合金，所以计算方法有所改变， 如下所示： 配比试验所用材料的计算方法如下，以设计m 9 2 s i 成分为0 ，0 5 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 等成分的合金为例： 设所需材料总量为mh ；a i ：9 9 1 m ；一根棒的重量估计为：2 3 0 9 ，一 次氧化皮估计为：4 6 9