（材料物理与化学专业论文）微量钪和锆对almgmn合金组织性能的影响.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 弋气| 蝎净、， q 、 采用铸锭冶金法制备了六种不同镁含量的 订g m n 和m g h 血s c 盈合金，通过室温拉伸、硬度测试、电导率测定、金相分析、t e m 等方法研究了微量钪和锆对上述合金力学性能、导电性能及其组织结构的 ，影响和变化规律，并从理论上进行了分析和解释。研究结果表明： 1 a 1 6 m g 蛐1 s c z r 铸态合金在均匀化退火时有硬化现象，硬度变化的 原因是凝固过程形成的含钪锆过饱和固溶体发生分解，析出的 a 1 3 ( s c ，z r ) 粒子导致合金硬度的增加。电导率随退火温度的升高而增加， 随保温的时间延长而增加。电导率的增加是含钪锆过饱和固溶体的分 解形成弥散型的复相结构。6 m g m 小s c z r 合金铸锭的最佳均匀化 退火温度为3 0 0 3 5 0 ，退火时间6 8 小时。 2 微量s c 和z r 加入到a l m 廿m h 合金中，合金在凝固过程中析出的初 生a 1 3 ( s c ，z r ) 质点，成为有效的非均质晶核，大大细化了合金的晶粒。 赳一6 m g h 锄一s c z r 合金在均匀化退火过程中析出次生a 1 3 ( s c 乃) 质点， 强烈钉扎位错和亚晶界，抑制了合金热轧过程的动态再结晶。 3 。舢- m g 砒卜s c z r 合金的强化包括m g 的固溶强化、添加微量钪和锆对 合金铸锭产生的细晶强化和次生a l ，( s c ，z r ) 粒子在合金中引起的弥散析 出强化以及加工过程中产生的亚结构强化。 4 添加微量s c 和z r 能显著提高舢m 刚垤1 合金冷轧后的再结晶温度， 再结晶起始温度提高1 2 0 左右。s c 、z r 联合添加形成的二次铝化物 a 1 3 ( s c ，z r ) 对位错和亚晶界具有强烈地钉扎作用，阻碍再结晶的形核， 从而有效地抑制再结晶。 关键词：钪，锆，a l - m g - m n 合金，力学性能，显微组织，强化机制，再结晶 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i xl ( i n d so fa l m 争m na 1 1 da l - m g - m i l s c z ra l l o y sm a tc o m a i n d i f f 色r e n tc o n t e mc o m p o s i t i o no fm a g n e s i u mw e r ep r e p a r e d b yi n g o t m e t a l l u 略y u s i n gt e n s i l et e s ta tm o mt e m p e r a m r e ，h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ， e l e c t r i c a lr e s i s 咖c et e s ta tr o o m t e m p e r a t u r e ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ，a n d t e m ，m em e c h a l l i c a la n de l e c t r i cp r o p e n i e sa 1 1 dt l em i c r o s t m c t u r eo f a b o v ea l l o y sa td i 仃e r e i l tt r e a n n e n tw e r es t u d i e d t h e yw e r ea l s oa n a l y s e d a n de x p l a i n e di nm e o 彤t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a t ： t h ef i r s t ，a l - 6 m g - l s c z ra s c a s ta l l o yh a sh a r d e n i n ge f f e c td u r i n g h o m o g e n i z a t i o na 1 1 n e a l i n gt r e 舳e m t h e r e a s o nf o rm eh a r d n e s s c h a n g i n gi sm ed e c o m p o s i t i o no fm es u p e r s a t u r a t es o l i ds o l u t i o nc o n t a i n s ca i l dz rw h i c hi sf o m e di n s o l i d i 母i r 培p r o c e s s t h ep r e c i p i t a t e d a 1 3 ( s c ，z r ) p a n i c l e sc a u s eh a r d i l e s si n c r e a s i n g 1 1 1 ea 1 1 0 yc o n d u c t i v i t y i n c r e a s e sw h e nm ea 1 1 n e a l i n gt e m p e 咖r er i s e sa n dt h ea r u l e a l i n gt i m e e x p a n d s t h ei n c r e a s i n go fc o n d u c t i v i t yi st h ed e c o m p o s i t i o no ft h e s u p e r s a t u r a t e s o i i ds o l u t i o nc o n t a i ns ca n dz r f b n n i n gd i s p e r s i o n c o m p l e xp h a s e t h ea s - c a s ta l l o yb e s t 锄e a l i n gt e m p e r a m r ei s3 0 0 0 5 0 a n dt h eb e s ta n n e a l i n gi s6 8h o u r s t h es e c o n d ，m i n o rs ca n dz ra d d i n gt oa l m g - m na l l o yf o m p r i m a r ya 1 3 ( s c ，z r ) i n t e n m a t a l l i cp a r t i c l e sw h i c hc a nr e 丘n ea s c a s tg r a i n s g r e a t l y d u r i n g t l l e h o m o g e n i z a t i o na l m e a l i n gt r e a t m e n t ， t h ea l l o y p r e c i p i t a t e ss e c o n d a 巧a 1 3 ( s c ，z r ) t h a ts t r o n g l yp i nt h ed i s l o c a t i o n sa n d s u b g r a i nb o u n d a r i e sa n di n h i b i tt l l ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni nh o t r o l l p r o c e s s t h em i r d ，t 1 1 es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so fa l m g - m n - s c - z ra l l o y i n c l u d es o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g ，g r a i nr e f i n es t r e n g t h e n i n g ，a 1 3 ( s c ，z r ) p r e c i p i t a t es t r e n g m e n i n ga n ds u b s 仃u c t u r es t r e n g t l l e l l i n g t h ef b u n l l ，t h ea d d i t i o no fm i n o rs ca n dz rl e a d st oi n c r e a s et h e r e c 叮s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r e t h es t a r t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e1 2 0 t h e s e c o n d a 科a l u m i n i d ea 1 3 ( s c ，z r ) i n h i b i tr e c r y s t a l l i z a t i o ne f f e c t i v e l yb yt h e p i i l i l i n ge f f e c to nd i s l o c a t i o na n ds u b g r a i nb o u n d 哪 k e y w o r d ：s c ，z r ，a l - m g - m na l l o y ， m e c h a n i c a lp r o p e n i e s ， m i c r o s 饥l c t u r e ，s t r e n g t l l e n i n gm e c h a n i s m ，r e c r y s t a l l i z a t i o n i i 中南大学硕士学位论文 第一章 第一章文献综述 1 1a i - m g - m n 合金的研究概况 a l m g m n 系合金具有良好的耐蚀性、导电性、导热性，并能长时间保持光 亮的表面，具有较高的比强度和塑性焊接性能也好。多用来制造与液体相接触 的容器、管道、零件、日用品、铆钉及装饰品等，是目前铝焊接结构中应用最广 的铝合金，故在航空、航天、石油、化工、电子、汽车和机械制造中得到广泛应 用【1 划。 a 1 m g m n 系合金是非热处理强化合金，镁是主要强化元素，在a l - m g m n 合金中，镁从1 增至6 时，强度提高最明显。镁在铝中的固溶度虽然随温度 的降低变化很大，但基本上没有沉淀硬化效果【】。其原因是沉淀相形核困难， 核心少，颗粒大，且不与母相共格。而且b 相在晶界滑移带上析出，呈网状，可 引起晶间腐蚀和应力腐蚀开裂【4 j 。冷变形后的合金，在室温长期停放，b 相会缓 慢沉淀，使固溶强化效果降低，强度下降。因此a l - m g 一 h l 系合金一般不进行强 化热处理，而是在热加工及退火状态下使用。工业上常用的a l - m g 系合金的牌 号及成分见表卜1 。其退火状态的机械性能列于表卜2 表卜l 常用a l - m g 的牌号及成分1 3 表l _ 2a 卜m g 系合金的退火状态的机械性能 中南大学硕士学住论文第一章 1 2 新型含钪铝镁锰合金的研究概况 1 2 - 1 含钪铝合金的研究进展 钪作为一种过渡族元素以及稀土元素加到铝及铝合金中，不仅能够显著细化 铸态晶粒i 扣7 1 ，提高再结晶温度8 1 2 1 和强化铝合金【1 6 】，而且能显著改善铝合金 的可焊性、耐热性、抗蚀性、热稳定性以及抗中子辐照损伤的作用1 7 5 1 。 含钪铝合金是一种很有前途的航天、核能和舰船用新一代铝合金结构材料。 近十多年来，在国际材料界尤其是前苏联进行了大量的研究与开发，从发表的资 料【2 0 】来看，全俄航空材料研究所，全俄轻金属研究所已开发出a i m g s c ( 0 1 5 7 5 、 0 1 5 7 1 、0 1 5 7 0 、0 1 5 4 5 、0 1 5 3 5 、0 1 5 2 3 、0 1 5 1 5 ) ，a l z n m g s c ( 0 1 9 7 0 、0 1 9 7 5 ) ， a l - m g - l i - s c ( 0 1 4 2 1 、0 1 4 2 3 ) ，a l - c u - l i - s c ( 0 1 4 6 0 ) ，a l z n m g c u s c ( 0 1 9 8 1 ) 系等十 多种牌号的含s c 铝合金。据悉田】，俄罗斯已将有关含s c 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照损伤的热核反应堆部件等。除 俄罗斯外，美国、日本和加拿大等国也相继开展了研究工作，并取得了较大进展， 1 9 9 4 年在莫斯科召开了首届s c 及其应用国际会议，并出版了一本论文摘要集。 我国对含s c 铝合金的研究还处于初步阶段，中南大学、东北大学等单位已开展 了研究工作1 2 7 1 。 1 2 2 含钪铝镁锰合金的应用 二十世纪七十年代，全俄轻合金研究所开始了在铝镁合金中添加钪的研究工 作。现已研制开发出了系列的可加工成形a 卜m g s c 合金并得到实际的应用，其 热加工或退火态的拉伸力学性能见表3 。 表卜3 新型 l _ m g s c 和传统a 1 _ m g 合金半成品化学成分和拉伸力学性能 俄罗斯的a l m g s c 合金根据镁含量和性能不同，根据用途主要分为三类1 9 j 中南大学硕士学位论文第一章 1 、0 1 5 2 3 和0 1 5 1 5 强耐蚀合金 0 1 5 2 3 合金的镁含量较低( 平均为2 1 ) ，另外还添加了钪、锆和其它元素。 这种合金的挤压棒材和型材以及退火态的冷轧板的极限抗拉强度为3 0 0 4 0 0 m p a ，屈服强度为2 3 0 2 8 0 m p a ，延伸率为1 2 1 7 。a 卜2 合金具有的优 良的耐蚀性，0 1 5 2 3 合金也具有这一特点，但是强度更高。这种合金的潜在用途 是生产焊接罐、油罐车的材料，生产化工设备及高硫油等腐蚀性液体的输送管。 比0 1 5 2 3 合金含量低的0 1 5 1 5 合金，不仅具有高的强度和优良的耐蚀性 能，而且具有优良的导电和导热性能。这种合金的退火态板材和热挤压型材具有 相当高的强度：极限抗拉强度为2 7 0 m p a ，屈服强度为2 3 0 m p a ，延伸率约为1 5 。 它的潜在应用领域是生产焊接或钎焊的散热器及各种导电和导热元件。 2 、0 1 5 4 5 和0 1 5 3 5 中强合金 全俄轻合金研究所开发的0 1 5 3 5 合金和0 1 5 4 5 合金与传统的铝镁合金相比， 抗蚀性能好，半成品的加工性能更好。0 1 5 4 5 可应用于压缩气体储存罐及通常使 用a l 一5 m g 合金制作的类似构架。0 1 5 3 5 合金薄板经处理可适合制作液氧和液氢 介质中使用的部件和结构的材料。其低温拉伸力学性能见表卜4 ： 表卜4 退火态0 1 53 5 合金薄板低温拉伸力学性能 0 1 5 3 5 合金拥有a 1 4 m g 类合金产品本身所具备的优良性能，如优良的加工 性能、焊接性能和抗蚀性能，因此它更具有广泛用途的通用结构材料。例如，新 一代轿车锻接的后悬挂短支架，前后悬挂锻接的承重部分。其主要优点是生产简 单，不需热处理强化。 3 、0 1 5 7 0 和0 1 5 7 1 高强合金 含钪的铝镁系合金中，含镁量约6 ，并添加有锰、钪、锆及其它元素的0 1 5 7 0 合金应用最广泛。在俄罗斯冶金加工厂，0 1 5 7 0 合金已生产出下列各种类型的半 成品： 宽度达2 1 0 0 岫的冷轧板； 宽度达1 7 0 0 m m 的热轧板； 直径达3 0 0 m 的挤压棒和型材( 外接园直径达2 5 0 啪) ： 重达2 0 0 k g 的模锻件： 直径达3 6 0 0 m m 的轧环。 与传统的a 卜6 m g 类合金相似，0 1 5 7 0 合金的抗蚀力也很高。1 5 0 或更高的 温度下长时间加热后，对剥落腐蚀和应力腐蚀开裂表现出一定程度的敏感，如适 中南大学硕士学位论文 第一章 当选择退火条件和冷却速率，即可减低这种敏感性。0 1 5 7 0 合金更适合作为低温 液氮和液氧介质中工作的结构材料。退火态0 1 5 7 0 合会薄扳在一1 9 6 的极限抗拉 强度和屈服强度分别为5 8 0 m p a 及4 3 0 m p a 左右，而且延伸率也相当高( 约3 0 ) 。 叭5 7 0 合会最适宜的工作温度在一1 9 6 + 7 ( ) 范围内，形状简单的荷载焊接 构架。包括太空飞行器焊接机体、水翼船和气批船船身等。0 1 5 7 1 首先是作为 0 1 5 7 0 合金产品的焊接填充材料丌发出来的，但它也可加工成独立的结构合金， 且具有更好的超塑性。4 7 5 5 0 0 ，形变速率6 1 0 1 s 。时试样延伸率高达 l o o o 。根据这个特点，0 1 5 7l 合金薄扳可加工成高级超塑性成形材料。 1 3a l - m g s c 合金组织特征 1 。3 1a 卜s c 二元合金相图和相结构 为了了解和掌握含s c 锅合金的成分、组织与性能，首先必须了解a l s c 二 元合金的相图与相结构。图卜l 为a 卜s c 二元合金状态图【2 8 】。在富铝端的a 卜a 1 3 s c 伪二元相图是典型的共晶相图，共晶反应温度为6 5 5 ，共晶成分为o 5 5 s c ， 极限固溶度为o 3 5 s c ，随着温度的下降，s c 在a 】中的溶解度急剧降低，在6 4 0 、6 0 0 和5 ( ) o f 分别为o 2 2 、0 1 5 和o 0 5 。s c 与a l 町形成a l3 s c 、a 1 2 s c 、 a l s c 和a s c 3 四种中问化合物。a 1 3 s c 为l 1 2 ( c u 3 a u 犁) 结构，与基体共格，面心 立方品格，点阵参数为0 d 1 ( ) 6 o 0 0 0 7 n m 。 甜，s 辅 匿蝴 图卜1a i s c 二元合金富 l 角相图2 8 分析a 卜s c 二：，i 合会甲衡相图，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 5 ( 原子百分数) 。s c 在a 1 中的极限溶解度( o 3 5 ) 虽 然不高，但在一定的冷却迷度下，除较少部分以初生 1 3 s c 形式结晶析出外，其 余大部分s c 则倾向于形成二瞻平衡的过饱和i 到溶体，这种过饱和固溶体在随后的 加热过程中会分解，形成非常弥敞的与基体共格的a 1 3 s c 质点，使合会剧烈强化 中南大学硕士学位论文 第一章 【2 9 吲j 。含s c 的过饱和吲溶体与其它过渡金属在铝合金中形成的过饱和l 司溶体相 比是极不稳定的， i j 图l 一2 ( t ) 可见，在a 卜s c 合金中；过饱和回溶体发生分解 | j i 的孕育期比a 1 m n 、a 1 z r 系合金短3 4 个数量级，并且a 卜s c 系合金中固溶 体分解速度比a 1 m n 、a l z r 系合金高5 6 个数量级。同时，s c 含量越高，s c 在铝中固溶体内的 ，v 。 k弋天 nn ( a ) 渡- 涵义 羁斗 ( b ) 图l 二2a l 二0 4 s c ( ) ，a 1 一o 6 2 m n ( ) 和a 1 0 3 1 z r ( 一) 半连续铸锭的铝固溶体分解c 曲线 1 3 2a | _ m g s c 三元合金相圈 a l m g s c 三元合会的相图见图卜3 。 i g c 【 图卜3a 1 _ m g s c 系4 0 0 等温截面图川 出a l m 廿s c 三元相矧町知：在富铝角处，m g 与s c 不发生反应，其相组成为 ( a 】) 、a l m g 形成的p 相干a l s c 形成的a 1 3 s c 相。 中南大学硕士学住论文 第一章 运用固体经验电子理论( e e t ) ，计算添加微量s c 前后的a 1 m g 合金的价电子 结构。对微量s c 的a 1 m g s c 合金固溶体，s c 原子分别替代固溶体中纯a l 晶胞和含 m g 的a 1 晶胞结构中面心的a l 原予，按照文献1 3 3 j 的处理方法，幽浴体中除了包含纯 a l 晶胞结构、含m g 的a l 晶胞结构外，还可能形成形成a l s c 和a l m g s c 晶胞结构单 元，此外，随着固溶体温度的降低，s c 在固溶体中将成为过饱和，析出新相a 1 3 s c 具 有l 1 2 结构，各晶胞结构单元如图卜4 所示 回回国 _ 厣千 o 原干 6s c 怎千 图l 一4a 卜s c 晶胞( a ) 、a l _ m g s c 晶胞( b ) 和a l ，s c 晶胞( c ) 文献m q 4 j 资料表明，对于在7 2 0 下浇铸的a 卜5 m g 合金熔液，凝固成固溶体 时可认为仅由纯a 1 晶胞和含m g 的a l 晶胞混合而成。其中，纯a 1 晶胞为f c c 型结构， 含的晶胞与纯a l 的晶胞结构基本相似，只是m g 原子部分替代了a 1 晶胞在面心上 的a l 原子的位置，各晶胞结构如图卜4 所示。出于s c 代位于面心上的a 1 原 子，a 1 m g s c 晶胞的晶格常数将随s c 的含量而变化，这给键距差分析带来了困难， 这里仍以a l 晶胞的晶格常数代替a i s c 晶胞的晶格常数，以a 1 m g 晶胞的晶格常数 代替a 1 m g s c 的晶格常数，而将所引起的键距变化，用s c 原子杂化状态的变化来 反映。 当s c 达到一定含量时，在a 1 基体中容易形成许多区域较大的a 卜s c 晶胞偏聚 区，成为富s c 的聚集区。随着a 1 m g s c 固溶体温度的降低而成为s c 的过饱和固溶 体，易在基体中析出大量细小的a 1 3 s c 例。对l 1 2 型a 1 3 s c 品粒的价电子结构计算。 结果表明，s c 原子处于杂化第3 态，a l 原子处于杂化第5 态，a 卜s c 键的共价电子数 为o 2 6 3 1 个，是最强的莛价键在基体中弥散析出的a 1 3 s c 细小粒子，成为a l 晶粒 的非均匀形核，抑制基体中a l 晶粒长大，从而有效地细化a 1 晶粒。 1 3 3a i - m g m n 合金内钪含量范围的选择 研制丌发含钪铝合会的一个重要问题，就是如何选择钪含量的范围。据资 料介绍1 2 “”】，钪的最佳浓度的选择，应遵循以下原则：在相当于铝合金铸锭连 续铸造的结晶条件下，要使大部分s c 处在过饱和的固溶体内，在随后的工艺加 热条件下，含s c 的固溶体分解并形成最大弥散度的a 1 3 s c 二次化合物相质点， 从而保证明显地提高再结晶温度和强化合金；另外少部分的s c 应该在结晶时以 一次化合物a 1 3 s c 质点析出，对铸锭或焊缝内的铸造晶粒组织起细化作用。分析 中南大学硕士学位论文 第一章 a l s c 和a 1 m g s c 合会平衡相图，钪与铝形成有限溶解度的共晶型平衡图，钪 在连续铸造铸锭结晶的冷却速度条件下，钪在a l 内会形成反常的过饱和固溶体 ( 达o 6 ) ，因此，s c 的含量在o 6 左右时，a l 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( 见表卜5 ) 。 表卜5 不同s c 含量a 卜s c 二元合金性能的比较【2 6 从表1 5 可知，随着s c 含量从0 增加到o 6 ，强度性能明显提高。当s c 含量大于o 6 的情况下，强度提高幅度越来越小，并且考虑到钪的价格昂贵， 增加加入量，材料成本不合算。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问参数的条件下，确保 s c 在a 1 中过饱和固溶体的最佳分解程度时爿有可能。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 1 3 s 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，必须考虑以下因素：( 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 3 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a 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 业用铝合会中添加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o 1 o 5 。 1 3 4 微量s c 、z r 在不同处理状态下a i 一合金中的存在形式 由合金化原理可知1 3 “，合金元素在铝合金中可以两种形式存在，即固溶 体和金属间化合物。合会元素在这两种形式之问的分配主要取决于溶质和溶剂 本身的性质。当溶质元素加入量低于固溶体时，以固溶状态存在；当加入量高 于固溶度时，在动力学因素允许的条件下会形成饱和固溶体和新相( 金属问化 合物) 。决定固溶度有多种因素，其中主要的是尺寸因素和化学亲和力( 用电 负性差表示) 因素。根据h u m e r o t h e r y 规则，当溶质和溶剂的原子尺寸差( d m d 镕m ) d 溶剂l o o 超过1 4 1 5 时，合金体系只能形成固溶度很小的 中南大学硕士学位论交 第一章 固溶体，当二者电负性差。 o 4 o 5 时，有利于形成化合物而使固溶度减小 。表卜6 为铝和钪的原子半径和电负性： 表卜6 为铝和钪的原子半径和电负性 由上表可见，s c 和a l 的尺寸差和电负性因素介于形成固溶体或化合物之 间，由此初步判断，s c 在a l 中除以化合物形式存在外，也能以少量的固溶体 形式存在【“。另外，分析a 卜a 1 3 s c 伪二元相图表明，在s c 含量低于o 5 5 的 亚共晶合金中，在平衡状念下，除形成少量共品的a 1 3 s c 外，大部分的s c 以从 过饱和基体0 【( a 1 ) 中析出的次生a 1 3 s c 相的形式存在，仅有极少量的s c 固溶 在a ( a 1 ) 基体中以原子的形式存在”。但是，在实际的非平衡凝固中，即使 在结晶冷却速度不大的情况下，s c 亦极为倾向于固溶在a ( a 1 ) 中形成非平衡 态的过饱和固溶体，而s c 的过饱和固溶体极不稳定，其分解速度非常快( 如 在2 5 0 下时效，其孕育期仅有5 1 0 2 ) 。所以，对于非平衡凝固的亚共晶a 1 s c 合金，在铸态下，绝大部分的s c 都过饱和地固溶在a ( a 1 ) 基体中，仅有极 其微量的s c 以中间化合物初生a 1 3 s c 的形式存在；而在随后的工艺加热过程中， 过饱和固溶体中的s c 又绝大部分地以次生a 1 3 s c 相的形式析出，只有少量的 s c 留在了a ( a j ) 固溶体中【4 “。采用s c 、z r 复合添加，可以使s c 含量低于 0 5 5 共晶点而析出初生相a 1 3 ( s c i 。z r x ) ，对铸态晶粒产生强烈的细化作用。 综上所述，添加微量含量为o 4 s c 、z r 在a 卜合令中，除少量固溶于 o ( a 1 ) 基体外，大部分的s c 和z r 以a 1 3 s c 及a 1 3 ( s c l 。z r 。) 中间化合物的形式 存在。部分s c 在合金凝固过程中以初生a 1 3 s c 相形式析出，另一部分s c 是 在合会铸锭工艺加热过程中从过饱和固溶体中析出的次生a 1 3 s c 质点。 1 4 钪与铝镁锰合金中元素的相互作用 为了进一步提高合会材料的性能，在添加钪元素的同时，也必须添加一些其 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 列有利或不利的影响，下面将就此做简单的评述。 铝镁合会中通常添加z r 、t i 、m n 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【2 饥”】。具体情况如f ： 锰：锰与钪不起作用，不形成金属问化合物( 图卜5 ) 。在钪铝合金中加锰， 像在其它工业铝合金中一一样，能提高强度性能和改善合会的抗腐蚀稳定性。不过， 中南走学硕士学位论丈 第一章 用大量的m n 柬台金化会降低s c 的溶解度和减少金属问化合物的形成，故不宜大 量添加，一般用量在o 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。 a l l “n 。s c m n 5 c ( m “ “c o a 图卜5a 卜m n s c 合金三元相图( 5 0 0 等温截面) 。 钛：钛同锆样，能溶解于a 1 3 s c 相内，置换出s c 原孑，但它在a 1 3 s c 相 内的溶解度相当的小。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【4 5 】。但是，在含钪的过饱和固溶体分解时， 加t i 会恶化合会的强度性能、加速软化过程。4 ；过，在铝合会中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o 0 2 o 0 6 。 锆：大量试验表明，钪应该与锆同时加入到铝合金内。这是因为z r 能颇大 ( 达5 0 ) 地溶于a 1 3 s c 相中，并形成a 1 3 ( s o i _ x z r 。) 相( 见图卜6 ) ，该相因其品 格类型、点阵参数与a 】3 s c 相差甚小，因此不仅保持了a 】3 s c 的全部有益作用， 而且在高温加热下聚集倾向比a 1 3 s c 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，另一方面还可以减少昂贵钪的加入量( z r 的价 格要比s c 便宜得多) 。加z r 的作用，在铝合会中钪含量较小时则更为显著，例 如当s c 含量从o 4 减少到0 2 时，其强化作用明显减小( 见表卜5 ) ，此时， 加z r 不仅起稳定剂作用，而且还起到强化剂作用；依靠增加原始固溶体的过饱 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 2 6 1 。 按a 卜s c z r 合金状态图吲已经确定，这种合金成分位于在a + a 1 3 ( s c ，z r ) + a 1 3 z r 三相区边界处的n + a 1 3 ( s c ，z r ) 相区内。这时，在a 1 3 ( s c ，z r ) 相内应 有5 0 的s c 原子置换。同时，试验表明，具有z r 溶解量最大的a 1 3 ( s c ，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 1 3 ( s c ，z r ) 中南大学硕士学位论文 第一章 相内有5 0 的s c 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 比接近l ：1 。实践表明，在高合会化和中合金化的铝合金中，特别是在浇铸大铸 锭时，z r 含量超过o 1 0 0 1 5 时会形成粗大的初生金属问化合物a 1 3 z r 。所以， 用z r 合金化的含钪铝合金，z r 含量取0 1 0 0 1 5 。s c 的含量理论上应与之相 同，但考虑到f 象合金组分那样，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o 1 5 0 3 。 五硼1 图卜6a l - m g s c z r 富a l 角50 0 等温截面图 3 2 f 铝合金加s c 形成的a 1 3 s c 相，是一种与基体共格的强化相，与纯铝很接近，但 a 卜s c 二元合金过饱和固溶体的分解速度很快，不易人为控制。例如，a 卜o 4 l s c 合金在2 5 0 时效的孕育期只有5 1 0 2 s ，而a 卜o 6 2 z r 和a 卜o 3 l z r 合金在4 0 0 时效的孕育期长达4 x1 0 4 s 和2 1 0 s ，比a 卜s c 合金长3 4 个数量级【蚓。同时a 卜z r 合盒在时效初期形成的a 1 3 z r 也是l 1 2 型结构，品格常数a = 0 4 1 0 8 n m ，与a 1 3 s c 和纯 铝的晶格常数极为接近，且z r 与s c 的物理性能相近。故能形成连续固溶体a 1 1 ( s c ， z r ) ，使合金的稳定性进一部提高【4 剐。 研究表明1 4 9 啦】，a 卜o 4 s c 合金加入o 1 5 的z r 能显著提高热稳定性。由时效 硬化实验可知，a 卜s c 二元合金时效硬化速度虽然较快，但硬度达最大值后即迅 速降低。而加z r 的合金的软化要缓慢得多。这说明a 1 3 ( s c ，z r ) 相质点的聚集速 度比a 】3 s c 相质点的小得多。研究同时指出，在a 卜o 4 s c 一0 1 5 z r 合金铸锭中， 与细小的a 1 3 ( s c ，z r ) 相质点一起，沿着枝晶边界出现的相是a 1 3 s c 相粗大的质点， 这种质点的形成，看来是由于在结晶过程中钪和锆这些元素的树枝状偏析特征不 同，在铸锭边界富钪而贫锆所造成的。 铝熔体结晶时形成的s c 和z r 在铝中的过饱和固溶体在分解过程中，析出 0 中南犬学硕士学位论文 第一章 a 1 ，( s c ，z r ) 相质点l 钔。这利- 质点与a 1 3 s c 相质点一样是弥散的和引起强烈的抗再 结晶效应和强化效应的共格相。而且，更为突出的是，它与a 13 s c 的不i 司点是， a 1 3 ( s c ，z r ) 令属问化合物在高温加热下聚集倾向小得多。有研究指出i 5 ，a 1 3 ( s c ， z r ) 金属问化合物即使在4 5 0 高温退火，仍无明显长大，且与基体保持共格关系， 克服了一一般时效硬化型高温铝合余在高温时共格或半共格相向平衡相的转变，而 失去与基体的共格性。因此，在它形成时很大程度上保持了抗再结晶效应和强化 效应。 s c 含量由o 4 降低到o 2 时，它的作用明显减小【4 】。在这种情况下，所加 的z r 不但起稳定剂作用，而且还起附加强化剂作用；依靠增加原始固溶体的过 饱和度增加析出相的弥敌度，其强化效应可提高1 倍多。因此，在铝合金用较少 量的钪( o 2 ) 台金化时，锆的作用非常显著。在这种情况下，若用单一的钪 而不加锆来强化铙：合会，将由f 有益效应小而丧失实用价值。 1 5 钪对铝合金组织与性能的影响 1 5 1 钪对铝合金强塑性的影响 据资料报道18 1 ，向铝及其合金中添加o 4 的s c 时，每添加0 1 的s c ， 其强度可提高约5 0 m p a ，强化作用大大超过了目前工业铝合金用的传统合金元素 m g 、c u 、z n 、s i 、m n 、c r 等。表1 7 列出了含s e 铝合金与几种工业铝合会的 力学性能的比较。由表可知：无论是与a l m g 系合会、a l z n m g 系合金，还是 与a 1 一z n m g c u 系合盒和a l l i 系合金相比较，含s c 铝合金的拉仲强度o b 约比 同类合金分别高出1 1 6 1 2 3 m p a 、2 0 4 m p a 和1 0 1 1 2 3 m p a ，延伸率也比同类合 会高。 表卜7 含s c 铝合金的力学性能与几种工业铝合金的比较【1 8 中南大学硕士学位论丈 第一章 1 5 2 钪对铝合金再结晶的影响 t l i 一 哇 i ，i t 桶- 彳 荡 。诊 p 劳7 i 3 ， i 一 5 c ，； 图卜7a i _ s c 系合金及a 1 一z n m g s c 冷轧板再结晶温度与s c 含量的关系 l ，4 一a 卜s c ；2 ，3 一a 卜z n m g s c a 卜s c 合会中稳定的a 1 3 s c 弥散质点能强烈地抑制合金地再结晶，显著地提 高冷加工后合金的再结晶温度( 见图卜7 ) 。采用合金硬度与退火温度关系测定 了铝一钪合会的冉结晶温度，发现少量钪对铝及其合会的再结晶温度有很大的影 响【5 3 州l 。9 9 9 的纯铝冷加工后再结晶起始温度2 3 0 ，添加o 3 3 s c ，合金的 再结晶温度为4 5 0 ；在含1 2 5 m g 的铝合金中加入o 3 s c ，再结晶起始温 度从2 4 5 提高到4 5 0 ；a 1 1 m n 合会中加入o 3 3 s c 再结晶温度由3 8 5 提 高到4 7 0 ；7 0 7 5 合金添加钪以后再结晶温度亦有显著提高。 1 5 3 钪对铝合金热稳定性的影响 在铝及铝合金中加入s c ，可显著改善其热稳定性【2 3 5 邹。例如a 1 0 3 s c 合 金在3 0 0 时效5 0 0 小时，其硬度没有降低。合会中沉淀相a 1 3 s c 质点极细，甚 至用电镜也难以分辨。在3 5 0 时效7 0 小时质点的平均尺寸只有5 0 姗。但也有 文献报道，a 1 一s c 二元合金的过饱和固溶体分解速度过快，a l 。0 4 1 s c 合金在 2 5 0 时效的孕育期只有5 0 0 秒，在4 0 0 5 0 0 时效不超过1 0 分之几秒，即可 达到最大强度，随后由于颗粒长大并且失去共格而导致强度下降。而a l o 6 2 z r 和a 1 o - 3 1 z r 合会在4 0 0 时的孕育期则分别为4 1 0 4 秒和2 1 0 5 秒，比a 卜s c 合金长3 4 个数量级。所以，在a 卜s c 合金中加z r 可以减缓过时效发生的软化 过程，因为过渡族元素在时效初期形成的铝化物( z r a l 3 ，h f a l3 ，t i a l 3 ) 也是l 1 2 型 面心立方结构，点阵常数a 一0 4 0 8 n m ，与a 1 3 s c 和纯铝的品格常数极为相近。 如在a 卜o 4 s c 合令中加入o 1 5 z r ，可显著提高其热稳定性( 见图卜8 ) 。根据 图1 7 中显微硬度( h v ) 变化曲线可知，a l o 4 s c 和a 卜o 4 s c o 1 5 z r 两种合 金的强化效果在任一时效温度均大致相同，只是a 卜s c z r 三元合金的显微硬度 中南大学硕士学位论文第一章 随时间的延长下降很慢，说明软化过程大为减慢，而且在3 0 0 5 0 0 任一时效 温度都是如此。可见s c 与过渡族元素m n 、c r 、z r 、t i 等配合使用，对提高铝合 金的热稳定性是有重要意义的。 s 翻 u l i 4 i i f c = = 兰 “( f j “l t i “ 时效0 寸螺s 0 0 = 1 3 1 ， i 州) “ 图1 8a 1 _ 0 4 s c ( 0 0 ) 和a l o 4 s c o 1 5 z r 合金( 一) 在各时效温度的显微硬度( h v ) 变化曲线 1 5 4 钪对铝合金可焊性的影响 a 1 4 7 8 z n 。2 1 5 m g o 3 8 s c 合金挤压带材，经淬火后于1 2 0 4 8 h 时效， ob = 5 2 7 m p a ，焊接后接头于1 2 0 4 8 h 时效，焊缝断裂强度ob = 5 1 5 m p a ，断 裂位置在基体上，焊接强度系数高达0 9 7 1 o 。含m n 和s c 的合会，焊缝断裂 强度ob = 4 7 1 m p a ，强度系数为0 8 5 0 8 7 ，而一一般铝合金的焊接系数达o 8 即 已合格。s c 能改善铝合金的可焊性，是因为s c 具有强烈的变质作用，能细化焊 缝熔化区的晶粒组织，显著地降低了焊接裂纹倾向性。s c 还能有效地抑制再结 晶过程，使具有再结晶组织的过渡区或热影响区消失，由基体的亚晶组织直接过 渡到铸念组织，因此，含s c 铝合会的焊接接头，不仅具有高的强度，而且还有 高的抗应力腐蚀稳定性 2 25 ”。 1 5 5 钪对铝合金耐蚀性的影响 s c 能显著提高铝合金及其焊接接头的抗应力腐蚀( s c e ) 性能【5 牡5 9 1 。 a l 一4 8 z n 一2 3 m g 合金的挤压带材( 3 1 0 0 m m ) 经人工时效( 1 2 0 4 8 h ) 后的恒 中南大学硕士学位论文第一章 载拉伸应力( ov = 3 1 5 m f ) t 。) 腐蚀试验结果如表l - 8 。原合会材料抗应力腐蚀寿命 ( s c l ) 只有一天，加入过渡元素m n 和z r 的合会，s c l 平均延氏到1 7 天，而加入 s c 或s c 和m n 一起添加的合会，五个试样均超过9 0 天未断。s c 对s c c 的改善作 用，与对强度和可焊性的影响一样，也是由于s c 细化了晶粒和抑制了再结晶过 程所引起的。 表卜8 卜4 8 z n 一2 3 m g 合金五个试样抗应力腐蚀寿命( s c l ) 1 5 。6 钪对铝合金超塑性的影响 由于a l - s c 合金具有极细的品粒组织、低的流动应力及显微组织的高稳定性 等特点，可以预见a 卜s c 系合会必然具有良好的超塑性( s p f ) i 引j 。r a l p h r 等 人研究了a 卜m g s c 合会的超塑性，在0 0 l s “的应变速率下，获得了延伸率大于 1 0 0 0 的优异超塑性。a 卜m g s c 合会既有优良的超塑性能，又不像其它超塑合盒 那样变形温度高速度低，需要复杂而苛刻的超塑预处理工艺，使超塑成型很困难， 不易实现工业生产和应用。