有色合金及微合金化的基本理论课件

有色合金微合金化理论

及其工程应用

尹志民

材料科学与工程前沿及进展（4）有色合金微合金化理论

及其工程应用

尹志民

材料科学与11.概述

①主合金元素钢：Fe，Ni，Cr，Mn，......

铝合金：Al，Cu，Mg，Zn，......

铜合金：Cu，Zn，Al，Fe，Ni，......1.概述①主合金元素2②微量元素

微量：加入量不大，却能使合金组织和性能产生重大变化，分微量添加元素和微量杂质元素

钢：C，Ti；O，S，P，......（20CrMnTi）

铝合金：Ti，B，Zr，Sc，Re；K，Na，Ca，Bi......

铜合金：Cr，Zr，Ag，Re，As，B；As，O，S，Bi，......

钛铝化合物：Cr，Mn，Sc，......

镍铝化合物：B，C，......有色合金及微合金化的基本理论3③研究目的

弄清它们在合金中的存在形式和作用机制，有益者充分利用，有害的严格控制和清除它。同时介绍一下研究微成分和微结构方法，下面以铝合金为例重点分析讨论

③研究目的42.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制

①细化晶粒。在熔体凝固时就存在，起人工晶核作用Ti：TiAl3

B：TiB2Zr：Al3ZrISc：Al3ScI

d↓σy↑，强度增幅20~30MPa2.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制①细化晶粒。5②抑制加工过程中再结晶，半连铸条件下过饱和固溶于基体，铸锭均匀化时从固溶体析出一些化合物Cr：Al7CrMn：Al6MnZr：Al3ZrIISc：Al3ScII

加工组织保留部分亚结构组织

强度增幅30~40MPa②抑制加工过程中再结晶，半连铸条件下过饱和62.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制

析出强化，铸锭均匀化时析出Zr：Al3ZrII

Sc：Al3ScII

析出强化，强度增幅50~60MPa

2.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制析出强化，铸锭均7④有害杂质元素

Fe，Si：q1(AlFeSi)，底心正交，球状；q2(AlFeSiMn)，底心正方，长棒状；当合金中含Cu时，形成Al7Cu2Fe，体心四方结构

消除办法：加Re

[H]：导致氢脆消除办法：熔体净化处理时除气

K，Na，Ca：偏聚于晶界，形成连续原子层的薄膜，导致晶界脆性消除办法：Na+Bi→NaBi④有害杂质元素83.微合金化技术的工程应用实例分析：纯Al及6063铝合金中的Ti和B

Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Li-Cu-Mg-Zr合金中的ZrAl-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和ZrAl-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr

Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr

Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr3.微合金化技术的工程应用实例分析：9Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Mg-Li-Zr和Al-Mg-Li-Zr-Ag合金的化学成分合金MgLiZrAgAl14.922.10.1-余量25.141.940.110.46余量Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Mg-Li-Z10图1合金在170℃时效，硬度和拉伸性能随时间的变化

a)硬度b)拉伸性能图1合金在170℃时效，硬度和拉伸性能随时间的变化11图2合金的晶粒组织a)合金1b)合金2图2合金的晶粒组织12图3170℃/3h时效后的显微组织结构a~b)合金1c~d)合金2图3170℃/3h时效后的显微组织结构13图4170℃/24h时效后的显微组织a)合金1b~c)合金2图4170℃/24h时效后的显微组织14图5230℃/3h时效的显微组织a)合金1b)合金2图5230℃/3h时效的显微组织15图62号合金固溶态中Ag的存在形式α(Al)Mg3Ag?图62号合金固溶态中Ag的存在形式α(Al)16Al-Li-Cu-Mg-Zr合金Al-Li-Cu-Mg-Zr合金17Al-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr编号MgMnSc＋ZrAl1#（Al-2Mg-0.4Mn）20.4－余量2#（Al-2Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）20.40.4余量3#（Al-4Mg-0.4Mn）40.4－余量4#（Al-4Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）40.40.4余量5#（Al-6Mg-0.4Mn）60.4－余量6#（Al-6Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）60.40.4余量Al-Mg-Mn-(Sc+Zr)合金的化学成分(wt-%)

Al-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr编号MgMnSc18图1不同处理态合金的拉伸力学性能a)抗拉强度图1不同处理态合金的拉伸力学性能19图1不同处理态合金的拉伸力学性能b)屈服强度图1不同处理态合金的拉伸力学性能20图1不同处理态合金的拉伸力学性能c)延伸率

图1不同处理态合金的拉伸力学性能21100µma)100µmb)100µmd)100µmc)Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的金相组织100µma)100µmb)100µmd)100µmc)Al22100µmb)40µma)5µmc)d)Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金晶粒细化机制100µmb)40µma)5µmc)d)Al-Mg-Mn-S23acfeb100μm100μm100μm100μm100μm100μmd图5340℃/1h稳定化退火后合金的显微组织100Xa）1#合金b)2#合金c)3#合金d)4#合金e)5#合金f)6#合金

acfeb100μm100μm100μm100μm100μm24100µma)100µmb)100µmc)100µme)100µmf)100µmd)图4微量Sc和Zr对Al-Mg合金热轧态组织的影响Al-5Mg；b-d)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)；e)Al-6.2Zn-2Mg；f)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)

100µma)100µmb)100µmc)100µme)1025b)0.167µma)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)合金470℃/13h均匀化处理后的显微组织a)Al3(Sc,Zr)II明场像；b)电子衍射谱

b)0.167µma)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)合金26Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr

不同处理态Al-6.2Zn-2Mg和Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金的室温拉伸力学性能

合金状态

Al-6.2Zn-2MgAl-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)

σbMPa

σ0.2MPa

δ%σbMPa

σ0.2MPa

δ%热轧态357

25415.238729412.9465℃/30min,水淬

33217026.044529917.4465℃/30min+120℃/3h

41635715.049044713.0465℃/30min+120℃/12h

43937613.049445810.7465℃/30min+120℃/24h

45040510.054350910.6Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr不同处理态A27100µma)0.2µmb)25µmc)2µmd)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)和Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金冷轧板以不同温度退火后的显微组织a-b)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)，400℃/1h；c-d)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)，535℃/1h100µma)0.2µmb)25µmc)2µmd)Al-5M28200nma)100nmb)100nmc)50nmd)50nme)f)不同处理态Al-Zn-Mg合金和Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金的透射电子显微组织Al-6.2Zn-2Mg合金固溶态；b-c)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金固溶态；c)Al3(Sc,Zr)II的(001)中心暗场像；d)Al-6.2Zn-2Mg合金120℃/12h时效态e)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金120℃/12h时效态；f)相应于图g的[001]电子衍射谱；

200nma)100nmb)100nmc)50nmd)50n29Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金30Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr时效温度对导条强度的影响

Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr时效温度对导条强度的影响31时效温度对导条延伸率的影响

时效温度对导条延伸率的影响32

冷拉后450℃/8h时效态

冷拉后450℃/8h时效态33Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr序号工艺条件合金性能

HB

σbMPaσ0.2MPaδ5%

σr％IACS1920℃×40min＋450℃×4h64.030611140.877.22920℃×60min＋475℃×8h98.330919133.386.43920℃×80min＋500℃×10h86.230817933.786.84940℃×40min＋475℃×10h86.530818433.486.95940℃×60min＋500℃×4h89.331018234.586.56940℃×80min＋450℃×8h89.032518434.778.87960℃×40min＋500℃×8h87.231518630.385.58960℃×60min＋450℃×10h92.232518635.179.99960℃×80min＋475℃×4h82.731618624.283.5Cu-Ag-Zr合金的力学性能和电学性能Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr序号工艺条件合34Cu-Ag-Zr合金的X射线衍射谱

Cu-Ag-Zr合金的X射线衍射谱35已发表的论文

1.

RecrystallizationofAl-Mg-Sc-ZrAlloys,ZhangYonghong,YinZhimin,etal.,稀有金属材料科学与工程，Vol.31,3,2003,P167-1702.

微量Sc、Zr对铝镁合金组织和力学性能的影响，张永红，尹志民，稀土，Vol.23,3,2002,P29-323.

Sc和Zr复合微合金化在Al-Mg合金中的存在形式与作用，潘青林尹志民等，航空材料学报.2002,22(1),P6-104.

微量Sc在Al-Mg合金中的作用,潘青林,尹志民等,金属学报,2001,37(7),P749-7535.

微量Sc和Zr对Al-Zn-Mg合金组织与性能的影响,杨磊,潘青林,尹志民等,材料工程,2001.76.

微量Zr、Cr对Cu13Zn合金力学性能的影响，罗丰华，张久兴，尹志民等，稀有金属材料与工程，Vol30,2,2001,P145-1487.

EffectofminorScandZronmicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-Zn-Mgbasedalloys,YinZhimin,YangLei,PanQinglin,et.al.,Trans.NonferrousMet.Soc.China,Vol.11,No.6,2001.8.

ZhiminYin,QinglinPan,FengJiang,EffectofminorScandZronthemicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-Mgbasedalloys,MaterialsScienceandEngineeringA280(2000)，151~153.9.

EffectofMinorSconHighTemperatureMechanicalPropertiesofTiAlBaseAlloys,YinSongbo,HuangBoyun,YinZhimin,MaterialsScienceandEngineeringA280(2000).204-20710.

微量Sc和Zr对Al-Zn-Mg合金组织与性能的影响，尹志民，杨磊，潘青林，姜锋，2000年材料科学与工程新进展，中国材料研究学会主编，冶金工业出版社，P1257-126111.

微量Sc对TiAl基合金显微组织和力学性能的影响，金头男，尹志民，李斗星，航空材料学报，2000,No.412.

微量钪对TiAl基合金高温力学性能的影响，尹松波，黄伯云，贺跃辉，尹志民，中国有色金属学报，Vol.9,2,199913.

尹志民，罗丰华，汪明朴等，微量Zr对Cu-13Zn合金组织和性能的影响，中国有色金属学报，Vol.9.No.4,1999.14.

罗丰华（博士生），尹志民，汪明朴等，微量Zr对CuZn合金再结晶行为的影响，中国有色金属学报，Vol.30.No.2，1999.15.

微量Zr对Cu-Zn合金再结晶的影响，罗丰华，尹志民，汪明朴，左铁镛，中南工业大学学报(自然科学版)，Vol.30,2,199916.

微量锆对Al-Mg-Sc合金力学性能和显微组织的影响，高拥政，尹志民，潘青林。稀有金属，Vol.22,3,1998。17.

稀土在过共晶高硅铝合金中的合金化作用,张卫文尹志民,理化检验:物理分册.1998,34(3).-12-14,3818.

微量Sc和Zr对Al-Mg合金铸态组织的晶粒细化作用，尹志民、高拥政、潘青林、张永红、尹松波，中国有色金属学报，1997,7(4):75-78.已发表的论文36纯Al及6063铝合金中的Ti和B纯Al及6063铝合金中的Ti和B37Al-Li-Cu-Mg-Zr合金中的ZrAl-Li-Cu-Mg-Zr合金中的Zr38有色合金微合金化理论

及其工程应用

尹志民

材料科学与工程前沿及进展（4）有色合金微合金化理论

及其工程应用

尹志民

材料科学与391.概述

①主合金元素钢：Fe，Ni，Cr，Mn，......

铝合金：Al，Cu，Mg，Zn，......

铜合金：Cu，Zn，Al，Fe，Ni，......1.概述①主合金元素40②微量元素

微量：加入量不大，却能使合金组织和性能产生重大变化，分微量添加元素和微量杂质元素

钢：C，Ti；O，S，P，......（20CrMnTi）

铝合金：Ti，B，Zr，Sc，Re；K，Na，Ca，Bi......

铜合金：Cr，Zr，Ag，Re，As，B；As，O，S，Bi，......

钛铝化合物：Cr，Mn，Sc，......

镍铝化合物：B，C，......有色合金及微合金化的基本理论41③研究目的

弄清它们在合金中的存在形式和作用机制，有益者充分利用，有害的严格控制和清除它。同时介绍一下研究微成分和微结构方法，下面以铝合金为例重点分析讨论

③研究目的422.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制

①细化晶粒。在熔体凝固时就存在，起人工晶核作用Ti：TiAl3

B：TiB2Zr：Al3ZrISc：Al3ScI

d↓σy↑，强度增幅20~30MPa2.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制①细化晶粒。43②抑制加工过程中再结晶，半连铸条件下过饱和固溶于基体，铸锭均匀化时从固溶体析出一些化合物Cr：Al7CrMn：Al6MnZr：Al3ZrIISc：Al3ScII

加工组织保留部分亚结构组织

强度增幅30~40MPa②抑制加工过程中再结晶，半连铸条件下过饱和442.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制

析出强化，铸锭均匀化时析出Zr：Al3ZrII

Sc：Al3ScII

析出强化，强度增幅50~60MPa

2.微量元素在铝合金中的存在形式和作用机制析出强化，铸锭均45④有害杂质元素

Fe，Si：q1(AlFeSi)，底心正交，球状；q2(AlFeSiMn)，底心正方，长棒状；当合金中含Cu时，形成Al7Cu2Fe，体心四方结构

消除办法：加Re

[H]：导致氢脆消除办法：熔体净化处理时除气

K，Na，Ca：偏聚于晶界，形成连续原子层的薄膜，导致晶界脆性消除办法：Na+Bi→NaBi④有害杂质元素463.微合金化技术的工程应用实例分析：纯Al及6063铝合金中的Ti和B

Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Li-Cu-Mg-Zr合金中的ZrAl-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和ZrAl-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr

Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr

Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr3.微合金化技术的工程应用实例分析：47Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Mg-Li-Zr和Al-Mg-Li-Zr-Ag合金的化学成分合金MgLiZrAgAl14.922.10.1-余量25.141.940.110.46余量Al-Mg-Li-Zr-Ag合金中的AgAl-Mg-Li-Z48图1合金在170℃时效，硬度和拉伸性能随时间的变化

a)硬度b)拉伸性能图1合金在170℃时效，硬度和拉伸性能随时间的变化49图2合金的晶粒组织a)合金1b)合金2图2合金的晶粒组织50图3170℃/3h时效后的显微组织结构a~b)合金1c~d)合金2图3170℃/3h时效后的显微组织结构51图4170℃/24h时效后的显微组织a)合金1b~c)合金2图4170℃/24h时效后的显微组织52图5230℃/3h时效的显微组织a)合金1b)合金2图5230℃/3h时效的显微组织53图62号合金固溶态中Ag的存在形式α(Al)Mg3Ag?图62号合金固溶态中Ag的存在形式α(Al)54Al-Li-Cu-Mg-Zr合金Al-Li-Cu-Mg-Zr合金55Al-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr编号MgMnSc＋ZrAl1#（Al-2Mg-0.4Mn）20.4－余量2#（Al-2Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）20.40.4余量3#（Al-4Mg-0.4Mn）40.4－余量4#（Al-4Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）40.40.4余量5#（Al-6Mg-0.4Mn）60.4－余量6#（Al-6Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)）60.40.4余量Al-Mg-Mn-(Sc+Zr)合金的化学成分(wt-%)

Al-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr编号MgMnSc56图1不同处理态合金的拉伸力学性能a)抗拉强度图1不同处理态合金的拉伸力学性能57图1不同处理态合金的拉伸力学性能b)屈服强度图1不同处理态合金的拉伸力学性能58图1不同处理态合金的拉伸力学性能c)延伸率

图1不同处理态合金的拉伸力学性能59100µma)100µmb)100µmd)100µmc)Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的金相组织100µma)100µmb)100µmd)100µmc)Al60100µmb)40µma)5µmc)d)Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金晶粒细化机制100µmb)40µma)5µmc)d)Al-Mg-Mn-S61acfeb100μm100μm100μm100μm100μm100μmd图5340℃/1h稳定化退火后合金的显微组织100Xa）1#合金b)2#合金c)3#合金d)4#合金e)5#合金f)6#合金

acfeb100μm100μm100μm100μm100μm62100µma)100µmb)100µmc)100µme)100µmf)100µmd)图4微量Sc和Zr对Al-Mg合金热轧态组织的影响Al-5Mg；b-d)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)；e)Al-6.2Zn-2Mg；f)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)

100µma)100µmb)100µmc)100µme)1063b)0.167µma)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)合金470℃/13h均匀化处理后的显微组织a)Al3(Sc,Zr)II明场像；b)电子衍射谱

b)0.167µma)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)合金64Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr

不同处理态Al-6.2Zn-2Mg和Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金的室温拉伸力学性能

合金状态

Al-6.2Zn-2MgAl-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)

σbMPa

σ0.2MPa

δ%σbMPa

σ0.2MPa

δ%热轧态357

25415.238729412.9465℃/30min,水淬

33217026.044529917.4465℃/30min+120℃/3h

41635715.049044713.0465℃/30min+120℃/12h

43937613.049445810.7465℃/30min+120℃/24h

45040510.054350910.6Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金中的Sc和Zr不同处理态A65100µma)0.2µmb)25µmc)2µmd)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)和Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金冷轧板以不同温度退火后的显微组织a-b)Al-5Mg-0.4(Sc+Zr)，400℃/1h；c-d)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)，535℃/1h100µma)0.2µmb)25µmc)2µmd)Al-5M66200nma)100nmb)100nmc)50nmd)50nme)f)不同处理态Al-Zn-Mg合金和Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金的透射电子显微组织Al-6.2Zn-2Mg合金固溶态；b-c)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金固溶态；c)Al3(Sc,Zr)II的(001)中心暗场像；d)Al-6.2Zn-2Mg合金120℃/12h时效态e)Al-6.2Zn-2Mg-0.35(Sc+Zr)合金120℃/12h时效态；f)相应于图g的[001]电子衍射谱；

200nma)100nmb)100nmc)50nmd)50n67Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金68Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr时效温度对导条强度的影响

Cu-Cr-Zr合金中的Cr和Zr时效温度对导条强度的影响69时效温度对导条延伸率的影响

时效温度对导条延伸率的影响70

冷拉后450℃/8h时效态

冷拉后450℃/8h时效态71Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr序号工艺条件合金性能

HB

σbMPaσ0.2MPaδ5%

σr％IACS1920℃×40min＋450℃×4h64.030611140.877.22920℃×60min＋475℃×8h98.330919133.386.43920℃×80min＋500℃×10h86.230817933.786.84940℃×40min＋475℃×10h86.530818433.486.95940℃×60min＋500℃×4h89.331018234.586.56940℃×80min＋450℃×8h89.032518434.778.87960℃×40min＋500℃×8h87.231518630.385.58960℃×60min＋450℃×10h92.232518635.179.99960℃×80min＋475℃×4h82.731618624.283.5Cu-Ag-Zr合金的力学性能和电学性能Cu-Ag-Zr合金中的Ag和Zr序号工艺条件合72Cu-Ag-Zr合金的X射线衍射谱

Cu-Ag-Zr合金的X射线衍射谱73已发表的论文

1.

RecrystallizationofAl-Mg-Sc-ZrAlloys,ZhangYonghong,YinZhimin,etal.,稀有金属材料科学与工程，Vol.31,3,2003,P167-1702.

微量Sc、Zr对铝镁合金组织和力学性能的影响，张永红，尹志民，稀土，Vol.23,3,2002,P29-323.

Sc和Zr复合微合金化在Al-Mg合金中的存在形式与作用，潘青林尹志民等，航空材料学报.2002,22(1),P6-104.

微量Sc在Al-Mg合金中的作用,潘青林,尹志民等,金属学报,2001,37(7),P749-7535.

微量Sc和Zr对Al-Zn-Mg合金组织与性能的影响,杨磊,潘青林,尹志民等,材料工程,2001.76.

微量Zr、Cr对Cu13Zn合金力学性能的影响，罗丰华，张久兴，尹志民等，稀有金属材料与工