基于稀土元素Sc改性Al-Mg新型鋁合金的組織控制與強化機理研究.pdf

1、高性能鋁合金由于低密度、強度適中、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，為了進一步擴大合金在航天航空、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用，合金需要具備更高的強度。而提高鋁合金強度的一個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)和拉伸實驗研究了Sc和

2、Sc、Zr復(fù)合合金化對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，合金細化效果不明顯;而當Sc添加量增加至0.4 wt.％時，合金微觀組織由粗大樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S晶，顯著

3、細化晶粒，其晶粒尺寸由259.1μm減至77.2μm;當Sc含量繼續(xù)增至0.6 wt.％，合金得到進一步細化，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，合金的抗拉強度增幅為4％、30％和40％，屈服強度增幅為18％、78％和111％，而塑性減幅為12％、33％和44％。當Sc添加量為0.4 wt.％時，合金的綜合性能達到最佳，此時合金的抗拉強度、屈服強度和塑性分

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添加量超過共晶點成分時（0.4 wt.％），合金在凝固過程中析出初生的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擬制有害擴散和作為α-Al基體的異質(zhì)形核核心，起到細化晶粒的作用。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含量未達到共晶點成分時，Sc主要固溶在基體中形成過飽和固溶體，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，阻礙亞晶界的遷移與合并，對合金產(chǎn)生強烈的亞結(jié)構(gòu)強化和彌散強化效果。
　　(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，即優(yōu)先在<111>方向生

6、長形成樹枝晶的主干，然后在<110>和<100>方向生長出二次枝晶和三次枝晶，最后由于元素的擴散與偏聚而形成“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算方法。通過這種方法計算出交截面分別為(100)、(110)、(111)的三個不同形貌顆粒在觀察面上的三個慣習(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)。通過變換得出相對應(yīng)的坐標軸分別為(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)隨機分布，而不是簡單的{100}、{110}或{111}面。
　　(5)0.2 wt.％ Sc和0.1 wt.％ Zr復(fù)合修飾Al-5Mg合金時產(chǎn)生顯著的晶粒細化效果。合金中析出的初生粒子由于與基體α