Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材應(yīng)用性能及其相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、采用半連續(xù)鑄錠冶金方法制備了Al-Mg-Mn、Al-Mg-Mn-Sc-Zr兩種合金板材，并且還制備了Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的含Sc、Zr的配用焊絲。以Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材為研究對(duì)象，采用比較研究法并利用金相顯微鏡、透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡探索了合金板材的應(yīng)用性能及相應(yīng)的微觀機(jī)理。為用戶(hù)全面認(rèn)識(shí)Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的應(yīng)用性能，提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。主要研究

2、了合金板材力學(xué)性能平面各向異性、超塑拉伸特性、疲勞特性、耐蝕特性、電化學(xué)阻抗譜、焊接特性及相應(yīng)的微觀機(jī)理。得到了以下重要結(jié)論： (1) Al-Mg-Mn合金冷軋一退火成品板材具有{110}<112>軋制織構(gòu)和{100}<001>再結(jié)晶織構(gòu)組態(tài)，立方再結(jié)晶織構(gòu)的出現(xiàn)降低了Al-Mg-Mn合金的平面各向異性。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中的彌散析出相Al3(Sc1-xZrx)粒子，抑制了冷軋后退火過(guò)程中的再結(jié)晶和立方織構(gòu){100

3、}<001>的形成，其平面各向異性指標(biāo)IPA90比Al-Mg-Mn合金大。 (2)在相同超塑變形溫度和初始應(yīng)變速率下，Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金斷裂延伸率大于Al-Mg-Mn合金的斷裂延伸率。且Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金還表現(xiàn)出低溫高速超塑特性，微量Sc和Zr的添加降低了合金的超塑形變激活能，改善了合金的超塑特性。 (3)兩種合金超塑形變的主要機(jī)制是由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界擴(kuò)散、液相、細(xì)絲和空洞等協(xié)調(diào)的晶

4、界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。微量Sc、Zr的添加導(dǎo)致了低流變應(yīng)力，液相、細(xì)絲、空洞更趨均勻分布，有利于晶界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。 (4)微量Sc和Zr的添加大大提高了Al-Mg-Mn合金的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金和Al-Mg-Mn合金在107次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度分別是150MPa和123MPa。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金和Al-Mg-Mn合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均隨應(yīng)力比R的增加而增加。 (5) Al-Mg

5、-Mn-Sc-Zr合金比Al-Mg-Mn合金具有較高的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，但Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的宏觀裂紋擴(kuò)展速率較高。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金的扁平狀晶粒組織、大量細(xì)小Al3(Sc1-xZrx)粒子、高密度的位錯(cuò)和晶界、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的高摩擦阻力能有效地阻止微裂紋的形核和擴(kuò)展，這是它具有較高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的主要原因。而粗晶的Al-Mg-Mn合金的粗糙度誘發(fā)和塑變區(qū)誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)的共同作用強(qiáng)于Al-Mg-Mn-Sc

6、-Zr合金中的細(xì)晶和Al3(Sc1-xZrx)粒子對(duì)宏觀裂紋擴(kuò)展的阻礙作用，所以Al-Mg-Mn合金具有較高的抗宏觀裂紋擴(kuò)展特性。 (6)A1-Mg-Mn-Sc-Zr合金剝落腐蝕敏感性比Al-Mg-Mn合金高。為獲得強(qiáng)度、塑性和耐剝蝕性能的理想組合，需要選擇合理的退火工藝，減少或消除β相在晶間的網(wǎng)膜分布。 (7)由動(dòng)電位極化曲線分析得到的極化電阻、腐蝕電流密度、腐蝕速率可以反映合金耐蝕性能的高低，其結(jié)果和剝落腐蝕浸泡試驗(yàn)

7、結(jié)果一致。 (8)A1-Mg-Mn-Sc-Zr和A1-Mg-Mn合金在坑蝕誘導(dǎo)期的奈奎斯特圖由一壓縮的高中頻容抗弧和一低頻感抗弧組成，兩個(gè)容抗弧的出現(xiàn)標(biāo)志坑蝕的開(kāi)始。Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金阻抗譜上感抗弧的消失和兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的出現(xiàn)比Al-Mg-Mn合金早些。Al-Mg-Mn-Sc-Zr和A1-Mg-Mn合金坑蝕發(fā)展期的奈奎斯特圖由兩個(gè)重疊的容抗弧構(gòu)成，依據(jù)蝕坑結(jié)構(gòu)和電化學(xué)原理設(shè)計(jì)了等效電路圖，對(duì)坑蝕發(fā)展期的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)

8、行了擬合，試驗(yàn)結(jié)果和擬合數(shù)據(jù)一致，表明可以采用快速無(wú)損的電化學(xué)阻抗譜技術(shù)研究合金的腐蝕程度。 (9)在摩擦攪拌焊和氬弧焊條件下，12mm厚Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金熱軋板焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、延伸率和焊接系數(shù)分別為382MPa、20.3％、96.5％和328MPa、10.7％、82.8％；2mm厚Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金冷軋-退火板焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、延伸率和焊接系數(shù)分別為391MPa、10.9％、92.49％和36

9、5MPa、10.2％、86.3％?？梢?jiàn)摩擦攪拌焊能夠顯著提高Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材焊接接頭的力學(xué)性能。 (10)摩擦攪拌焊焊接接頭中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氬弧焊焊接接頭中常見(jiàn)的熱裂紋和氣孔等焊接缺陷，摩擦攪拌焊焊核區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶粒組織，晶粒直徑大約為1-3μm，熱機(jī)影響區(qū)內(nèi)仍然可見(jiàn)大量位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和第二相粒子Al3(Sc，Zr)。而氬弧焊焊縫為凝固組織，晶粒組織粗大，熱影響區(qū)內(nèi)位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)消失，第二相粒子Al