稀土元素Er在Al-Mg和Al-Zn-Mg合金中的作用機理研究.pdf

1、本文采用鑄錠冶金法制備了含不同量Er的Al-5Mg和Al-6Zn-2Mg合金。利用硬度測試、拉伸力學性能測試、金相組織觀察、X射線衍射分析、掃描電鏡與能譜分析、透射電鏡觀察等分析測試手段，研究了不同含量Er對這兩種合金在不同狀態(tài)(鑄態(tài)、均勻化態(tài)、熱軋態(tài)、冷軋態(tài)、退火態(tài)、固溶及時效態(tài))下的力學性能與微觀組織的影響，深入分析了Er在合金中的存在形式、與合金元素的交互作用、對合金的細化與強化機理、對合金再結晶行為的影響及再結晶形核機制，并初步

2、探討了Er對合金焊接性能的影響。同時本文還采用DSC測試及計算機模擬等方法，深入研究了Er對Al-6Zn-2Mg合金時效析出過程的影響。結果表明： 不同量Er可不同程度地提高實驗合金在各種狀態(tài)下的的硬度與強度。當Er含量為0.4wt.％時，Er能較大幅度地提高合金強度(Al-5Mg合金的強度提高率為20～35％，Al-Zn-Mg合金約為15～20％)，而塑性基本保持不變；繼續(xù)提高Er含量，強度無明顯提高但塑性下降較為明顯(約為2

3、0～50％)。Er對合金的強化機制主要有三種，即第二相析出強化、細晶強化和亞結構強化，其中前者的強化效應較大，后兩者的強化效應相對較小。 Er與合金元素Zn、Mg的交互作用強度很低，難以發(fā)生交互作用，因此Er在Al-5Mg和Al-6Zn-2Mg合金中的存在形式與在純鋁中的存在形式基本一致，其具體形式與Er的加入量有關。當Er含量不超過0.25wt.％時，Er主要溶入基體形成不穩(wěn)定的過飽和固溶體，大部分Er在凝固降溫及隨后的工藝加

4、熱過程中又以細小的次生Al3Er相的形式析出。當Er含量為0.4wt.％及更高時，除這兩種存在形式外，部分Er在熔體結晶時形成了初生Al3Er相；另外還有一部分Er在熔體最后凝固時形成了含Er或Al3Er的共晶化合物。 Er含量低于0.4wt.％時，對實驗合金的鑄態(tài)晶粒尺寸幾乎沒有影響，但可明顯減少枝晶間距，當Er含量達0.4wt.％及以上時，晶粒細化效果非常顯著。在實驗工藝條件下，Er有效細化晶粒的臨界成分為0.4wt.％。與

5、Al-5Mg合金相比，相同量Er可更顯著地消除Al-6Zn-2Mg合金的枝晶偏析，對晶粒的細化作用也更為突出。Er對晶粒的強烈細化作用機理是：由于Er在鋁中相對高的共晶溫度(655℃)和相對低的共晶點成分(6wt.％)，因此Er在熔體中可形成初生Al3Er相，它們與基體具有良好的界面匹配性，可以作為非均質形核核心，提高形核率，還可阻礙晶枝成長，促使晶核增值，從而能有效細化晶粒。 一定量Er可以明顯抑制實驗合金的再結晶。添加0.4

6、wt.％Er可使Al-5Mg合金的起始與終了再結晶溫度均提高50℃，并將Al-6Zn-2Mg合金的再結晶溫度提高40～60℃。再結晶溫度的提高主要源于細小Al3Er質點對位錯和亞晶界的釘扎作用。由于Al3Er質點在400℃以上時發(fā)生粗化與聚集現(xiàn)象，使其釘扎位錯和亞晶界的能力降低，因此Er抑制再結晶的作用并不強。Al-6Zn-2Mg-0.4Er合金的再結晶形核機制為亞晶聚合和亞晶長大雙重機制。 添加0.4wt.％Er可改善實驗合金

7、的焊接接頭組織，降低裂紋形成傾向，提高焊接接頭的塑性和焊接強度系數(shù)，在一定程度上提高了合金的焊接性能。 Er可促進Al-6Zn-2Mg合金中的強化相η′相的析出，使得η′相更為細小彌散，加快時效進程，提高時效強化效果，同時η′相的穩(wěn)定性也略有下降。這是因為Er的加入降低了η′相的溶解激活能，從而降低了原子擴散所需要越過的勢壘高度，使得組織轉變在較低的溫度下就能進行。 綜合上述實驗結果，Er是Al-Mg與Al-Zn-Mg合