稀土元素Er在Al-Mg和Al-Zn-Mg合金中的作用機(jī)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(xué)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(duì)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(shí)效態(tài))下的力學(xué)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(duì)合金的細(xì)化與強(qiáng)化機(jī)理、對(duì)合金再結(jié)晶行為的影響及再結(jié)晶形核機(jī)制，并初步

2、探討了Er對(duì)合金焊接性能的影響。同時(shí)本文還采用DSC測試及計(jì)算機(jī)模擬等方法，深入研究了Er對(duì)Al-6Zn-2Mg合金時(shí)效析出過程的影響。結(jié)果表明： 不同量Er可不同程度地提高實(shí)驗(yàn)合金在各種狀態(tài)下的的硬度與強(qiáng)度。當(dāng)Er含量為0.4wt.％時(shí)，Er能較大幅度地提高合金強(qiáng)度(Al-5Mg合金的強(qiáng)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(qiáng)度無明顯提高但塑性下降較為明顯(約為2

3、0～50％)。Er對(duì)合金的強(qiáng)化機(jī)制主要有三種，即第二相析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，其中前者的強(qiáng)化效應(yīng)較大，后兩者的強(qiáng)化效應(yīng)相對(duì)較小。 Er與合金元素Zn、Mg的交互作用強(qiáng)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(guān)。當(dāng)Er含量不超過0.25wt.％時(shí)，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(xì)小的次生Al3Er相的形式析出。當(dāng)Er含量為0.4wt.％及更高時(shí)，除這兩種存在形式外，部分Er在熔體結(jié)晶時(shí)形成了初生Al3Er相；另外還有一部分Er在熔體最后凝固時(shí)形成了含Er或Al3Er的共晶化合物。 Er含量低于0.4wt.％時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dāng)Er含量達(dá)0.4wt.％及以上時(shí)，晶粒細(xì)化效果非常顯著。在實(shí)驗(yàn)工藝條件下，Er有效細(xì)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(duì)晶粒的細(xì)化作用也更為突出。Er對(duì)晶粒的強(qiáng)烈細(xì)化作用機(jī)理是：由于Er在鋁中相對(duì)高的共晶溫度(655℃)和相對(duì)低的共晶點(diǎn)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(zhì)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(xì)化晶粒。 一定量Er可以明顯抑制實(shí)驗(yàn)合金的再結(jié)晶。添加0.4

6、wt.％Er可使Al-5Mg合金的起始與終了再結(jié)晶溫度均提高50℃，并將Al-6Zn-2Mg合金的再結(jié)晶溫度提高40～60℃。再結(jié)晶溫度的提高主要源于細(xì)小Al3Er質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)和亞晶界的釘扎作用。由于Al3Er質(zhì)點(diǎn)在400℃以上時(shí)發(fā)生粗化與聚集現(xiàn)象，使其釘扎位錯(cuò)和亞晶界的能力降低，因此Er抑制再結(jié)晶的作用并不強(qiáng)。Al-6Zn-2Mg-0.4Er合金的再結(jié)晶形核機(jī)制為亞晶聚合和亞晶長大雙重機(jī)制。 添加0.4wt.％Er可改善實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度系數(shù)，在一定程度上提高了合金的焊接性能。 Er可促進(jìn)Al-6Zn-2Mg合金中的強(qiáng)化相η′相的析出，使得η′相更為細(xì)小彌散，加快時(shí)效進(jìn)程，提高時(shí)效強(qiáng)化效果，同時(shí)η′相的穩(wěn)定性也略有下降。這是因?yàn)镋r的加入降低了η′相的溶解激活能，從而降低了原子擴(kuò)散所需要越過的勢壘高度，使得組織轉(zhuǎn)變?cè)谳^低的溫度下就能進(jìn)行。 綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Er是Al-Mg與Al-Zn-Mg合