简介概要

铒对Al-4.5Mg-0.7Mn合金组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2006年第4期

论文作者：左铁庸邢泽丙季小兰邹景霞聂祚仁

关键词：铸态组织; 力学性能; 铒; Al3Er;

摘要：采用拉伸性能测试、金相组织观察、扫描电镜与能谱分析以及X射线衍射等方法,研究了单独添加微量Er和Er,Zr复合添加对Al-4.5Mg-0.7Mn合金组织与性能的影响.结果表明,Er能够明显细化该合金的晶粒(枝晶网胞),改善合金铸态组织.微量Er和Zr元素的同时加入,使得Al-4.5Mg-0.7Mn合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2均有所提高,而对合金的伸长率几乎没有影响.微量Er元素除部分固溶于Al基体外,大部分与Al形成具有L12型结构的Al3Er相,这种细小的Al3Er颗粒与Al基体共格,对合金起强化作用.

稀有金属 2006,(04),462-465 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.04.009

铒对Al-4.5Mg-0.7Mn合金组织与性能的影响

邢泽丙聂祚仁邹景霞左铁庸

北京工业大学材料与工程学院,北京工业大学材料与工程学院,北京工业大学材料与工程学院,北京工业大学材料与工程学院,北京工业大学材料与工程学院北京100022,北京100022,北京100022,北京100022,北京100022

摘要：

采用拉伸性能测试、金相组织观察、扫描电镜与能谱分析以及X射线衍射等方法, 研究了单独添加微量Er和Er, Zr复合添加对Al-4.5Mg-0.7Mn合金组织与性能的影响。结果表明, Er能够明显细化该合金的晶粒 (枝晶网胞) , 改善合金铸态组织。微量Er和Zr元素的同时加入, 使得Al-4.5Mg-0.7Mn合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2均有所提高, 而对合金的伸长率几乎没有影响。微量Er元素除部分固溶于Al基体外, 大部分与Al形成具有L12型结构的Al3Er相, 这种细小的Al3Er颗粒与Al基体共格, 对合金起强化作用。

关键词：

铸态组织;力学性能;铒;Al3Er;

中图分类号： TG113

作者简介：聂祚仁 (E-mail: zrnie@bjut.edu.cn) ;

收稿日期：2005-07-26

基金：国家“863”重大基础规划研究项目资助课题;

Effects of Trace Erbium on Structure and Tensile Properties of Al-4.5Mg-0.7Mn Alloy

Abstract：

The effects of the addition of minor Er and trace Er with Zr on the microstructure and tensile properties of the Al-4.5Mg-0.7Mn alloy were studied by tensile properties measurement, optical microscopy, X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum analysis.The experimental results show that the addition of rare-earth element Er can obviously refine the grain size of the alloy.The addition of trace Er with Zr not only enhances the tensile strength σ_b and yield strength σ₀.2, but has almost no influence on the elongation of the alloys.Most of the added Er form Al₃Er which can strengthen the alloys, except a little part of Er which is solubilized into the α-Al solid solution.

Keyword：

as-casting structure;tensile property;erbium;Al₃Er;

Received： 2005-07-26

铝镁系合金具有优异的塑性、耐蚀性和焊接性能, 可广泛应用于航空、航天及交通运输等领域。但由于该系合金的强度不高, 其实际应用受到一定的限制。该系合金为热处理不可强化铝合金, 一般采用加工硬化和微合金化等方法来提高其综合性能。由于加工硬化对合金强度的提高有限, 目前普遍关注的是微合金化的方法。而对微合金化元素研究最多、效果最显著的为钪 (Sc) , 但是Sc的价格十分昂贵, 使其不能得到广泛应用。近来的研究表明 ^[1,2,3,4,5] , 铒 (Er) 是铝镁系合金有效的微合金化元素, 它能有效细化铸态组织, 提高合金强度, 而且其价格仅为Sc的1/50。本文选取常用的工业铝镁合金LF5 (Al-4.5Mg-0.7Mn) 为研究对象, 讨论Er对合金的铸态组织与力学性能的影响。为对比起见, 又研究了Er, Zr复合添加以及单独添加Zr的Al-4.5Mg-0.7Mn合金的组织性能, 同时对Er在不同合金中的存在形式与作用机制进行了初步探讨, 以期为进一步研究工作奠定基础。

1 实验

根据实验目的与要求, 设计了目标合金的名义成分, 如表1所示。选用A₀₀纯铝、 1^#纯镁、 Al-6.0Er、 Al-10.0Mn和Al-4.5Zr为原料, 根据合金的名义成分进行配料。采用铸锭冶金法制备实验用合金。在普通型坩埚电阻炉中采用石墨坩埚进行熔炼, 熔炼温度为780～800 ℃, 铝合金专用6^#覆盖剂覆盖, C₂Cl₆除气, 铁模铸造, 模温约200 ℃, 浇铸温度为710～730 ℃。浇铸好的合金需进行均匀化处理, 均匀化条件为470 ℃/20 h。铸锭经切头、铣面后再进行热轧及冷轧。热轧温度为460 ℃, 热轧总变形量约84%。热轧后进行中间退火, 退火温度为400 ℃, 保温1 h。退火后空冷至室温再进行冷轧, 最终板厚为1.5 mm, 冷轧总变形量约为67%。拉伸试样按GB6397-86的要求制取, 在MTS810型试验机上进行拉伸性能测试, 拉伸速率2 mm·min^-1。金相试样经机械抛光、混合酸 (1% HF+1.5% HCl+2.5% HNO₃+95% H₂O) 侵蚀后, 采用德国产的NEOPHOT-21型金相显微镜进行微观组织观察; 采用X射线衍射和扫描电镜 (SEM) 观察和分析微量元素的存在形式及对组织的影响。

表1 实验合金的名义成分 (%, 质量分数)

Table 1 Nominal composition of experimental alloys

合金编号	Mg	Mn	Zr	Er	Al
1^#	4.5	0.7			余量
2^#	4.5	0.7		0.4	余量
3^#	4.5	0.7	0.1		余量
4^#	4.5	0.7	0.1	0.4	余量

2 结果与分析

2.1 Er对铸态组织的影响

图1显示了0.4%Er和0.4%Er与0.1%Zr复合添加到Al-4.5Mg-0.7Mn合金中, 其铸态组织的金相显微组织变化, 从图中可以看出, 未加入Er和Zr的1^#合金的枝晶网胞尺寸粗大, 晶粒较大, 加入0.1%Zr的3^#合金晶粒细化不明显, 当合金中加入稀土Er和Er, Zr复合加入时, 枝晶网胞尺寸明显减小, 晶粒较细密, 如图1 (b) 和1 (d) 所示。可见稀土元素Er可以细化Al-4.5Mg-0.7Mn合金的铸态晶粒组织。 Er, Zr复合添加的细化效果与单独加入Er的效果基本相同。将Er元素添加到Al-4.5Mg-0.7Mn合金中, 受正常凝固条件下扩散动力学条件所限, 在合金凝固过程中, Er元素将聚集在固液界面前沿, 引起溶质再分配, 从而增大了合金凝固过程中的成分过冷, 使分枝过程加剧, 从而使得枝晶网胞变细。

2.2 微量Er 在合金中的存在形式

图2为4^#合金的X射线衍射图谱 (2^#合金的X射线衍射图谱与其基本类似) 。 Er在Al-4.5Mg-0.7Mn合金中形成Al₃Er相, Zr没有形成金属间化合物, 而是固溶在铝基体中, 起固溶强化的作用 (4^#合金的α-Al峰要比2^#合金的宽) 。

图1 实验合金的铸态金相显微组织 (a) 1#合金; (b) 2#合金; (c) 3#合金; (d) 4#合金

Fig.1 Optical micrograph of as-cast experimental alloys

在4^#合金的晶粒内部和晶界上存在着细小的第二相粒子, 经能谱分析 (如图3所示) , 该粒子有两种组成, 一种是颜色较暗的, 尺寸较小约为1～2 μm (如图 (a) 中的箭头1所示) , 由Al和Mn, Fe组成, 根据文献 [ 6, 7] 及X射线衍射可知该粒子为Al₆Mn, 由于Al₆Mn有吸附杂质铁的作用, 固能谱中有铁元素; 另一种颜色较亮, 尺寸相对较大, 约3～5 μm (如图 (a) 中的箭头2所示) , 由Al和Er两种元素组成, 原子百分比为3∶1, 结合Al-Er相图和X射线衍射 (如图3所示) , 断定该粒子为Al₃Er相。 Al₃Er相为LI2型结构 ^[8] , 面心立方, 与铝的错配度很低, 仅为3.8%。根据非均质形核理论 ^[9] , 符合作为非均质形核核心的尺寸结构条件。而且Al₃Er粒子的晶格类型为简立方, 点阵常数a=0.4215 nm, 结晶时, Al₃Er相质点能够与基体晶粒较好的润湿, 减小两者的接触角, 从而使Al₃Er相质点与基体晶粒所接触的结晶面具有较小的表面张力, 有利于非均质形核, 达到细化晶粒的目的。

2.3 Er对力学性能的影响

图4为4种合金在常温和200 ℃退火状态下的拉伸力学性能, 从图4 (a) 中可以看出, 在Al-4.5Mg-0.7Mn合金中加入0.4%Er, 其强度没有显著提高, 延伸率略有降低; 而在该合金中加入0.1%Zr之后, 抗拉强度和屈服强度都有明显提高, 延伸率也呈上升趋势; 当Er和Zr复合添加时, 合金的强度得到较大程度的提高, 抗拉强度和屈服强度分别提高约6%和5%, 延伸率仍保持原来的水平。经200 ℃退火之后, 4种合金的塑性得到明显改善, 延伸率约提高一倍, 强度有所下降, 而添加0.4%Er和0.1%Zr的4^#合金的抗拉强度和屈服强度仍是4种合金中最高的。

图2 4#合金铸态X射线衍射图谱

Fig.2 X-ray diffraction pattern of as-cast alloy 4^#

由以上结果可以看出, Er, Zr复合添加到Al-4.5Mg-0.7Mn合金中, 对强度的提高较显著, 且几乎不降低材料的塑性, 而单独加入Er却不能达到这样的效果。这是由于Er单独加入和Er, Zr复合加入所形成的Al₃Er相尺寸不同所致, 从冷扎的形貌图 (图略) 可以看到, 2^#合金中的第二相粒子尺寸相对较粗大, 且呈大量聚集状态, 而在4^#合金中, 第二相粒子的尺寸相对较小, 且弥散性也略好一些。第二相粒子越细小, 弥散度越高, 对位错与亚晶界迁移的阻力越大, 从而提高了位错与亚晶界运动的临界阻力, 使合金力学性能得到提高。

同时, 如2.1小节所述, Er的加入, 可以细化合金晶粒。根据霍尔-佩奇公式σ_0.2=σ_i+KD^-1/2 (其中σ_0.2为合金的屈服强度; σ_i和K是与材料有关的两个常数; D为晶粒直径) , 合金强度与晶粒尺寸成反比, 晶粒越细, 强度越高。因此除了第二相强化之外, 细晶强化也是实验合金的一种强化机制。 Er使得实验合金的延伸率略有降低, 但不明显。这可以从两个方面解释: 一方面第二相粒子的存在使得合金强度明显提高, 但相应地降低了合金塑性; 另一方面, 由于Er对合金晶粒的显著细化作用而使得合金塑性变形得以较为均匀地进行, 从而提高了合金塑性。因此, 总的来说, Er对实验合金的塑性影响不大。

2.4 断口形貌观察

图5为4种合金拉伸断口形貌, 拉伸微观断口均为韧窝和撕裂棱混合型韧性断口。比较1^#和2^#两类合金的断口图, 可以看出, 1^#合金的断口主要以撕裂棱为主, 2^#合金的韧窝略多略深一些, 且在某些韧窝里有明显的质点。此两种合金主要以晶界断裂为主。 3^#合金断口与2^#合金的类似, 但韧窝内未见明显的质点。与1^#和2^#合金相比, 4^#合金的断口中韧窝占的比重较大, 基本都是由细小且相对较深的韧窝组成, 韧窝内存在较多的第二相粒子, 能谱分析表明, 粒子主要由Al和Er两种元素组成, 由前面的分析可知, 这是Al₃Er相, 其与基体结合性很好, 提高合金的断裂强度, 该断裂属于第二相引起的晶内断裂。由以上分析可知, 实验合金断口形貌的变化与Er对实验合金塑性的影响分析是一致的。

图3 Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.4Er合金的SEM照片及第二相能谱分析 (a) 4#合金的SEM照片; (b) 箭头1示第二相的能谱照片; (c) 箭头2示第二相的能谱照片

Fig.3 Al-4.5Mg-0.7Mn-0.1Zr-0.4Er alloys SEM photographs and EDS analysis of second phase

图4 实验合金的拉伸力学性能 (a) 4种合金的常温拉伸力学性能; (b) 4种合金200 ℃退火后的拉伸力学性能

Fig.4 Tensile properties of alloys

图5 实验合金冷轧态拉伸断口形貌 (a) 1#合金; (b) 2#合金; (c) 3#合金; (d) 4#合金

Fig.5 SEM fracture-graphs of cold-rolled experiment alloys

3 结论

1. 在Al-4.5Mg-0.7Mn合金中单独加入微量稀土Er或Er, Zr复合添加, 能明显细化该合金的铸态组织, 通过在凝固过程中形成的初生Al₃Er 相, 作为非均质形核的核心, 提高形核率, 细化铸态组织。

2. 单独加入稀土Er不能明显提高Al-4.5Mg-0.7Mn合金的力学性能, Er, Zr复合添加却可以显著提高Al-4.5Mg-0.7Mn合金的强度, 是因为与单独加入稀土Er相比, Er和Zr复合添加时, 合金中第二相粒子尺寸相对较小, 且弥散度相对较好。仅加入稀土Er时, 合金的塑性略有下降, 与Zr同时加入时, 塑性基本保持不变。 Er对实验合金的强化机制主要为第二相强化与细晶强化。