简介概要

微量钪对Al-Mg-Mn合金组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2003年第3期

论文作者：潘青林周昌荣尹志民陈显明

关键词：Al-Mg-Mn; Al-Mg-Mn-Sc; 显微组织; 力学性能;

摘要：采用铸锭冶金法制备了Al-Mg-Mn和Al-Mg-Mn-Sc两种合金,利用TEM和金相显微镜等手段研究了微量Sc对Al-Mg-Mn合金组织与性能的影响. 结果表明加入微量Sc可以提高Al-Mg-Mn合金的拉伸力学性能.在电镜下可以观察到,在Al-Mg-Mn合金中加入微量Sc可以形成大量弥散的Al-3Sc粒子,这些粒子对位错具有钉扎作用.

稀有金属 2003,(03),403-405 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.03.022

微量钪对Al-Mg-Mn合金组织与性能的影响

潘青林周昌荣尹志民

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083

摘要：

采用铸锭冶金法制备了Al Mg Mn和Al Mg Mn Sc两种合金 , 利用TEM和金相显微镜等手段研究了微量Sc对Al Mg Mn合金组织与性能的影响。结果表明 :加入微量Sc可以提高Al Mg Mn合金的拉伸力学性能。在电镜下可以观察到 , 在Al Mg Mn合金中加入微量Sc可以形成大量弥散的Al3Sc粒子 , 这些粒子对位错具有钉扎作用。

关键词：

Al-Mg-Mn;Al-Mg-Mn-Sc;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2002-07-12

基金：国家重点基础研究基金 (G19990 64 90 9) 资助项目;

Effects of Minor Scandium Addition on Microstructure and Tensile Properity of Al-Mg-Mn Alloy

Abstract：

Cast metallurgy was adopted to prepare two alloys: Al Mg Mn and Al Mg Mn Sc. The ways of TEM and optical micrograph were used to study the effect of minor Sc addition on microstructure and tensile properity of Al Mg Mn. The results show that the tensile properity of Al Mg Mn alloy is improved by adding minor Sc. Large numbers of fine Al 3Sc particles are observed under the TEM. The particles have the function of pinning dislocation.

Keyword：

Al Mg Mn; Al Mg Mn Sc; microstructure; tensile property;

Received： 2002-07-12

含Sc铝合金具有高的强度和韧性、优异的可焊性和耐蚀性 ^[1,2,3] , 是航天航空和船舰等国防军工尖端领域用新型铝合金结构材料。国内外对此进行了大量的研究 ^[4,5,6,7,8] 。但对于微量Sc对Al-Mg-Mn合金组织与性能影响的研究未见有文章公开发表。因此本文拟采用TEM和金相显微镜等手段研究微量Sc对Al-Mg-Mn合金组织与性能的影响, 并探讨其作用机理。

1 材料和实验方法

以纯铝、纯镁、 Al-Sc和Al-Mn中间合金为原料, 采用铸锭冶金法制备了Al-5Mg-0.4Mn (合金A) 和Al-5Mg-0.4Mn-0.2Sc (合金B) 两种合金。合金铸锭均匀化后经热轧、冷轧制成2.5 mm厚薄板, 总变形量达到92%。之后沿轧向截取拉伸试样, 试样经退火后在CSS-44100电子万能材料实验机上进行拉伸试验。金相样品经氟硼酸水溶液电解抛光复膜后, 在POLYVER-MET光学显微镜下用偏光观察。透射电镜样品经机械减薄后双喷穿孔而成, 电解液为30%硝酸甲醇溶液, 温度为-20 ℃, 显微组织观察在H-800透射电镜上进行。

2 实验结果

2.1 微量Sc对Al-Mg-Mn合金拉伸力学性能的影响

两种合金板材的拉伸力学性能见表1。由表可见, 微量Sc加入到Al-Mg-Mn合金中, 合金的强度得到了提高, 不同退火制度下, 抗拉强度σ_b、屈服强度σ_0.2的提高幅度分别达到25～45 MPa和20～48 MPa, 而塑性δ下降不是很多, 在130 ℃/3 h退火态下塑性还略有提高。比较合金的两种退火制度, 发现Al-Mg-Mn-Sc合金在130 ℃/3 h退火态下有较好的力学性能, 其σ_b, σ_0.2和δ分别达到396, 304 MPa和11.4%。

表1 两种实验合金 (A, B) 的拉伸力学性能

Table 1 Tensile properties of alloy A and alloy B

退火制度	σ_b/MPa		σ_0.2/MPa		δ/%
退火制度	A	B	A	B	A	B
130 ℃/3 h	371	396	284	304	10.9	11.4
340 ℃/1 h	291	336	143	191	20.1	15.5

2.2 微量Sc对Al-Mg-Mn合金显微组织的影响

图1为两种合金的金相显微组织。由图可以看出, 未添加Sc的合金A, 晶粒内为明显的树枝状组织 (图1 (a) ) ; 而添加了0.2% Sc的合金B, 其树枝状组织大部分被消除了 (图1 (b) ) 。

这表明, 微量Sc可以消除Al-Mg-Mn合金中的枝晶, 起到变质剂的作用。

图1中还给出了两种合金的热轧态金相组织, 从这两种组织可以看出, 在热轧态下, 两种合金的金相组织都为纤维组织, 但添加了0.2% Sc的合金B (图1 (d) ) 比没有添加Sc的合金A (图1 (c) ) 的纤维组织细小得多。这表明, 在热轧时, Sc可以细化Al-Mg-Mn合金中的纤维组织。

图1 两种合金的金相组织

Fig.1 Optical micrograghs of alloy A and alloy B

(a) Alloy A-cast; (b) Alloy B-cast; (c) Alloy A-hot-rolled; (d) Alloy B-hot-rolled; (e) Alloy A-annealed, 340 ℃/1 h; (f) Alloy B-annealed, 340 ℃/1 h

图1中 (e) ～ (f) 是两种实验合金在340 ℃/1 h退火态下的金相组织。由图可以看出, 合金A (图1 (e) ) 已经发生了完全再结晶, 而合金B (图1f) 仍为未再结晶的纤维组织。这表明: Sc在Al-Mg-Mn合金退火过程中有抑制再结晶的作用。

透射电镜研究发现, 合金A中存在椭圆状、方块状第二相粒子 (图2 (a) ) 。经EDAX分析并根据参考文献 [ 9, 10] , 这些椭圆状、方块状第二相粒子主要为 (FeMn) Al₆和 (FeMn) ₃Si₂Al₁₅相。而合金B中除合金A中粒子外还可以进一步观察到大量弥散细小的球状Al₃Sc第二相粒子 (图2 (b) ) 。这些第二相粒子对位错和亚晶具有强烈地钉扎作用 (图2 (c) 和 (d) ) , 有效地阻止了亚晶界的迁移与合并, 从而稳定了亚晶粒结构, 抑制了合金的再结晶。

3 分析和讨论

3.1 微量Sc在Al-Mg-Mn合金中的存在形式

对于以Al-Mg-Mn为基的含Sc铝合金, Sc和 Mg, Mn不起作用, 不形成中间相 ^[11,12] 。因此, Sc在Al-Mg-Mn合金中的存在形式同它在Al-Sc二元合金中的存在形式类似。根据Al-Sc二元合金相图可知, 室温下Sc的极限固溶度极小, 仅为0.32%。当Sc的含量小于0.32%时, 平衡状态下Sc会固溶在α-Al中。但在非平衡凝固条件下, 且由于Mg, Mn的加入会大大降低Sc在Al中的固溶度, 因此会析出初生的Al₃Sc粒子。这些粒子属于L1₂型, 晶格常数a=0.4103 nm ^[13] , 与基体十分相近, 且与基体完全共格。而含Sc的过饱和固溶体极不稳定, 其分解速度非常快 ^[14] , 所以非平衡凝固含Sc的铝合金铸锭, 在随后工艺加工过程中极易析出次生Al₃Sc相, 这些次生Al₃Sc粒子非常细小, 弥散地分布在基体中。

图2 实验合金的透视电子显微照片 (340 ℃/1 h)

Fig.2 TEM micrograghs of alloy A and alloy B (340 ℃/1 h)

(a) Secondary particles in alloy A; (b) Secondary dispersion in alloy B; (c) Secondary particles pinning dislocation in alloy B; (d) Subgrain and dislocation in alloy B

3.2 微量Sc在Al-Mg-Mn合金中的作用

由上面分析可知, 微量Sc在Al-Mg-Mn合金中可以初生的Al₃Sc相和次生的Al₃Sc相存在。初生Al₃Sc由于其自身的特点, 在凝固过程中成为良好的非均质晶核, 可消除Al-Mg-Mn合金中的枝晶组织, 对Al-Mg-Mn合金起变质作用。次生Al₃Sc质点可以强烈地钉扎位错, 阻碍位错运动, 使位错滑移所需的切应力大大提高, 同时阻止了亚晶界迁移与合并, 对形变组织中的亚结构具有稳定化作用, 使得在变形过程中形成的由缠结位错构成的胞状组织 ^[11] 在随后的退火过程中发生回复形成亚晶粒, 从而对合金产生亚结构强化。此外, 次生Al₃Sc本身以弥散、细小的方式析出, 对Al-Mg-Mn合金具有显著的析出强化作用。因此, 亚结构强化和析出强化是含Sc的铝合金强度提高的主要原因。 Al₃Sc相的这些作用, 也使得热轧过程中的纤维组织得到了细化, 并有效地抑制了合金中的再结晶。