【摘要】：采用高純鋁(99.991wt.%)和中間鋁合金(Al-1.85Sc、Al-4.38Zr、Al-5.08Yb)通過熔配的方法制備出Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金(wt.%),并在640oC均勻化24h后進行水淬。不同溫度時效189min后進行室溫恒速拉伸測試,獲得最佳時效溫區(qū),并對峰時效(330oC×189min)處理合金進行了系統(tǒng)的變溫、變速拉伸性能測試。結合OM(金相光學顯微鏡)、SEM(掃描電子顯微鏡)和TEM(透射電子顯微鏡)觀察,獲得形變條件對合金微結構的影響,深入分析熱處理制度和0.02%Yb置換Zr對合金室溫和高溫拉伸力學性能的影響,探索合金的高溫形變機理。金相觀察可知,Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的晶粒尺寸約為0.6mm,明顯小于Al-0.2Sc-0.04Zr合金(1mm),這表明0.02%Yb置換Zr能適當減小合金晶粒尺寸。由室溫恒速拉伸(1.7×10-3s-1)測試結果可知:隨時效溫度升高,兩種合金的屈服強度和抗拉強度均先升高后下降,最佳時效溫度區(qū)間是300~350oC。在相同時效溫度下,0.02%Yb置換Zr能明顯提高合金室溫拉伸強度,提高幅度隨時效溫度而改變,欠時效區(qū)提高幅度最大,過時效區(qū)次之,而峰時效區(qū)最小,整體幅度在10~30%。100~300oC峰時效態(tài)(330oC×189min)合金恒速拉伸(1.7×10-4s-1)對比測試結果表明:Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的抗拉強度σb和屈服強度σ0.2都隨著溫度升高而顯著下降。在相同溫度下,0.02%Yb置換Zr能適當提高合金的抗拉強度σb和屈服強度σ0.2,整體而言,σb提高水平在10~12.8%,σ0.2則在5.3~8.7%,與峰時效態(tài)合金室溫拉伸強度提高幅度相當。合金延伸率δ隨變形溫度升高先增加,然后又緩慢下降,基本處在20~40%水平之間,明顯高于室溫延伸率水平(15~24%)。此外,形變溫度和Yb置換Zr對合金的屈強比(σ0.2/σb)有不同影響:兩種合金的屈強比在室溫時都在90%以下,100~300oC則在90~96%水平;而0.02%Yb置換Zr會增加合金室溫和100oC的屈強比,而降低150~300oC間的屈強比。值得指出的是:合金室溫拉伸屈服時的應變基本在0.5%以下,而高溫時則在3%水平,這應該與合金高溫形變時存在明顯的滯彈性有關。通過應力遞增實驗,獲得了峰時效態(tài)合金的真形變速率tε與準穩(wěn)態(tài)真應力tσ間關系。發(fā)現(xiàn)tε~tσ關系無法按傳統(tǒng)高溫恒速拉伸常用的激活體積模型獲得滿意解釋。根據(jù)存在門檻應力thσ的蠕變模型:exp()(A/)k TQnthtt-σ-σ=ε,式中A是常數(shù),n是應力指數(shù),Q是激活能,k是玻爾茲曼常數(shù),T是絕對溫度,對所得tε~tσ關系進行了分析。取n=4.4(純Al應力指數(shù)),所得激活能明顯小于純鋁的自擴散激活能(1.29e V)。取n=8(恒定亞結構應力指數(shù)),發(fā)現(xiàn)當?shù)陀?50oC時,exp(A-/)k TQ與T/1出現(xiàn)明顯反常,這表明在150oC時合金恒速拉伸機制出現(xiàn)了明顯轉變。當溫度高于150oC時,exp(A-/)k TQ表現(xiàn)出強烈的溫度依賴關系,所得激活能略高于1e V,但仍低于純Al自擴散激活能(1.29e V)。若只考慮200oC及其以上數(shù)據(jù),則Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb的激活能分別為1.23e V和1.26e V,與純Al自擴散激活能相當。仔細分析發(fā)現(xiàn),激活能隨溫度升高而增大,這與文獻上純Al結果完全一致。此外,0.02%Yb置換Zr能適當提高合金門檻應力。綜合結果表明:0.02%Yb置換Zr能進一步提高Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金拉伸性能,而峰時效態(tài)Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金的高溫形變應滿足恒定亞結構的形變機制,而非國際上廣泛認可的純Al形變機制。
【圖文】：

圖 2.1 片狀拉伸試樣圖2.2.3 高溫恒速拉伸對經 330°C×189min 峰時效處理的 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金拉伸試樣，在100、150、200、225、250、275、300°C 七個溫度點分別進行高溫恒速拉伸測試，拉伸速率為 0.2mm/min，拉伸試樣幾何形狀同室溫拉伸。本試驗是在配有恒溫箱的 CMT5105 型高低溫萬能試驗機上進行，恒溫箱溫度范圍為-30～350°C，溫度波動為±1°C，溫度梯度為 2°C。試驗過程中先將拉伸試樣固定在萬能試驗機的夾頭上，然后隨爐升至試驗溫度，并保溫 30min 后，進行拉伸試驗。2.2.4 同一溫度下不同速率拉伸在高溫恒速拉伸的基礎上，對同一根峰時效態(tài) Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金拉伸試樣進行恒定溫度下的不同應變速率拉伸，所采用實驗設備和試樣同上述高溫拉伸。設定的溫度分別為 20、100、150、200、250、300°C，每根試樣依次進行的拉伸速率為 0.012、0.0336、0.0948、0.264、0.756、2.16、6mm/min。其相

3 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金的變溫拉伸性能研究3 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金的變溫拉伸性能研究3.1 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金微結構圖 3.1 是水冷鐵模方式鑄造的 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金（Yb 含量分別為 0、0.02wt.%）經均勻化處理后的晶粒微觀形貌圖。從圖中可知，以水冷鐵模鑄造的兩組分合金的均勻化態(tài)晶粒尺寸普遍均勻且為等軸晶，在晶粒的內部散布一些黑色沉淀小顆粒。0.02%Yb 置換 Zr 使合金的晶粒尺寸從近 1mm 減小至 0.6mm，，說明 Yb 置換 Zr 具有較好的晶粒細化效果。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG132.3

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本文編號：2520206