新型耐热A1-0.2Sc-0.04（Zr，Yb）合金高温拉伸行为的研究

发布时间：2019-07-28 17:10

【摘要】：采用高纯铝(99.991wt.%)和中间铝合金(Al-1.85Sc、Al-4.38Zr、Al-5.08Yb)通过熔配的方法制备出Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金(wt.%),并在640oC均匀化24h后进行水淬。不同温度时效189min后进行室温恒速拉伸测试,获得最佳时效温区,并对峰时效(330oC×189min)处理合金进行了系统的变温、变速拉伸性能测试。结合OM(金相光学显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)和TEM(透射电子显微镜)观察,获得形变条件对合金微结构的影响,深入分析热处理制度和0.02%Yb置换Zr对合金室温和高温拉伸力学性能的影响,探索合金的高温形变机理。金相观察可知,Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的晶粒尺寸约为0.6mm,明显小于Al-0.2Sc-0.04Zr合金(1mm),这表明0.02%Yb置换Zr能适当减小合金晶粒尺寸。由室温恒速拉伸(1.7×10-3s-1)测试结果可知:随时效温度升高,两种合金的屈服强度和抗拉强度均先升高后下降,最佳时效温度区间是300~350oC。在相同时效温度下,0.02%Yb置换Zr能明显提高合金室温拉伸强度,提高幅度随时效温度而改变,欠时效区提高幅度最大,过时效区次之,而峰时效区最小,整体幅度在10~30%。100~300oC峰时效态(330oC×189min)合金恒速拉伸(1.7×10-4s-1)对比测试结果表明:Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2都随着温度升高而显著下降。在相同温度下,0.02%Yb置换Zr能适当提高合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2,整体而言,σb提高水平在10~12.8%,σ0.2则在5.3~8.7%,与峰时效态合金室温拉伸强度提高幅度相当。合金延伸率δ随变形温度升高先增加,然后又缓慢下降,基本处在20~40%水平之间,明显高于室温延伸率水平(15~24%)。此外,形变温度和Yb置换Zr对合金的屈强比(σ0.2/σb)有不同影响:两种合金的屈强比在室温时都在90%以下,100~300oC则在90~96%水平;而0.02%Yb置换Zr会增加合金室温和100oC的屈强比,而降低150~300oC间的屈强比。值得指出的是:合金室温拉伸屈服时的应变基本在0.5%以下,而高温时则在3%水平,这应该与合金高温形变时存在明显的滞弹性有关。通过应力递增实验,获得了峰时效态合金的真形变速率tε与准稳态真应力tσ间关系。发现tε~tσ关系无法按传统高温恒速拉伸常用的激活体积模型获得满意解释。根据存在门槛应力thσ的蠕变模型:exp()(A/)k TQnthtt-σ-σ=ε,式中A是常数,n是应力指数,Q是激活能,k是玻尔兹曼常数,T是绝对温度,对所得tε~tσ关系进行了分析。取n=4.4(纯Al应力指数),所得激活能明显小于纯铝的自扩散激活能(1.29e V)。取n=8(恒定亚结构应力指数),发现当低于150oC时,exp(A-/)k TQ与T/1出现明显反常,这表明在150oC时合金恒速拉伸机制出现了明显转变。当温度高于150oC时,exp(A-/)k TQ表现出强烈的温度依赖关系,所得激活能略高于1e V,但仍低于纯Al自扩散激活能(1.29e V)。若只考虑200oC及其以上数据,则Al-0.2Sc-0.04Zr和Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb的激活能分别为1.23e V和1.26e V,与纯Al自扩散激活能相当。仔细分析发现,激活能随温度升高而增大,这与文献上纯Al结果完全一致。此外,0.02%Yb置换Zr能适当提高合金门槛应力。综合结果表明:0.02%Yb置换Zr能进一步提高Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金拉伸性能,而峰时效态Al-0.2Sc-0.04(Zr,Yb)合金的高温形变应满足恒定亚结构的形变机制,而非国际上广泛认可的纯Al形变机制。
【图文】：

图 2.1 片状拉伸试样图2.2.3 高温恒速拉伸对经 330°C×189min 峰时效处理的 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金拉伸试样，在100、150、200、225、250、275、300°C 七个温度点分别进行高温恒速拉伸测试，拉伸速率为 0.2mm/min，拉伸试样几何形状同室温拉伸。本试验是在配有恒温箱的 CMT5105 型高低温万能试验机上进行，恒温箱温度范围为-30～350°C，温度波动为±1°C，温度梯度为 2°C。试验过程中先将拉伸试样固定在万能试验机的夹头上，然后随炉升至试验温度，并保温 30min 后，进行拉伸试验。2.2.4 同一温度下不同速率拉伸在高温恒速拉伸的基础上，对同一根峰时效态 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金拉伸试样进行恒定温度下的不同应变速率拉伸，所采用实验设备和试样同上述高温拉伸。设定的温度分别为 20、100、150、200、250、300°C，每根试样依次进行的拉伸速率为 0.012、0.0336、0.0948、0.264、0.756、2.16、6mm/min。其相

3 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金的变温拉伸性能研究3 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金的变温拉伸性能研究3.1 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金微结构图 3.1 是水冷铁模方式铸造的 Al-0.2Sc-0.04(Zr, Yb)合金（Yb 含量分别为 0、0.02wt.%）经均匀化处理后的晶粒微观形貌图。从图中可知，以水冷铁模铸造的两组分合金的均匀化态晶粒尺寸普遍均匀且为等轴晶，在晶粒的内部散布一些黑色沉淀小颗粒。0.02%Yb 置换 Zr 使合金的晶粒尺寸从近 1mm 减小至 0.6mm，，说明 Yb 置换 Zr 具有较好的晶粒细化效果。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG132.3

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本文编号：2520206