预处理和冷轧量对Al-0.2Sc-0.02Yb-0.02Zr合金力学与电学性能的影响

发布时间：2020-08-23 12:09

【摘要】：以冷轧真应变对铝合金性能的影响为主线,通过测试不同预处理和冷轧真应变下Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb(质量百分比,下同)合金导线的力学和电学性能,寻找最佳冷热处理方式,以期获得高强、高导耐热铝合金导线。用高纯Al,Al-Sc和Al-Yb中间合金通过熔配法制备Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金。铸态合金分别经均匀化,均匀化+峰时效(简称峰时效)和均匀化+热挤+均匀化(简称热挤)三种预处理后,进行了不同程度冷轧,冷轧真应变分别为69、92、120、161和230%。通过预处理+冷轧+时效态合金的力学和电学性能测试,获得了预处理和冷轧量对合金性能的影响,并重点比较了三种预处理+冷轧+峰时效态合金的力学和电学性能。主要研究结论如下:Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的峰时效条件为330℃×1 h,预处理方式和时效前的冷轧对合金峰时效条件无明显影响。三种预处理+冷轧+峰时效合金,硬度和强度均随冷轧量增加而增加,且预处理方式对合金力学性能有明显影响:在相同冷轧量下,峰时效预处理最高,热挤次之,而均匀化最低。定量分析表明:合金力学性能(强度和硬度)与轧制真应变关系均遵从Hollomon公式,通过拟合得到了相应的强化系数K和强化指数n。发现对三种预处理+冷轧+峰时效合金而言,均匀化预处理n最大,热挤次之,峰时效预处理最低。而对均匀化+冷轧+时效合金而言,n随时效温度升高先增大后减小,在280℃达到最大,在400~℃及以上时n是负值。对最大冷轧真应变(230%)+峰时效态合金而言,峰时效预处理强度最高(屈服强度σ_(0.2)、抗拉强度σ_b和伸长率δ分别为192.6±2.5 MPa,215.6±3.1 MPa和10.3%±1.4%),热挤稍低(σ_(0.2)、σ_b和δ分别为191.8±4.8 MPa,214.3±4.9 MPa和11.9±1.5%),均匀化最低(σ_(0.2)、σ_b和δ分别为174.6±2.6 MPa,199.0±0.9 MPa和11.4±2.6%)。产生这种变化的原因主要与冷轧合金在时效过程中形成的亚结构和次生Al_3(Sc,Zr,Yb)沉淀相有关。冷轧引入大量位错,导致内应力增大。在冷轧后的峰时效时,一方面这些位错会发生恢复和再结晶,形成细小的亚结构;另一方面,位错和亚结构均是基体的畸变区,易成为次生Al_3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀的形核点,且较大的内应力也有助于析出更多的Al_3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀。因而峰时效合金力学性能均随冷轧量的增加而不断提高。在三种预处理方式中,峰时效预处理强度最高,热挤次之,而均匀化最低,即相同冷轧量所需的轧制力也依次降低。因而经最终峰时效后,峰时效预处理方式获得的强度最高,热挤次之,而均匀化最低。三种预处理+冷轧+峰时效态Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的导电性测试结果表明:在相同预处理方式下,合金20℃电导率均随冷轧量的增加而不断增加。这表明峰时效前的冷轧不仅能提高合金的力学性能,还能有效改善合金导电性。这是因为冷轧既能促进一些铸造微裂纹闭合,还能促进更多固溶原子析出形成次生Al_3(Sc,Zr,Yb)共格沉淀相,从而降低合金中固溶原子数量。这两个因素都能导致合金导电性提高。此外,预处理方式对冷轧+峰时效态合金的电导率也有明显影响。整体而言,在相同冷轧量下,热挤预处理的导电性最高,峰时效次之,而均匀化最低。这与力学性能规律略有不同,这是因为热挤预处理多了一道微裂纹闭合工序。对最大冷轧真应变(230%)+峰时效态合金而言,热挤预处理的20℃相对电导率最高(62.45%IACS),峰时效处理次之(61.7%IACS),而均匀化预处理最低(61.5%IACS),但整体差别不大。综上所述,在三种预处理方式下,冷轧+峰时效Al-0.2Sc-0.02Zr-0.02Yb合金的强度和导电性均随冷轧量的增加而增加。其中,热挤(或峰时效)+230%冷轧+峰时效态合金具有最佳的力学性能和导电性能,其抗拉强度可以达到214.3±4.9 MPa(215.6±3.1 MPa),屈服强度为191.7±4.7 MPa(192.6±2.5 MPa),延伸率为11.9±1.5%(10.3%±1.4%),20℃相对电导率62.45±0.65%IACS(61.74±0.87%IACS)。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TG339
【图文】：

相图,相图,析出相

图 1.1 富铝端 Al-Sc 相图有相似的结构，并且他们之间晶格常数相近（约 1.6%的差异[16]）所以 Al3S起到和 α-Al 一样的形核位点。Zhang Z[17]等人研究发现向 Al-Mg 合金中时，可以明显提高合金的强度。当 Sc 的含量达到 0.2％，0.4％和 0.6％-Mg 合金的抗拉强度分别提高了 4％，30％和 40％; 屈服强度分别提高了 1％和 111％。但是与不含 Sc 的合金相比，延伸率分别降低了 12％，33％和 4主要是由于从粗大的枝晶到细的等轴晶粒的结构演变。Harada[18]使用热分析和光学显微镜测试含有高达 8.75wt％Sc 的样品。作表明共晶温度约为 665℃。发现了析出相主要为是 Al3Sc，其晶格参105 nm。在 225-360℃的时效温度内，测试 1wt％Sc 合金的冷铸铸造样品硬化行为。得到在 250℃时效 3 天后获得最大硬度为 77Hv。时效后硬度持 12 天。Mondol 等[19]通过添加少量的 Sc（0.8wt.％）使 2219 铝合金的能得到极大改善。发现由于细化了晶粒尺寸，Al3Sc 和 Al3（Sc，Zr）弥散00}和{111}平面上的 GP 区以及加工硬化导致室温强度显着提高。在 200后，GP 区主要转变为 θ'析出相和几个沉淀相。Sc 和 Mg 原子在 θ'基体

二元相图,二元相图,薄壳,复合结构

了 θ'析出相的粗化并使其在较高温度下稳定。Zr）对于铝合金的影响序数为 40，位于元素周期表中第 3 负族第 5 周期，属于铝合金微观结构和性能的重要合金元素。为 Al-Zr 合金富铝端二元相图，Zr 单独添加会在铝锆合Zr 可以替代沉淀物中的 Sc，并形成晶格参数小于 Al3Sc[20]图 1.3）。尽管这种较小的晶格畸变会使蠕变阻力稍微降低1]。如图 1.3 所示，把晶格参数作为研究中替代 Sc 的元素在 Al3Sc 中具有一定的溶解度并且大部分都增加了晶格格常数），并且可以看出 Al3Sc1-xZrx析出物对晶格参数r 在 Al 中的扩散率非常低，所以析出物中 Zr 很少。这种 Zr 附着在 Al3Sc 沉淀表面的性质阻止了 Sc 扩散，进一步

晶格常数,元素,错配度,析出物

图 1.3 不同元素替代 Sc 的比例与晶格常数的关系an[24]发现在二元 A（lSc）合金中加入 Zr 可以延缓在时过时效的微硬度的影响很小。Junchao Zhang[25]研究了添加 Zr 对 Al-M织，力学性能和电化学性能的影响。透射电子显微镜（TEM）状态下，含 Zr 合金中的析出物比无 Zr 合金中的析出物更细验结果表明，Zr 添加后退火态合金的综合力学性能有显著提究了不同含量 Zr 对铸态工业纯铝结构和性能的影响。结果表明0.2wt.％时，粗晶粒分布在铸锭的表面上。当 Zr 含量达到 0.3wt占据横截面的中心。Zr 含量从 0 增加到 0.3 wt.％过程中工业从 51.6％IACS 升至 60.9％IACS，硬度从 22.4 HV 增加至 26化晶粒的机制，FengWang 等人[27]对此进行了详细的研究，通过析，确定了 Al3Zr 析出相对铝来说是高效的形核剂，通过 E2E Al3Zr 和 Al 的原子间隙错配度和晶面错配度极小，有较强的到 Zr 在 Al 中增长限制效应，可以确定，Zr 对铝合金的细化作用造成的。由于析出相的存在，使得含 Zr 的铝合金的抑制

【参考文献】