三种铝合金组织及阻尼性能研究

论文摘要

某些领域应用的铝合金不仅要求高的力学性能，为提高其隐蔽性、灵敏性及工作寿命，还要求具有一定的内耗性能。论文通过组织观察、力学性能及内耗性能测试研究了三种铝合金组织及内耗性能特征。作为高耐蚀性能和内耗性能的Al-Mg-Mn系合金在舰船上应用十分广泛，论文第一部分研究了微量Sc、Zr对Al-6.0 Mg-0.5 Mn合金各状态（铸态，均匀化退火态，冷加工态，退火态）的组织、再结晶行为及内耗性能的影响，得出的主要结论是：（1）微量Sc、Zr（0.21Sc，0.15Zr）的加入显著细化Al-6.0 Mg-0.5 Mn合金铸态组织。形成的Al3Sc1-xZrx相在不同状态具有不同的分布形态，且其对位错、晶界、亚晶界有强烈钉扎作用，从而稳定Al-6.0 Mg-0.5 Mn合金组织，抑制合金再结晶。（2）冷变形（变形率为54％）后经250℃／2h退火处理的Al-6.0Mg-0.5Mn-0.21Sc-0.15Zr合金的内耗表现出非线性特征，频率越低，或温度越高，合金内耗越大。在频率为1Hz、应变振幅为4.6×10-5下，升温Q-1-T曲线上在326℃产生内耗峰，该峰是由轧制过程及250℃／2h退火处理中产生的位错、细小的沉淀相Al3Sc1-xZrx相互作用引起的，可由Al3Sc1-xZrx沉淀粒子与位错脱钉机制解释。（3）利用内耗谱可设计热处理工艺，经严重冷变形（变形率为80％）的Al-6.0Mg-0.5Mn-0.21Sc-0.15Zr合金，在～430℃时产生再结晶内耗峰，因此，以2℃／min速度从室温升温至～450℃，淬火后合金为细小且均匀分布的晶粒。Al-Fe-Si系合金作为航空航天飞行器耐热材料亦要求具有一定的内耗性能，论文第二部分研究了喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金坯及其成型制品的组织及内耗性能特征，研究了挤压棒内耗与韧性相互关系，得出的主要结论是：（1）Al-3.3Fe-10.7Si合金沉积坯及其挤压试样在60～250℃出现内耗峰，内耗峰是由于晶界弛豫引起的，分布于晶界的Al12Fe3Si粒子和Al-Fe金属间化合物，阻碍晶界滑动。（2）Al-3.3Fe-10.7Si合金挤压棒在360℃温度退火开始阶段，未完全脱溶的Al-Fe-Si或Al-Fe粒子主要在晶界脱溶，对晶界滑动钉扎力增大，内耗峰高度降低。360℃退火500min后，含Fe粒子完全析出，且其阻止基体晶粒和Si粒子长大，使合金内耗峰高度随退火时间延长基本不变。（3）塑性较低的Al-3.3Fe-10.7Si合金内耗峰处亦出现韧性极值。在内耗峰位置，晶界滑动消耗振动能，合金韧性高。Al-Zn共析合金具有超塑性及高的内耗性能，但Sc、Zr对Al—Zn合金组织、超塑性及内耗性能的影响未见报道，论文第三部分研究了微量Sc、Zr对Al-Zn共析合金组织、超塑性及内耗性能的影响，主要结论是：（1）在20～250℃温度范围内，微量Sc和Zr（0.55wt.％Sc；0.25 wt.％Zr）显著提高Al—Zn共析合金的内耗性能，稳定合金室温内耗性能，使晶界内耗峰峰高减小，峰位相对Al—Zn共析合金向低温移动约20K。Al3（Sc、Zr）粒子强烈钉扎晶界，阻止晶界滑移及迁移，使晶界内耗峰峰高减小；随时间延长，基体晶粒粗化小，合金室温内耗稳定性提高。（2）Al—Zn共析合金的晶界内耗峰的激活能104 kJ／mol与Al的晶界自扩散激活能101kJ／mol几乎相等，晶界内耗峰峰温（499K）与超塑性最大的温度一致，Al—Zn共析合金的超塑性变形与晶界内耗峰机制一样主要归因于Al的扩散引起的晶界滑移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 金属中的内耗
• 1.1.1 内耗的唯象理论
• 1.1.1.1 弛豫型（或滞弹性）内耗
• 1.1.1.2 静滞后型内耗
• 1.1.1.3 共振型内耗
• 1.1.2 材料的内耗特征及其表征
• 1.1.3 材料内耗性能的测量方法
• 1.1.4 金属材料的内耗机制
• 1.1.5 不同材料的内耗性能
• 1.2 三种Al合金组织及内耗性能研究现状
• 1.2.1 Al-Mg合金及Al-Mg-Sc-Zr合金组织及内耗性能
• 1.2.1.1 Al-Mg合金的相转变及内耗性能特征研究
• 1.2.1.2 微量的钪和锆对Al-Mg合金的组织及性能研究现状
• 1.2.2 Al-Si系,Al-Fe系及AlSiFe系合金内耗性能研究现状
• 1.2.3 锌铝共析合金组织及性能研究
• 1.2.3.1 锌铝合金的基本特征
• 1.2.3.2 Zn-Al合金的内耗特征
• 1.2.3.3 Zn-Al共析合金的超塑性
• 1.2.3.4 微量Sc、Zr对Zn-Al合金性能的影响
• 1.2.4 本论文的主要研究目的与内容
• 1.2.4.1 微量Sc、Zr对Al-Mg-Mn合金组织及性能的影响
• 1.2.4.2 喷射沉积Al-Fe-Si合金组织及性能研究
• 1.2.4.3 微量Sc、Zr对Zn-Al共析合金组织及性能的影响
• 第2章 试验方案与过程
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 Al-Mg-X合金的制备
• 2.1.2 Al-Zn共析合金及Al-Zn-Sc-Zr合金制备
• 2.1.3 Al-Fe-Si合金的制备
• 2.2 组织及性能测试
• 第3章 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金组织及内耗性能
• 3.1 引言
• 3.2 Al-6.0Mg-0.5Mn-0.21Sc-0.15Zr合金组织及力学性能特征
• 3.2.1 Sc、Zr的添加对Al-Mg合金组织的影响
• 3.2.2 退火处理对2#合金力学性能影响
• 3.2.3 Al-6.0Mg-0.5Mn合金及Al-6.0Mg-0.5Mn-0.21Sc-0.15Zr合金再结晶行为
• 3.3 Al-6.0Mg-X（X:Mn,Sc,Zr）合金的内耗性能
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 内耗性能
• 3.3.3 通过内耗研究再结晶
• 3.4 本章小结
• 第4章 喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金的组织及性能
• 4.1 引言
• 4.2 喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金坯的组织特征及力学性能
• 4.2.1 喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金坯相组成与显微组织特征
• 4.2.2 气孔
• 4.3 喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金挤压棒材的组织及力学性能
• 4.3.1 Al-3.3Fe-10.7Si合金挤压棒材组织特征及退火处理对挤压棒材组织的影响
• 4.3.2 喷射沉积Al-3.3Fe-10.7Si合金力学性能
• 4.4 内耗性能
• 4.4.1 气孔对内耗性能的影响
• 4.4.2 晶粒尺寸对内耗影响
• 4.4.3 试验频率和退火处理对内耗的影响 #8
• 4.5 Al-3.3Fe-10.7Si合金内耗与韧性
• 4.5.1 材料的断裂机理
• 4.5.2 机械耗能对裂纹扩展的阻滞作用
• 4.5.3 Al-3.3Fe-10.7Si合金内耗峰与韧性极值关系
• 4.6 本章小结
• 第5章 Sc、Zr对Zn—22Al合金组织及内耗性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 微观组织特征
• 5.3 室温超塑性
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 锌铝共析合金室温超塑性
• 5.3.3 微量Sc、Zr对锌铝共析合金力学性能及超塑性的影响
• 5.4 内耗性能研究
• 5.4.1 内耗特征
• 5.4.2 室温时效对合金内耗的影响
• 5.5 内耗及超塑性
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况