冶金综合实验报告要点

二

〇一四年七月

冶金综合实验报告

告 题 目：稀土含量及变形对铝合金组 织的影响 学生姓名：王卫卫 学 院：材料学院 系 别：材冶系 专 业：冶金工程 班 级：冶金11-2班 指导教师：李建超 教 授

代书华 副教授

一、综述：

1.1 研究背景

随着社会的不断发展，材料对人们的生活产生了巨大的影响，从人们的衣食住行到航空航天以及军事领域，材料无不扮演者至关重要的角色。这个世界，有各种各样的材料构成，时代的进步，标志着材料需求的更新传统的材料已经不注意满足各行各业的需要了。

纵观整个材料行业，黑色金属中，钢铁的性能已经到达了一个瓶颈阶段，很难有太大的进步，已经明显的不能满足当今的需要，这使得人们不得不寻找新的，性能更加优异的材料来代替。也正是在这种促进下，开始了新材料的研究与开发。所以人们开发了各种各样的新型材料。新材料是指新出现的或正在发展中的，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料；或采用新技术(工艺,装备)，使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料；一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。

在有色冶金领域中，以镁铝合金研究最为广泛，再由于铝元素在地壳中含量丰富（铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，含量高于7%。铝原子序数为13，原子量为26.98，原子体积为(立方厘米/摩尔)：10.0，面心立方结构，熔点660℃，密度2.702，地壳中含量（ppm）：82000），密度小等优点，铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σ

b/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。2008年北京奥运会火炬“祥云”就是铝合金制作的。

1.2 国内外研究现状

世界各国对稀土铝合金的研究从第一次世界大战就已经开始了，德国率先成功使用了稀土铝合金，随之美国、英国、前苏联等也对此开展了大量的实验研究，如美国研制含0．15%稀土的硅铝合金用作汽油发动机活塞，耐热性、耐磨性大大增强从而提高了使用寿命；日本最早将稀土用于导电铝合金。我国对稀土铝合金的研究起步比较晚，始于20世纪60年代，但发展很快，尤其是稀土在铝及铝合金中的作用和应用研究已经取得了明显的效果。由于稀土的特殊性质，它已被广泛应用于国防工业、冶金、机械、石油、化工、玻璃、陶瓷、电子、医疗等领域。稀土在铝及铝合金中的作用机理稀土具有很高的化学活性、低电位和特殊电子层排布，几乎能与所有的元素作用。铝及铝合金中常用的稀土有La（镧）、Ce（铈）、Y（钇）和Sc（钪），常以变质剂、生核剂和脱气剂加入铝液中，起到净化熔体、改善组织、细化晶粒等作用。稀土在铝及铝合金中具有很多积极作用，主要表现在3个方面：1.变质作用；2.净化作用；3.微合金化作用。

1.2.1 变质作用

变质处理是指在金属及合金中加入少量或微量的变质剂，用以改变合金的结晶条件，使其组织和性能得到改善的过程。变质剂又称晶粒细化剂或孕育剂。稀土元素的原子半径为0.174 ～0.204mm，大于铝原子半径(0.143mm)。稀土元素比较活泼，它熔于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使得晶核生长的速度增大，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。此外，铝与稀土形成的化合物在金属液结晶时作为外来的结晶晶核，因晶核数的大量增加而使合金的组织细化。研究表明：稀土对铝合金具有良好的变质效果。例如，合金化的7005铝合

金铸锭本身就呈十分细小的组织。同时值得一提的是，稀土的变质作用具有长效及重熔稳定性的特点，比用钠(Na)、锶(Sr)等变质剂具有明显优点。稀土的变质

作用只受共晶硅变化的影响。

1.2.2 精炼、净化作用

稀土元素的脱氧能力比强脱氧剂Al、Mg、Ti等强，微量稀土就能使［O］脱到＜lppm(即<10-4％)。稀土的脱硫能力也相当强，可以生成RES或RE2S3，生成物主要取决于稀土与硫的活度或溶解度。稀土元素在金属液中还可以与氧和硫同时发生反应生成RE2O2S型硫化物。稀土元素还能与P、Sn、As等低熔点金属元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。这些稀土化合物都具有熔点高、比重轻，当它们的熔点高于金属冶炼温度时，能上浮一部分成渣，它们微小的质点则成为铝结晶过程的异质晶核，而留在固态金属内的部分则能降低其危害性。稀土对氢的的吸附力特别大，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。

1.2.3 微合金化作用

稀土在铝合金中的强化作用主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。当稀土加入量不同时，稀土在铝合金中主要以三种形式存在：固熔在基体α(Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固熔在化合物中或以化合物形式存在。当稀土含量较低时(低于0.1％)，稀土主要以前两种形式分布。第一种形式起到了有限固溶强化的作用，第二种形式增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。加入稀土后合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有可能细化，稀土与Al、Mg、Si等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中有大量位错分布。当稀土含量大于0.3％，后一种存在形式开始占主导地位。这时，稀土与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，同时使第二相的形状、尺寸发生变化，可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现，粒子的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。大部分含稀土元素的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。

稀土具有很多独特的性质，添加少量的稀土就可以极大地影响材料的组织与性能，目前国际上把稀土元素誉为新技术革命的战略元素、高技术的生长点、新材料的宝库。我国是一个世界上稀土蕴藏最丰富的国家，充分开发利用丰富的矿