摘要：近些年来,飞机、汽车等制造业为了降低油耗、节约资源、能源和保护环境,对结构材料的高性能化,结构件的轻量化要求日益迫切。铝合金结构材料以其质轻、高强韧、耐腐蚀等优点,在汽车、航空航天和国防军工等领域具有广阔的运用前景。但由于铝合金的高温强度较低,使其运用范围受到限制,所以,提升铝合金的高温强度及其机制探讨具有重要的论述作用和实际运用价值。在铸造铝合金中,铸造Al-Cu合金具有很高的室温力学性能,与变形铝合金相比,具有成本低、工艺简单、能够制作复杂工件等优点。但是铸造Al-Cu合金的高温强度和抗蠕变性能较差。由此,提升铸造Al-Cu合金的高温性能和抗蠕变性能,是扩大铸造Al-Cu合金运用范围急需解决的重大关键不足。本论文以铸造Al-Cu合金作为探讨对象,系统地探讨了单一稀土La或Pr变质以及La+Pr复合变质对铸造Al-Cu合金显微组织、力学性能和抗蠕变性能的影响,并探讨了稀土变质铸造Al-Cu合金的蠕变特性和稀土的作用机理。本论文主要探讨结果如下：1.揭示出稀土La或Pr变质铸造Al-Cu合金的室温和高温强韧性都显著高于未变质合金。未变质合金在室温、180℃和220℃下的抗拉强度和延伸率分别为475MPa和8.4%,283MPa和9.6%,220MPa和10.4%；0.3wt.%La(或Pr)变质合金在同等温度下的抗拉强度和延伸率分别为520MPa和13.6%(514MPa和11.7%),320MPa和14.2%(307MPa和12.8%),270MPa和14.7%(263MPa和13.6%)。比未变质合金在同等温度下的抗拉强度和延伸率提升了9.47%和61.9%(8.21%和39.28),13.07%和47.92%(8.48%和33.3%),22.72%和41.34%(19.55%和30.77%)。0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu在室温、180℃和220℃下的抗拉强度和延伸率分别为536MPa和14.0%,335MPa和14.5%,273MPa和15.1%。由此可见,La和Pr复合变质合金的抗拉强度和延伸率要高于单一稀土La或Pr变质合金。2.揭示出稀土La或Pr的添加显著地强化了铸造Al-Cu合金的时效行为。0.3wt.%La(或Pr)变质Al-Cu合金在165℃、185℃和250℃时效温度下的峰值硬度分别为187HV、180HV和138HV(183HV、174HV和132HV),比未变质合金在相应温度下的峰值硬度172HV、157HV和116HV,提升了8.7%、14.6%和19%(6.4%、10.8%和13.8%)。0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu在165℃、185℃和250℃时效温度下的峰值硬度分别为191HV、185HV和142HV,比未变质合金峰值硬度提升了11.05%、17.83%和22.41%。发现了在250℃时效温度下,La或Pr变质Al-Cu合金到达时效峰值硬度的时间分别为4h和5h,而未变质Al-Cu合金峰值时效时间为6h,La或Pr变质合金比未变质合金峰值时间提前了33.3%和16.7%。在250℃下,La和Pr复合变质Al-Cu合金到达峰值硬度的时间与La变质合金的相同。3.揭示出未变质合金与La或Pr变质合金的蠕变机制为位错攀移制约蠕变机制。在蠕变温度为180℃、200℃和220℃,外加应力为60MPa、70MPa、80MPa和90MPa的条件下,0.3wt.%La或Pr变质Al-Cu合金的抗蠕变性能比未变质合金分别提升了3-4倍和2-3倍,0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu的抗蠕变性能比未变质合金提升了5-6倍。La或Pr单一变质和La+Pr复合变质合金的蠕变表观激活能均高于未变质合金的。发现了在外加应力60MPa下,未变质合金的表观激活能205KJ/mol,0.3wt.%La或Pr单一变质和0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质合金的蠕变表观激活能分别为274KJ/mol,249KJ/mol和307KJ/mol；由此,复合变质合金的抗高温蠕变性能最好。4.揭示出稀土La、Pr均能够显著地细化铸造Al-Cu合金的铸态组织。未变质合金的α-Al枝晶尺寸在100-180μm之间,0.3wt.%La或Pr单一变质和0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质合金的α-Al枝晶尺寸在65-85μm,80-95μm和60-80μm之间。发现了在La变质铸造Al-Cu合金中,La与合金中的Al和Ti元素形成了Al20Ti2La相,该相可作为初生α-Al相形核的异质核心,以而减小了初生α-Al枝晶的尺寸。同时,在凝固历程中,La和Pr发生了溶质再分配,聚集在固液界面前沿,增大了合金凝固历程中的成分过冷,使枝晶变细,晶粒细小5.揭示出La或Pr可以减小Al-Cu合金中θ'析出相的尺寸,增加θ'析出相的数量,提升θ'析出相的高温热稳定性。未变质合金经过165℃×10h、185℃×10h和250℃x6h时效处理,θ'析出相的平均尺寸分别为140nm,180nm和240nm之间。0.3wt.%La(或Pr)变质复合变质Al-Cu合金经过165℃×10h、185℃×10h和250℃x4h(Pr变质合金为250℃×5h)时效处理,θ'析出相平均尺寸分别在100nm(110nm),120nm(135nm)和145nm(165nm)；La、Pr元素的有着,增强了合金中Al和Cu之间的交互作用,有利于推动变质合金中Al与Cu之间形成Al2Cu化合物相,使θ'析出相的尺寸更小、数量更多、分布更均匀,并且提升了θ'相的热稳定性。La和Pr复合变质比单一变质的效果更显著。6.提出了La、Pr单一和复合变质铸造Al-Cu合金室温强韧化机制为：α-Al枝晶的细晶强化,密集分布而又细小的纳米θ'析出相的析出强化；高温强韧化和抗蠕变机制为：La、Pr均提升Al与Cu之间的交互作用强度,提升了θ'相的热稳定性,有效地抑制了θ'析出相在高温下的分解与长大,阻碍了位错运动；La、Pr元素和Al形成的Al11La3相和Al11Pr3相具有高熔点、高硬度和高的热稳定性。分布在晶界处的Al11La3相和Al11Pr3相在高温条件下有效地阻碍了位错运动,并对蠕变历程中的晶界移动具有强烈的钉扎作用。由此,提升了合金的高温强韧性和抗高温蠕变性能。关键词：铸造Al-Cu合金论文组织论文高温力学性能论文蠕变论文
摘要4-7
ABSTRACT7-16
第一章 绪论16-36
1.1 选题作用16-17
1.2 Al-Cu系合金力学性能强化的影响因素17
1.3 提升Al-Cu合金力学强度的主要途径17-25
1.3.1 热处理工艺对铝合金力学性能的影响18-19
1.3.2 外加颗粒增强19-20
1.3.3 合金化20-22
1.3.4 稀土元素对铝合金高温强韧性的影响22-25
1.4 铝合金高温蠕变行为的探讨近况25-32
1.4.1 金属材料的蠕变行为25-27
1.4.2 蠕变机制27-30
1.4.3 铝合金抗蠕变性能的探讨30-32
1.5 提升铝合金抗蠕变性能的主要途径32-34
1.5.1 固溶强化32
1.5.2 晶界强化32-33
1.5.3 第二相强化33-34
1.6 探讨内容34-36
第二章 实验策略36-42
2.1 实验材料36-37
2.2 探讨策略及技术路线37-39
2.2.1 未变质铸造Al-Cu合金的制备37
2.2.2 变质铸造Al-Cu合金的制备37
2.2.3 热处理实验37-38
2.2.4 实验技术路线38-39
2.3 合金的显微组织和相浅析39-40
2.3.1 金相观察39
2.3.2 X射线衍射(XRD)浅析39
2.3.3 扫描电子显微镜观察39-40
2.3.4 透射电子显微镜观察40
2.4 力学性能和蠕变性能测试40-42
2.4.1 室温和高温力学性能40
2.4.2 硬度测试40-41
2.4.3 高温蠕变实验41-42
第三章 La、Pr对铸造Al-Cu合金组织的影响规律及机制42-69
3.1 引言42
3.2 La、Pr对铸造Al-Cu合金凝固组织的影响42-50
3.2.1 La对Al-Cu合金铸态组织的影响42-43
3.2.2 La在Al-Cu合金中的有着形式及作用43-48
3.2.3 Pr对Al-Cu合金铸态组织的影响48-50
3.3 La、Pr变质铸造Al-Cu合金的固溶组织演变50-54
3.3.1 La变质铸造Al-Cu合金的固溶组织50-53
3.3.2 Pr变质铸造Al-Cu合金的固溶组织53-54
3.4 La、Pr对Al-Cu合金时效组织的影响54-60
3.4.1 La变质Al-Cu合金的时效组织54-57
3.4.2 Pr变质Al-Cu合金的时效组织57-60
3.5 La、Pr对纳米θ'析出相的作用机制60-68
3.5.1 La、Pr对Al和Cu之间的交互作用的影响60-62
3.5.2 La、Pr对θ'析出相析出历程的影响62-68
3.6 本章小结68-69
第四章 La、Pr对Al-Cu合金力学性能的影响规律及机制69-90
4.1 引言69
4.2 La、Pr对铸造Al-Cu合金的力学性能的影响69-76
4.2.1 La对Al-Cu合金的力学性能的影响69-73
4.2.2 Pr对Al-Cu合金的力学性能的影响73-76
4.3 La、Pr变质铸造Al-Cu合金的强韧化机制76-85
4.3.1 La、Pr变质铸造Al-Cu合金的时效组织76-77
4.3.2 La、Pr对铸造Al-Cu合金中θ'析出相的影响77-83
4.3.3 La、Pr变质铸造Al-Cu合金拉伸断口形貌83-85
4.4 稀土La、Pr变质铸造Al-Cu合金强韧化机制85-89
4.4.1 析出强化86-87
4.4.2 细晶组织强化87-89
4.5 本章小结89-90
第五章 La、Pr对铸造Al-Cu合金蠕变性能的影响及机制90-117
5.1 引言90
5.2 La、Pr变质铸造Al-Cu合金的蠕变性能90-99
5.2.1 La变质铸造Al-Cu合金的蠕变行为90-95
5.2.2 Pr变质铸造Al-Cu合金的蠕变行为95-99
5.3 La、Pr变质铸造Al-Cu合金的高抗蠕变性能理由99-116
5.3.1 未变质合金和La、Pr变质合金的蠕变制约机制99-106
5.3.2 未变质合金和La、Pr变质合金蠕变前后TEM组织浅析106-111
5.3.3 未变质合金和La、Pr变质合金蠕变激活能和门槛应力111-116
5.4 本章小结116-117
第六章 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金高温性能影响117-136
6.1 引言117
6.2 La和Pr变质Al-Cu合金的力学性能和抗蠕变性能117-123
6.2.1 La和Pr复合变质Al-Cu合金的时效硬化反应117-119
6.2.2 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金的力学性能的影响119-121
6.2.2.1 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金的室温力学性能的影响119-120
6.2.2.2 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金的高温力学性能的影响120-121
6.2.3 La和Pr复合变质对Al-Cu合金的蠕变性能的影响121-123
6.3 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金组织的影响123-125
6.3.1 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金铸态组织的影响123-124
6.3.2 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金时效组织的影响124-125
6.4 La和Pr复合变质对Al-Cu合金高温性能的强化机制125-134
6.4.1 La和Pr复合变质对铸造Al-Cu合金力学性能的强化机制125-128
6.4.2 复合(La、Pr)稀土对铸造Al-Cu合金抗蠕变性能的强化机制128-133
6.4.3 复合(La、Pr)稀土铸造Al-Cu合金的蠕变激活能133-134
6.5 本章小结134-136
第七章 结论136-139
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