DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.s1.044
Al-Ag- (Sc) 合金的时效析出行为
陈志国 郑子樵 S.P.Ringer
中南大学材料科学与工程学院
悉尼大学澳大利亚微观分析国家重点实验室 长沙410083
NSW2006
摘 要：
通过时效硬化曲线的测量及时效组织的透射电镜分析, 研究了微量钪对Al Ag合金时效析出行为的影响。研究结果表明:在Al Ag合金中添加0.2%Sc (质量分数) , 可增强合金350℃的时效硬化效果, 延长达到峰时效的时间。微观组织分析发现, 微量钪的添加促使合金中γ′相弥散细小地析出, 同时钪的存在减少了γ′相宽面上的位错台阶数。含钪Al 15Ag合金中γ′相长大过程比较缓慢的微观机理是微量钪的添加影响了合金中γ′相宽面上的台阶分布。
关键词：
铝合金 ;时效 ;微观组织 ;钪 ;
中图分类号： TG135
Age hardening behaviour and microstructure of Al-Ag- (Sc) alloys
Abstract：
The age hardening behaviour and microstructure of Al-Ag- (0.2Sc) alloys were investigated. The results indicate that small addition of Sc can enhance the age hardening response of the Al-Ag alloy and prolong the time taken to the ageing peak. TEM observations show that the small addition of Sc results in a refinement of the distribution of γ′ precipitates. The mechanism by which trace Sc affect the microstructure is to reduce the ledge density of γ′ precipitates.
Keyword：
aluminium alloys; ageing; precipitation; scandium;
Al-Ag合金是比较经典的时效硬化合金, 不仅理论研究价值较高, 而且具有较大的实际应用价值。 随着微观分析手段的提高, 人们对其时效析出过程及析出相γ ′的形核长大机制进行了较为深入的研究
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
, 因此研究微量元素对Al-Ag基合金的影响比较有意义。 至今还没有研究者进行钪元素对该合金系列微合金化的研究。 本文作者研究了微量钪对Al-15Ag合金的时效硬化过程、 时效析出过程及其微观组织的影响, 并对微量钪影响合金显微组织的微观机理进行了探讨。
1 实验
实验合金用工业纯Al、 Ag及Al-1.58%Sc中间合金为原料熔炼铸造Al-15Ag与Al-15Ag-0.2Sc (质量分数, %) 合金。 铸锭经均匀化后热轧、 冷轧而成为2 mm的板材。 试样经550 ℃固溶处理后水淬, 在350 ℃时效, 时效时间为0～72 h。 硬度测试在日本产Shimadzu显微硬度计上进行, 负荷为1.961 N, 加载时间为10 s。 透射电镜样品经机械减薄后采用33%硝酸甲醇溶液在-40 ℃左右的条件下双喷穿孔而成, 显微组织观察在Philips CM12透射电镜上进行, 加速电压为120 kV。
2 实验结果
2.1 时效特性
图1所示是两种合金分别在350 ℃的时效硬化曲线。 从图1可以看出, 两种合金的时效规律相似, 即都经历了欠时效、 峰时效和过时效3个时效阶段, 在整个时效过程中都只出现一个时效峰值。 比较两种合金的峰时效发现, 添加了0.2%Sc的Al-15Ag-0.2Sc合金到达峰时效的时间较不含钪的Al-15Ag合金长, 而其峰时效硬度值高于未加Sc的合金。
图1 Al-15Ag- (0.2Sc) 合金350 ℃时效硬化曲线
2.2 显微组织观察
众所周知, Al-Ag合金的主要时效析出相为γ ′相。 为了考察γ ′相的长度与厚度, 一般在〈110〉α γ ′相与基体的位向关系为〈101〉α γ ′, γ ′相与观察面垂直 (edge-on) ; 而研究γ ′相的分布密度一般在〈112〉α γ ′相。通过比较在〈001〉α α γ ′相的分布组态与大小, 发现在含微量钪的Al-15Ag-0.2Sc合金中所析出的γ ′相比不含钪的合金弥散细小得多。
图2 Al-15Ag- (0.2Sc) 合金350 ℃峰时效态的显微组织 (a) —Al-15Ag合金时效10 min后〈110〉α明场像; (b) —Al-15Ag-0.2Sc合金时效40 min后〈110〉α明场像; (c) —Al-15Ag合金时效10 min后〈112〉α明场像; (d) —Al-15Ag-0.2Sc合金时效40 min后〈112〉α明场像;
两种合金在350 ℃时效4 h的显微组织见图3。 从图3可以发现, 过时效态的Al-15Ag合金中γ ′相分布十分稀散且粗大, 但添加少量Sc的Al-15Ag-0.2Sc合金中依然大量存在较为均匀分布的γ ′相。 此外, 通过对〈111〉α γ ′相的宽面上存在大量的位错台阶, 而含Sc的Al-15Ag-0.2Sc合金γ ′相宽面上位错台阶较少。 这说明微量钪的添加减少了所析出的γ ′相的位错台阶。
3 讨论
富Al端的Al-Ag合金固溶处理后, 一般的时效析出过程是:球形富银GP区→γ ′→γ。 其中γ ′是密排六方相, 与基体的位向关系是:
图3 Al-15Ag- (0.2Sc) 合金350 ℃时效4 h的显微组织
(a) —Al-15Ag时效后〈110〉α 明场像; (b) —Al-15Ag-0.2Sc时效后〈110〉α 明场像; (c) —Al-15Ag时效后〈112〉α 明场像; (d) —Al-15Ag-0.2Sc时效后〈112〉α 明场像;
图4 Al-15Ag- (0.2Sc) 合金350 ℃时效4 h后〈111〉α暗场像
(a) —Al-15Ag合金; (b) —Al-15Ag-0.2Sc合金
从添加微量Sc前后两者的时效硬化规律来看, 微量Sc的添加不仅增强了合金的时效硬化效果, 具有更高的峰时效硬度值, 而且推迟了合金峰时效的来到。 由于350 ℃在Al-15Ag合金中处于GP区溶解线以上
[8 ]
, 这样γ ′相可以从过饱和固溶体中直接析出, 而不受GP区的影响, 微量钪对Al-15Ag时效过程的影响应该从γ ′相的组态上得到解释。 文献
[
9 ,
10 ]
表明: 板状析出物的长大过程可以用HHC模型描述, 即
(
?
c
?
x
)
2
+
(
?
c
?
y
)
2
+
(
?
c
?
z
)
2
=
?
c
?
t
式中 c 为浓度, t 为时间。 那么γ ′相的半长度a l (x , y 轴) 、 半厚度a w (z 轴) 就可以表述为
a
l
=
2
A
β
D
t
a
w
=
2
β
D
t
式中 D 为扩散系数, β 为过饱和固溶体的参数。
由此可见, 溶质原子银的扩散速度直接影响到合金中γ ′相的粗化。 在Al-15Ag合金中添加微量Sc, 一方面Sc原子可以填充到空位上使淬火后合金中的空位浓度明显下降
[11 ]
; 另一方面, 由于Sc与空位具有较高的结合能
[12 ,13 ]
, Sc原子可捕获空位并与空位结合形成空位/Sc原子复合体, 从而降低了时效过程中空位的迁移率, 银原子的扩散速度相应降低。 综上所述, 微量钪的添加会使银原子的扩散系数D 值降低, 从而使得含钪Al-15Ag-0.2Sc合金中析出γ ′相的长大过程被抑制。
特别指出的是, HHC模型只是个唯象模型, 该模型是建立在板状析出相依靠溶质原子均匀附着而形成无序界面的假定基础上。 而γ ′相的长长与厚化过程实际上是通过台阶机制来进行的
[6 ,14 ,15 ,16 ]
, 在长大过程中溶质原子只能附着在扭折 (kink) 上。 尽管HHC模型可以较好地估算γ ′相的长大速率, 但并不能解决实际γ ′相的界面运动机制。 在Al-15Ag合金中, α (fcc) →γ ′ (hcp) 时, 由α 相的ABCABC …面排列变为ABAB …排列的γ ′相, 形成所谓连续的补偿错配位错形成台阶。 这些台阶已被确认为fcc Shockley不全位错, 其柏氏矢量为a /6〈112〉。 在γ ′相长大过程中, Ag原子通过附着在台阶的扭折上而不断推进长大。 通过比较微量Sc添加前后两种合金所析出γ ′相宽面上位错台阶的分布发现, 微量钪的存在减少了γ ′相面上的位错台阶数。 实际上γ ′相的长长与厚化过程是通过台阶机制进行的, 那么γ ′相面上的台阶数的多少势必影响其长大过程, 从而含钪Al-15Ag合金中γ ′相长大过程比较缓慢的微观机理可以归结为微量钪的添加影响了合金中γ ′相宽面上的台阶分布。
4 结论
1) 在Al-15Ag合金中添加0.2%Sc, 可以增强合金350 ℃时效的时效硬化效果。
2) 微量钪的添加促使合金中γ ′相弥散细小地析出, 同时钪的存在减少了γ ′相宽面上的位错台阶数。
3) 含钪Al-15Ag合金中γ ′相长大过程比较缓慢的微观机理是微量钪的添加影响了合金中γ ′相宽面上的台阶分布。
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