微量稀土元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響

1、稀有金屬材料與工程KAKE METAL MATERIALS AND ENGINEEKINGVol. 32. No. 1January 2003第32卷 第1期2003年 1月微量稀土元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響楊軍軍，聶祚仁，金頭男，徐國富，付靜波，左鐵鋪（北京工業(yè)人學(xué)，北京100022）摘 要：采用便度測試、金相顯微觀察和透射電鏡分析等方法，研究了微員稀土 Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響.結(jié)果衣 明：彌散分布的細(xì)小AbEr廣點(diǎn)對位錯和亞晶界具有釘扎作用，可以有效押制再結(jié)晶將離純鋁的再結(jié)晶溫度提高50 <： 右，同時還能顯著細(xì)化再結(jié)晶品粒：再結(jié)晶形核機(jī)制是亞晶聚合和亞岸長人雙重機(jī)制。關(guān)

2、犍詞：稀上元素Er:再結(jié)晶:Al,Er中圖法分類號：TG111.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002-185X（2003）0!-0037-04稀有金屬材料與工程KAKE METAL MATERIALS AND ENGINEEKINGVol. 32. No. 1January 2003稀有金屬材料與工程KAKE METAL MATERIALS AND ENGINEEKINGVol. 32. No. 1January 2003我國稀土資源十分豐富，但對稀土在鋁及苴合金 中的應(yīng)用研究肖到20世紀(jì)70年代末才開始起步，以 后逐步達(dá)到島潮“小。國內(nèi)外佇關(guān)稀土鋁合金的研究 衣明,Sc是迄今為止所發(fā)現(xiàn)對鋁及其

3、合金垠有效的微 屋稀土元索，將Sc添加到鋁及鋁合金中具有很多枳 極作用，其中突出的點(diǎn)是Sc能顯著抑制再結(jié)晶，使 鋁及其介金的再結(jié)晶溫度大幅度捉拓心小，但Sc是戰(zhàn) 略性元素，價格冷兒本研究選取稀土元素Er,將切忝 加到拓純鋁中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Er能夠細(xì)化品粒，還能明顯 抑制局純鋁的再結(jié)晶，而且Ei的價格僅為Sc的1/ 40,因而有望將E作為微量元素添加到I.業(yè)純鋁及 賓它牌號鋁合金中，BE能提高鋁合金的性能，同時又 盡可能降低生產(chǎn)成本，這有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模I：業(yè)化生 產(chǎn)?？傊?，將Er添加到鋁及鋁合金中是一個很行發(fā)展 詢景的開創(chuàng)性方向，有必要作進(jìn)-步的深入研究。1實(shí)驗方法以純度達(dá)99. 99%的A'

4、;純鋁和Al-6. 2Er中間合 金為原料，采用鑄錠冶金法制備J Er mi為0. 1 % （質(zhì)屋分?jǐn)?shù)，下同）的Al-Er合金，為便于比較起見，在 同樣條件下還制備了高純鋁樣品。鑄錠經(jīng)470尤，131） 均勻化退火后，切頭、銃面，再進(jìn)行熱軋及冷軋，冷軋 變形率為80% o將冷軋至2mm厚的板材試樣在箱式 電阻爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為150七400七 （每隔25七取1個溫度點(diǎn)），保溫時間為lh，退火后空 冷。采用HBWLV-187. 5型布洛維光學(xué)破度71測吊試 樣的硬度；金相試樣經(jīng)電解拋光、陽極復(fù)牒后在徳國 產(chǎn)NEOPHOT-21型金相顯微鏡下觀察：采川女噴電解 法（電解液為1：3的硝酸屮

5、醉溶液）制備透射電鏡試 樣，在H-800透射電鏡上觀察微觀組織。2實(shí)驗結(jié)果2. 1Er對高純鋁再結(jié)晶溫度的彩響測定試樣在不同溫度下退火后的布氏硬度，繪出 硬度退火溫度關(guān)系曲線如圖1所示，圖中T和T（圖1高純A1和Al-0. lEr的硬度與退火溫度關(guān)系Fig. 1 Hardness - annealing temperature curve of high pure aluminium an<l Al-0. lEr 分別對應(yīng)再結(jié)晶起始和終了溫度。Itl圖1可以得知，Er的添加不但提高純鋁的硬 度，而HttA'純鋁的起始和終再結(jié)晶溫度均提簡稀有金屬材料與工程KAKE METAL MA

6、TERIALS AND ENGINEEKINGVol. 32. No. 1January 2003稀有金屬材料與工程KAKE METAL MATERIALS AND ENGINEEKINGVol. 32. No. 1January 2003收到初稿日期:2OO1-OI-3O;收到修改稿H期：2002-03-18基金項目：國家“ 973 ”重人基礎(chǔ)規(guī)劃研究項目資助課題（G1999064907）作者簡介：楊軍軍，男，1972年生，博士研究生，北京匸業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京100022.電話：01067391536,© 199420?烈站Electronic Publishing House.

7、 All rights reserved, 38稀有金屬材料與I：程32卷50Y左右，說明心能夠抑制禹純鋁的再結(jié)品，這與金 相組織的觀察是-致的。心的加入對高純鋁的金相組 織有顯著影響，圖2a2d分別為高純鋁和AI-O. lEr 合金225%：和400匕退火lh后的金相顯微組織。山圖 可見，經(jīng)225%：, lh退火后，純鋁己發(fā)生明顯再結(jié)晶 （圖2a）,而AI-0. lEr合金剛出現(xiàn)再結(jié)晶跡象（圖 2b）。經(jīng)400七，1 h退火后，純鋁的占i*.粒已明顯粗化（圖 2c），而AI-0. lEr合金雖也已發(fā)生完全再結(jié)晶，但仍保 持細(xì)小等軸狀組織（圖2d）,可見添加Er能明顯細(xì)化 再結(jié)晶晶粒。38稀有

8、金屬材料與I：程32卷38稀有金屬材料與I：程32卷圖2 高純鋁和A1-0. IEi的金相顯微組織Fig. 2 Optical miciographs of high pine aluminium and AI0 lEr：（a >High pure Aluminium Annealed for 60 min 225"：；（ b）AI0. 1 Er Annealed for 60 min nt 2251;（c）High pure aluminium annealed for 60 min at 400T;（d）Al0 1 Er annealed for 60 min at 400

9、Y38稀有金屬材料與I：程32卷38稀有金屬材料與I：程32卷進(jìn)一步的TE1觀察能更好地說明麗對高純鋁 微觀組織的影響。圖3a3f為高純鋁和AI-0. IEi合 金在不同條件下的TEM照片。與啟j純鋁的鑄態(tài)組織 （圖3a）相比，Al0. lEr合金的鑄態(tài)晶粒更為細(xì)小，而 且還含冇豐富的亞結(jié)構(gòu)組織，這些亞結(jié)構(gòu)宙位錯胞狀 組織構(gòu)成（圖3b）。合金中還出現(xiàn)了彌散分布的細(xì)小顆 粒，圖3c為高倍放大照片，苴中豆瓣狀襯度是宙于析 出粒獷與基體共格應(yīng)變場導(dǎo)致的。由選區(qū)電衍射 （圖3d）可知，此類顆粒為AbEi相。AhEr與AhZr及 AhSc結(jié)構(gòu)相同，同屬于Pm3m空間群（簡立方），其晶 格參數(shù)“二0.42

10、1 5nm,接近于Ab可形成與A1基體 共格的粒f，圖3c中的細(xì)小顆粒就是與A1基體共格 析出的AbEr粒子,這些粒子能夠釘扎位錯。圖3e為 Al-0. lEr合金的冷軋態(tài)組織，由于冷軋時基體晶格發(fā) 生較人畸變，因而析出粒了與基體間的共格應(yīng)變被淹 金經(jīng)275Y, lh退火后的組織，從中可以觀察到細(xì)小 彌散的AbEr ti： f,這是因為退火后基體品格畸變逐 步消失，AhEr粒f與基體的衍襯效應(yīng)明顯,因而可以 重新觀察到AhEr粒子。3分析與討論3. 1 ALEr粒f的賦存狀態(tài)及作用由于稀土元素與A1原了半徑差為22% -41% , 根據(jù)HizeR述hery提出的有利于形成固溶體的原f 半徑差要

11、低于15%的判據(jù)，稀土元素很難與A1原 子形成固溶體，也就是說，稀土元素在AI中的固溶度 很低,E】元素也不例外。但實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在鑄態(tài)和275七 退火態(tài)Al0. IEi合金中，都存在為數(shù)不少的細(xì)小彌散 的AbEi質(zhì)點(diǎn)（圖3b，3f）?？梢哉J(rèn)為,在鑄態(tài)Al-0. lEr38稀有金屬材料與I：程32卷沒1期哪那觀需黝仙歸岳ui鞋芮為帖樂咼蘇hing緘出，細(xì)小繃軸！ i丿丄疇/A牘它是&1期楊軍軍等：微員稀上元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響391期楊軍軍等：微員稀上元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響39圖3高純鋁和AbO. 1 Er的TEM照片F(xiàn)ig. 3 TEM image of high p

12、ure aluminium and Al-O. lEr(acast structure of high pure aluminium;( b Vast structure of Al-O. lEr:(c)high magnification structure of Al-O. 1 Er; d)selected-area electron diffraction;(c)Al0 lEr in cold rolled condition:()Al0 1 Er annealed for 60 min at 275%：1期楊軍軍等：微員稀上元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響391期楊軍軍等：微員稀上元素

13、Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響39元素與Al血接形成的化介物。在冷軋態(tài)組織中，可以 觀察到大晝的位錯纏結(jié)和胞狀組織，但難以看到明顯 的析出相（圖3e）°而在275尤退火態(tài)介金中，彌散相 上要是次主AhEi質(zhì)點(diǎn)，是從基體中析出來的，'“I然英 中也含有少最的初生AhEi質(zhì)點(diǎn)。這些細(xì)小彌散分布 的AhEr粒子對位錯和亞晶界具有較強(qiáng)的釘扎作用, 從而能使亞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在再結(jié)晶前的冋復(fù)過程中，阻 礙位錯運(yùn)動和亞晶界的合并，保持了較高的位錯密 度，延緩了再結(jié)晶形核的開始。在再結(jié)品核心形成后 長大的過程中,穩(wěn)定的亞組織使得晶界遷移更加困 制再結(jié)晶,提高再結(jié)晶溫度。只有足夠的高溫才能使 細(xì)小的

14、析出相AhEr聚集氏大，質(zhì)點(diǎn)間距變大，從而減 少對位錯和亞晶界的釘扎作用，再結(jié)晶過程才完全結(jié) 束。3.2再結(jié)晶形核機(jī)制一般認(rèn)為，金屬及合金的再結(jié)晶形核有晶界凸出 機(jī)制、亞晶聚合機(jī)制和亞晶長大機(jī)制等幾種。本研 究認(rèn)為，含Er高純鋁的再結(jié)晶形核過程中，亞晶聚合 和亞晶長大機(jī)制共同起作用。材料在冷軋變形后，山于位錯的交滑移而發(fā)生位1期楊軍軍等：微員稀上元素Er對高純鋁再結(jié)晶行為的影響39難出而使再結(jié)姑縫總進(jìn) 牛丿農(nóng)叫屈卿烈hing牖紗并形席播泉您錯船縱粼團(tuán)程M隨后40稀有金屬材料與匸程32卷的退火過程中，回復(fù)使過剩位錯消失，逐漸轉(zhuǎn)化為亞 晶,相鄰亞晶不斷聚合，亞AO 失，層轉(zhuǎn)變?yōu)樵? 佃形孩核心，如

15、圖3f所示。而在圖3f中還可發(fā)現(xiàn)，在 亞晶聚合的同時，已有部分邊界成為大尤度晶界，這 說明材料的形核過程是亞晶聚合和亞晶長大兩種機(jī) 制在共同起作用。4結(jié)論1）微量元素Er添加到高純鋁中,可將英再結(jié)晶 溫度提拓50七左右，其原因是細(xì)小彌散的ALEr質(zhì)點(diǎn) 對位錯和亞晶界具冇較強(qiáng)的釘扎作用，因而能夠抑制 再結(jié)晶。2）Er元素的添加不但能抑制再結(jié)晶，還能顯著細(xì) 化再結(jié)品晶粒。3）亞晶聚合和亞晶長大兩種機(jī)制在再結(jié)品過程 中共同發(fā)揮作用。參文獻(xiàn) References1 | Pan Fusheng（潘復(fù)生），Zhou Shouze （周守則），Shi Gongqi（石功奇）.Ding Peidao（ J 培

16、道）.The Research and Application of Hare-earth Aluminium Alloy in Chinese | J | . IJght Alloy Fabrication Technology（輕 介金加 匸技 術(shù)）. 1990.3:1 -13121 Yang Yuchun（楊遇春） The New Evolution of Application of Harp-earth on Nonferrous Metal and Alloy | J | Rare Metal Materials and Engineering（稀有金IS材料與匸程） 1993&#

17、187; 22 <4）:1 63 Tang Dingxiang* Wang IJangxuam Zhao Minshou et al. Hie Research on Hare-earth Aluminium Alloy in Chinese IJ 1. The Chinese Journal of Rare-Earth. 1992* 10（ 1）:66 71|4| Willy L A US 361981 |P|>197M1-O95 Zhang Yinhui（張迎暉）,Xiao Yunzhen（孝公 禎）and Ma Hon羅hc?ng（馬宏聲）.Effect of Trace S

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19、acience. 1963: 31118 1 Cahn K W Recrystalliziition: Grain Growth and Textures I M .London: ASM Metals Park. 1966: 9940稀有金屬材料與匸程32卷40稀有金屬材料與匸程32卷Effect of Trace Rare-earth Element Er on RecrystallizationBehavior of High Pure AluminumYang Junjun* Nie Zuoren> Jin Tounan> Xu Guofu» Fu Jingbo> Zuo Tieyong（Beijing Polytechnic University, Beijing 100022. China）Abstract: The influences of trace Er addition on the recrystallization behavior of high pure aluminum has been studied by hardness mea- surement, optical microscope and transmission electron microscope. The resu