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多尺度铝合金变形组织演变建模研究进展1王冠1,2，卞东伟1，寇琳媛1，易杰2，刘志文2，李落星2（1.宁夏大学机械工程学院，银川750021；2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082；）摘要：铝合金在热成型过程中，微观组织会发生晶粒长大、晶粒不均匀变形、动态再结晶等一系列复杂的演化，而这些材料内部微观结构的改变，会直接影响到铝合金的综合性能。
通过掌握变形过程中微观组织演变的物理本质，来达到控制微观组织及产品性能的目的，已经越来越受到材料研究者的重视。
本文综述了铝合金变形组织演变建模的研究现状，重点介绍了多尺度模拟方法，同时指出了研究中存在的问题，展望了铝合金变形组织演变建模的发展趋势。
关键词：铝合金；微观组织演变；多尺度建模；热压缩变形；Research Progress in Multi-scale modelling of microstructure evolution during hot deformation ofaluminum alloyWANG Guan1,2, BIAN Dong-wei1, KOU Lin-yuan1, YI Jie2, LIU Zhi-wen2, LI Luo-xing2(1.College of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle body, Hunan University,Changsha 410082;)Abstract:During the hot forming process of aluminum alloy, microstructure will occur in a series of complex evolution such as grain growth, inhomogeneous deformation, dynamic recrystallization and which will directly affect the comprehensive properties of aluminum alloy. By mastering the physical essence of the microstructure evolution during heat deformation, to achieve the purpose of controlling the microstructure and the properties of the products has been paid more and more attention by the researchers of materials. This paper summarizes the research status quo of modelling of microstructure evolution during hot deformation of aluminum alloy, especially for the multi-scale simulation method, and points out the problems existing in current research and forecast the development trend of modelling of microstructure evolution during hot deformation of aluminum alloy.Key words: Aluminum alloy; Microstructure evolution; Multi-scale modelling; Hot compression deformation；铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好、可循环利用等优点，被公认为汽车轻量化的理想材料。
时效态高强铝合金热变形行为及微观组织演变李萍;陈慧琴【摘要】采用热力模拟试验方法对具有时效态和过时效态初始组织的新型 Al-Zn-Mg-Cu 高强铝合金试样进行了热压缩实验，分析了在热变形过程中的流变行为和微观组织演变。
研究结果表明，时效态与过时效态试样都具有动态回复型流变应力曲线特征，且相同变形条件下时效态试样的流变应力高于过时效态流变应力，平均应力指数值分别为6.4525和5.6459，热变形激活能值分别为247.457 kJ/ mol 和178.252 kJ/ mol.两种状态试样热变形组织演变基本规律为：高温条件下，析出相溶入基体组织，晶粒长大倾向高；当变形程度较大时（60%~80%），可以获得细小的晶粒组织；低温变形条件下，析出相含量较高，晶粒长大倾向小。
比较发现，高温变形过程中，时效态试样晶粒长大倾向小，变形程度较大时晶粒组织更加细小均匀；而过时效态试样晶粒组织经历了变形较小时的粗化到变形较大时的细化。
%Hot-compression experiments of new Al-Zn-Mg-Cu alloy with as-aged and as-overaged starting structures were carried out by thermo-mechanical modeling testing method. Hot-deformation Behavior and microstructure evo-lution of the alloy with as-aged and as-overaged starting structures have been analyzed. The results indicate that both samples have the dynamic recovery flow stress curves with higher stress of as-aged samples at the same de-formation conditions. The average stress exponents are 6. 4525 and 5. 6459 respectively,and the average hot-de-formation active energy are 247. 457 kJ/ mol and 178. 252 kJ/ mol respectively for the as-aged and the as-overaged samples. Microstructure evolutions during hot deformation of both samples are that precipitatedphases dissolved in-to the matrix,and grain grows fast during deformation at higher temperature;while refined grains can be obtained when high reduction is great than 60% ~ 80% . However,the content of precipitated phases is higher,and grain grows slowly during deformation at lower temperature. By comparing analyses,it is shown that refined grains after lager strain are smaller and more uniform for the as-aged samples due to lower grain growth rate at the high temper-ature deformation conditions;while grain coarsening occurs at small strain and grain refining presents at large strain for the as-overaged samples at high-temperature deformation processes.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P358-363)【关键词】高强铝合金;热变形;流变应力;微观组织【作者】李萍;陈慧琴【作者单位】太原科技大学，太原 030024;太原科技大学，太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+高强铝合金是航天航空领域的主要结构材料[1]。
《Ti-Al层状复合材料的微观组织、力学性能和成形行为研究》篇一Ti-Al层状复合材料的微观组织、力学性能和成形行为研究一、引言近年来，随着科技的不断进步和工业需求的增长，新型的层状复合材料受到了越来越多的关注。
Ti/Al层状复合材料因其兼具了钛和铝的优异性能，具有广泛的应用前景。
本文将就Ti/Al层状复合材料的微观组织、力学性能以及成形行为进行深入的研究和分析。
二、Ti/Al层状复合材料的微观组织研究微观组织是材料性能的基础，对于Ti/Al层状复合材料来说，其微观组织的特征主要表现在各个相的结构、大小、形状及分布情况等方面。
该类材料中钛与铝相互融合，形成了多层复合的结构。
每个层次的微小细节对于整体的性能具有至关重要的影响。
研究方法主要利用扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）进行观察和分析。
研究发现，随着材料中Ti和Al含量的变化，微观组织也相应发生变化。
特别是在层与层之间的界面处，这种变化更为明显。
这种特殊的微观结构为后续的力学性能和成形行为研究提供了基础。
三、Ti/Al层状复合材料的力学性能研究力学性能是材料在各种条件下所表现出的抵抗外界力作用的性质和能力，对于评估材料的适用性和安全性至关重要。
对于Ti/Al层状复合材料来说，其主要的力学性能包括硬度、强度、韧性等。
研究发现，Ti/Al层状复合材料具有较高的硬度和强度，同时韧性也相对较好。
这主要得益于其特殊的层状结构以及各元素之间的相互作用。
此外，该材料的抗疲劳性能和抗冲击性能也表现出色，这使其在许多领域具有广泛的应用前景。
四、Ti/Al层状复合材料的成形行为研究成形行为是材料在加工过程中所表现出的行为特性，对于材料的加工和应用具有重要影响。
针对Ti/Al层状复合材料，其成形行为的研究主要关注其加工过程中的变形行为、流动性和成形后的精度等方面。
研究发现，Ti/Al层状复合材料在加工过程中表现出良好的可塑性，易于加工成各种形状和尺寸的零件。
铝合金微弧氧化过程中能量转换的实验研究
薛文彬;邓志威;来永春;陈如意
【期刊名称】《表面技术》
【年(卷),期】1997(26)3
【摘要】采用量热实验方法初步测定了L2Y和LY12铝合金微弧氧化过程中电能转化为热能的大小。
结果表明,总电能△W转化为热能△Q的比值△Q/△W在50％～80％之间变化,其值随溶液浓度升高而增加,相同实验条件下,纯铝的△Q/△W值比Al-Cu-Mg系合金LYl2的低。
在20～85℃范围内,溶液吸热量与总电能比值随溶液温度升高略有降低。
微弧氧化过程中电能除部分转化为H_2、O_2析出能、光能和声能等方面外,大部分电能转化为热能。
【总页数】3页(P21-23)
【关键词】铝合金;微弧氧化;能量转换;氧化
【作者】薛文彬;邓志威;来永春;陈如意
【作者单位】北京师范大学低能核物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21;TG174.451
【相关文献】
1.硅酸钠浓度对铝合金微弧氧化起弧过程能量消耗的影响 [J], 葛延峰;蒋百灵;时惠英
2.在铝合金微弧氧化过程中工艺条件对氧化膜性能的影响 [J], 马迪;耿曼
3.铝合金微弧氧化陶瓷膜形成过程中的特性研究 [J], 吴汉华;于凤荣;李俊杰;吕宪义;金曾孙
4.铝合金微弧氧化过程中电学参量的特性研究 [J], 吴汉华;龙北红;吕宪义;汪剑波;金曾孙
5.单脉冲能量对铝合金微弧氧化陶瓷层性能的影响 [J], 路妍;王聪兴;熊毅;任凤章因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Ｊ二海大学倾：Ｌ学位论史王晓东，李廷举…ｌ等人研究了不锈钢金属熔体在旋转电磁场作用下的凝固过程，认为电磁搅拌力引起的动量对流对补缩的促进作用并不大。
旋转电磁场阻碍中心疏松、缩孔形成的机制为：电磁力引起的动量对流增强了熔体的热、质传输过程，使熔体温度分布更趋均匀，温度梯度减小，使心部熔体的固相率更趋一致且在短时内增至特征固相分数，且凝固末期熔体的凝固速率增大，使心部熔体在短时内凝固，避免了中心疏松、缩孔的形成（如图１—４所示）。
图１～４金属铸坯的凝固‘”１（ａ）未处理（ｂ）施加磁场孙伟成ｉｌ２】等人则研究了直流磁场、旋转磁场，直流电流作用下Ａ１一ｃｕ和Ａ卜ｓｉ合金的凝固组织，发现直流磁场可促进穿晶柱状晶的形成，对晶粒起粗化作用，旋转磁场可形成电磁搅拌，细化凝固组织；无论哪种磁场再通直流电流，则绌化效果更明显，只是通过的直流电流强度有一饱和值，超过此饱和值，则晶粒反而会发生粗化。
徐林等人通过研究发现，旋转磁场不仅对ｓｎ—Ｐｂ合金起到改善和防止偏析的产生、细化晶粒、提高机械（力学）性能的作用，而且还对合金的冷却曲线产生较大的影响。
于平、李子全【Ｊ３Ｊ等人研究了旋转磁场作用下，ｚＡ一２７合金初生相形貌演变过程及机理（图卜５），指出在低于液相线温度搅拌时，枝晶会发生弯曲变形、断裂、球形化和颗粒聚集的现象：在高于液相线温度电磁搅拌时，初生相会发生形核、球形生长和偏聚。
在旋转磁场作用下，能使ＺＡ－２７合金树枝晶转变为非树枝晶流变组织，且该组织的形成机理倾向于枝晶折断和枝晶弯曲合并两种理论。
交替改上海人学碰卜卜学位论文变磁场旋转方向有利于ＺＡ２７合金初生相的细化和均匀分布，并提高其圆整度加入微量合金元素对初生相有明显细化效果。
图１－－５ＺＡ－－２７合金铸锭组织Ｘ１００１１３１（ａ）砂型铸造（ｂ）在磁场中凝吲（ｃ）经旋转磁场电磁搅拌但来加旋转磁场张奎【１４】等人则研究了交流旋转磁场对Ａ卜Ｓｉ合金凝固组织的影响，结果发现其凝固组织的形貌为圆形轮廓的初生相晶粒浸润在细小的共晶体中，这与传统的凝固态枝晶组织有着显著差异。
Al-Cu-Mg-(Ag)/Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)合金的组织演变及强韧化研究高强度变形铝合金因具有良好的力学性能在众多领域得到了广泛的应用,特别是具有一定耐热性的高强度铝合金,在航空、航天及大陆深钻领域拥有良好的应用前景。
本文在高强度变形铝合金中选择了应用最为广泛、且具有一定代表性的合金(Al-Cu-Mg-(Ag)和Al-Zn-Mg-Cu-(Ag)合金)作为研究对象。
在前人研究的基础之上设计了多种高强度Al-Cu-Mg-Ag系合金,并优化了合金的成分、热处理及变形参数。
而在Al-Zn-Mg-Cu系合金中,研究了Ag元素对于7075铝合金时效过程的作用,同时,研究了变形与热处理次序对7075合金组织及性能的影响,优化了合金强化的工艺过程。
另外,本文结合脉冲电流处理(EPT)技术,对应用相对成熟的2024(Al-Cu-Mg)和7075(Al-Zn-Mg-Cu)合金在脉冲电流处理后的组织及性能变化进行了研究分析,这一方面扩展了脉冲电流技术的应用领域;另一方面为铝合金的组织及性能改善提供了一个新的途径。
为了研究过剩相对Al-Cu-Mg-Ag合金在T6处理前后的组织及性能的影响,本文设计了不同成分的高Cu/Mg的Al-Cu-Mg-Ag合金,研究结果显示:Ag元素的加入改变了Al-Cu-Mg合金中的析出相,加快了合金的时效硬化速率。
当Cu含量低于最大固溶度时,挤压态的合金强度随着Cu含量的增加而提高,而且,提高Cu元素和Mg元素含量都具有促进沉淀相析出的作用,但过高含量的Cu、Mg元素会对合金性能(特别是塑性)产生负面影响,因此,合金中的Cu、Mg含量需要被控制在一定范围内。
超过最大固溶度的Cu含量会使合金在热处理后保留大量过剩相,这对合金的时效析出及性能都具有不利的影响,然而,适量的过剩相会提高合金性能在高温下的稳定性,基于此结果本实验确定了合金的最佳成分为Al-6.3Cu-4.8Mg-0.4Ag,并对此合金不同挤压比(挤压比分别为17,30,67)的试样进行了组织和性能分析,结果发现挤压比为30的合金具有良好的综合性能,这是由于合金在此挤压比下具有较小的晶粒尺寸和更加细小的弥散析出相,同时说明此合金中挤压比存在着一个临界值,低于此值时,提高挤压比会促进合金的性能提高,但超过此临界值后,过大的变形量会在热处理过程中阻碍元素扩散并加速晶粒粗化,这反而会有损合金力学性能。
LY12铝合金微弧氧化的尺寸变化规律
薛文彬;邓志威;来永春
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】1997(000)003
【摘要】研究了ＬＹ１２铝合金微弧氧化过程中工作尺寸变化规律，并初步分析了氧化膜生长机理。
氧化膜经过一段时间的线性增长后，生长速度逐渐降低。
氧化初始阶段向外生长为主，氧化膜达到一定厚度后，工件外部尺寸不再增加，而逐渐转向基体内部生长。
氧化膜分为疏松层和致密层两层结构，致密层最终可占到总膜厚的７５％以上，打磨掉表面疏松层后，工件基本上能保持原始尺寸。
【总页数】4页(P140-143)
【作者】薛文彬;邓志威;来永春
【作者单位】北京师范大学低能核物理研究所;北京师范大学低能核物理研究所【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
【相关文献】
1.氧气流量对LY12铝合金微弧氧化膜致密性的影响 [J], 王玉洁;张鹏;王选;杜云慧;王胜林;张伟一;鹿红梅
2.LY12铝合金微弧氧化自润滑复合膜的制备与摩擦性能 [J], 王玉洁;张鹏;杜云慧;李领雷;李楠楠;李强
3.LY12铝合金微弧氧化黑色陶瓷膜层组构及耐磨性能 [J], 吴振东;刘爱然;孟婧;姚忠平
4.LY12铝合金微弧氧化膜在海水中的摩擦学性能 [J], 容琼
5.LY12铝合金微弧氧化尺寸变化及膜层相组成 [J], 金光;熊伟;李玉海;张罡;姚俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响3韩 逸 班春燕 巴启先 王书晗 崔建忠(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳 110004)(2004年9月10日收到;2004年11月19日收到修改稿) 研究了直流磁场、交流磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响,采用金相显微镜、电子探针和x 射线衍射等方法对其扩散层内生成物进行了分析.结果表明,在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小;在交流磁场作用下,液态铝和固态铁的界面变得凹凸不平;在垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子和铁原子之间的扩散,交流磁场则促进了扩散;无磁场时固态铁内扩散层中生成的金属间化合物由FeAl 3和Fe 2Al 5组成,直流磁场条件下只有Fe 2Al 5生成,交流磁场作用下由Fe 2Al 5和Fe 4Al 13组成.关键词:磁场,铝,铁,金属间化合物,扩散PACC :8130F ,47653国家重大基础研究发展规划(“973”)项目(批准号:G 1999064905)资助的课题.E -mail :hanyi7742@11引言铝为一种低密度、高韧性的有色金属,其合金一直以质轻、韧性好等优点广泛应用于工业的各个领域,尤其是在航天、航空中更是起着不可忽视的作用.铝与少量过渡金属元素铁组成的合金依旧保持了铝合金密度小的特点,且具有抗氧化、耐腐蚀等优点,近几年来新型轻质耐热铝铁合金的开发,使得铝铁合金成为国内外的研究热点[1].此外,Fe 2Al 系存在丰富的金属间化合物(如FeAl 3,Fe 2Al 5,FeAl 2等),研究这些金属间化合物的形成过程对实际生产,如热浸铝、熔结、液态金属腐蚀等方面有着重要的参考价值[2,3].在液态铝和固态铁界面反应的微观组织分析方面,人们已经做了大量的工作[4—7].但有关磁场对其界面微观组织影响的研究目前尚属空白.近十几年来,在材料凝固过程中施加磁场这一技术得到了快速发展,它已从最初的改进传统的工艺过程发展成为制备新材料、开发新工艺的重要手段.由于该技术具有无污染、操作方便和效果显著等优点,因此受到了人们的广泛重视[8,9].然而,目前这些研究大多停留在如何改善材料组织和性能方面,关于磁场对微观组织影响的研究还开展的很少,而且电磁效应的作用机制以及对微观组织的影响机理更有待于深入研究.本文研究了直流磁场、交流磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响,采用金相显微镜、电子探针和x 射线衍射等方法对其扩散层内形成的金属间化合物进行了研究.此外,对磁场的作用机制进行了初步的探讨.21实验材料及方法实验所用材料为高纯铝和纯铁丝.实验装置简图如图1所示.它包括磁场处理部分(由磁场电源和螺线管等组成);控制部分(由控温电源和各种控制仪表等组成);工作台及负载部分(由试样和外部支架组成);加热装置(由加热电阻丝、热电偶等组成). 称取高纯铝25g ,放入内径为17mm 的圆柱形石英坩埚中.将石英坩埚置于电阻炉内加热至700℃,保温10min ,用钨丝将铝熔体搅拌均匀,稳定一段时间后将炉温缓慢降至680℃.将一直径为218mm 的纯铁丝沿坩埚轴线插入液态铝中,同时施加强度为0112T 的直流或交流磁场(其中交流磁场频率为10H z ),保温30min 后淬火.作为对照,另一组样品的实验在无磁场条件下进行.将试样沿中部横截面切开,制成金相样品.在德国Leica 2DMR 金相显微镜下第54卷第6期2005年6月100023290Π2005Π54(06)Π2955206物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.54,N o.6,June ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.图1 实验装置简图 1—高纯铝,2—纯铁丝,3—石英管,4—热电偶,5—陶瓷管,6—加热电阻丝,7—工作线圈进行显微组织分析;利用日本岛津EPM 2810Q 电子显微镜分别对扩散层及铝基体内进行铝元素和铁元素的面扫描,定性地分析磁场对界面微观组织的影 响,并定量地计算出扩散层内生成物的铝铁原子比;采用日本理学株式会社D ΠM AX2400x 射线衍射仪确定生成的金属间化合物的具体成分.31实验结果与讨论3111金相显微组织的分析结果 图2分别显示了无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下的液态铝和固态铁界面的显微组织.照片中浅色部分是铝,深色部分是铁.从照片中可以看出,三种情况下在固态铁的界面内部均形成了非常明显的扩散层.此外,在交流磁场作用下液态铝和固态铁的界面变的凹凸不平,不如无磁场和直流磁场条件下平滑.这是因为交流磁场在液态铝中产生搅拌和对流[10],加剧对固态铁边界的冲刷致使界面凹凸不平.图2 液态铝和固态铁界面金相组织 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场图3 液态铝和固态铁界面的形貌照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场3121电子探针形貌及元素面扫描分析结果312111形貌分析结果无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下的液态铝和固态铁界面的形貌照片如图3所示.照片中亮白色部分是铁基体,黑色部分是铝基体,中间灰色部分是铝在固态铁中生成的扩散层.通过测量扩散层的平均厚度得到无磁场、直流磁场和交流磁场三6592物 理 学 报54卷种条件下分别为175μm 、128μm 和136μm ,由此可见,在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小. 根据菲克第一定律J =-D d Cd x,(1)式中J 为扩散流量,D 为扩散系数,d C Πd x 为浓度梯度,负号表示物质的扩散流方向与浓度梯度的方向相反.由此可知,扩散是由粒子浓度梯度引发的粒子定向流动,定向流动的平均速度V d 的方向平行于浓度梯度d C Πd x ,如图4所示V d 应和界面垂直.按金属电子理论,无论在液态还是在固态金属中,原子失去价电子以离子形式存在,即扩散流带正电荷.在图4中,假设磁场B 垂直于纸面向外,这样以平均速度V d 运动的铝离子在磁场中会受到洛伦兹力f =q V d ×B ,(2)式中q 为粒子电量.这样,运动轨迹发生偏转而沿着V dm 方向运动,这样垂直界面方向的速度减小,因此在相同时间内铝离子进入铁中的深度减小,以致扩散层厚度变薄.312121元素面扫描分析结果(1)对固态铁内扩散层进行铝元素面扫描 对上述形貌照片(图3)所示的同一视场作元素图4 磁场使离子扩散速度发生偏离示意简图铝的面扫描,分别得到图5(a ),(b ),(c ).扫描照片的白点对应铝元素,黑点对应铁元素.对比图5中的三幅扫描照片可明显看出,直流磁场作用下扩散层中生成物内的铝含量最低,无磁场较高,交流磁场作用下铝含量最高.这说明在试样的横截面方向上,即垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子往固态铁中的扩散,而交流磁场促进了铝原子往固态铁中的扩散.图5 液态铝和固态铁界面处铝元素的面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场 产生上述现象的原因是,根据菲克第一定律(见(1)式),扩散来源于浓度梯度.在界面处,铝原子通过扩散进入固态铁中后,铁原子也通过扩散进入液态铝中,致使界面附近液体中铝的浓度会降低,浓度梯度减小,扩散则将变缓.直流磁场有抑制液态金属对流的作用[11,12],使得界面处的铝原子更难以得到补充,从而抑制了铝原子继续向固态铁中的扩散;交流磁场会在液态铝中产生搅拌和对流,使得界面处的铝原子能够较快得到补充,这样界面处的铝能保持较高的浓度梯度,从而促进了铝原子向固态铁中的扩散.(2)对铝基体中部和边部进行铝元素面扫描图6和图7为无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下铝基体中部和边部位置处的铝元素面扫描照片.这几幅照片中白点对应铝元素,黑点对应铁元素.综合图6和7可以看出,铁元素大多数分布于铝75926期韩 逸等:磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响的晶界处,而且无论在铝基体的中部还是边部,铁在液态铝中的浓度均按直流磁场、无磁场、交流磁场次序增加.这显示了在试样的横截面方向上,即垂直于 磁场方向上,直流磁场对铁原子往液态铝中的扩散有着抑制作用,而交流磁场则起着促进作用. 在图5中黑色部分是铁基体,界面下方亮白色 图6 铝基体中部的铁元素面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场图7 铝基体边部的铁元素面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场部分是铝基体,可以看到仅在铁基体边部有有限厚度的扩散层,说明铝原子扩散进入固态铁中的深度有限.而图6和7中无论是铝基体中部还是边部的黑点都很多,说明铁原子可以扩散到整个液态铝中.这是因为液态金属中原子的可动性远远大于固态金属,所以铝原子扩散进入固态铁中的深度就远远小于铁原子扩散进入液态铝的深度.这表明,在相同条件下,液态金属的扩散系数远远大于固态金属的扩散系数.3131电子探针定量分析结果 采用电子探针微区成分分析方法,在铝-铁界面固态铁扩散层内生成物中按如图3(a )所示的箭头所指方向,每隔10μm 的距离测一个点,得到每个点处铝的浓度,由此算出铝含量的平均值,继而算出铝和铁的原子个数比,列于表1.计算得到的数值又一次证明了扩散层内生成物中铝含量按直流磁场、无磁场、交流磁场递增的结论.表1 扩散层内生成物中铝含量的平均值及铝和铁的原子个数比实验条件B =0DCAC铝含量的平均值(质量百分数,%)56.62355.66758.402铝和铁的原子个数比2.712.592.913141x 射线分析结果 为确定固态铁内扩散层中金属间化合物的具体成分,利用x 射线衍射方法对扩散层内生成物进行分析.由于扩散层厚度很薄,生成的金属间化合物数量很少,因此,除Fe 和Al 的峰值很强外,金属间化8592物 理 学 报54卷合物的衍射峰值很弱.在此,为了分析方便,把衍射图谱放大,得到的x 射线衍射图谱如图8所示.图8中,在无磁场、直流磁场和交流磁场三条曲线中均有FeAl 3峰的最强峰(2θ=44172),但此峰同时也是Fe 的最强峰和Al 的次强峰,而且直流磁场和交流磁场两条谱线中没有FeAl 3的次强峰(2θ=43152),由此断定在直流磁场和交流磁场作用下扩散层内生成的金属间化合物中没有FeAl 3.在图8中还可以看出,在无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下,扩散层 图8 固态铁内扩散层中生成物x 射线衍射图谱 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场内生成的金属间化合物中均有Fe 2Al 5,不同之处是,在无磁场条件下还有FeAl 3生成,而在交流磁场条件下还有Fe 4Al 13生成.综合X 射线衍射分析结果与电子探针微区成分分析结果可以看出,与无磁场情况相比,交流磁场促进了高铝化合物的生成,而在直流磁场作用下,可能仅生成低铝化合物Fe 2Al 5.41结 论(1)在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小.而且在交流磁场作用下,液态铝和固态铁的界面变得凹凸不平,不如无磁场和直流磁场条件下平滑.(2)在垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子和铁原子之间的扩散;交流磁场促进了铝原子和铁原子之间的扩散.(3)无磁场时固态铁内扩散层中生成的金属间化合物由FeAl 3和Fe 2Al 5组成,直流磁场条件下只有Fe 2Al 5生成,交流磁场作用下由Fe 2Al 5和Fe 4Al 13组成.[1]Zhou T ,Huang B Y,Zhou K C and Li W X 2004Rare MetalMater .Eng .33(2)187(in Chinese )[周 涛、黄伯云、周科朝、黎文献2004稀有金属材料与工程33(2)187][2]Heo N H ,K im M T ,Shin J H and K im C Y 2000Sur face CoatingTech .12439[3]Bouayad A ,G erometta Ch ,Belkebir A and Ambari A 2003Mater .Sci .Eng .A 36353[4]Y eremenko V N ,Natanz on Y V and Dybkov V I 1981J .Mater .Sci .16(9)1748[5]Bahadur A and M ohanty O N 1998Mater .Trans .JIM ,32(11)1053[6]Richard R W ,Jones R D ,Clements P D and Clarke H 1994Int .Mater .Rev .39(5)191[7]Bouche K,Barbier F and C oulet A 1998Mater .Sci .Eng .A 249167[8]Z i B T ,Ba Q X ,Cui J Z ,Bai Y G and Na X J 2000Acta Phys .Sin .49(5)1010(in Chinese )[訾炳涛、巴启先、崔建忠、白玉光、那兴杰2000物理学报49(5)1010][9]Ban C Y,Ba Q X ,Cui J Z ,Lu G M and Z i B T 2001Acta Phys .Sin 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x2ray diffraction(XRD).Results showed that the diffusion layer in solid iron under DC and AC magnetic fields was thinner than that without magnetic field,and the interface became irregular under AC magnetic field.In the direction perpendicular to the magnetic field,DC magnetic field dam ped the diffusion between alum inium and iron;on the contrary,under AC magnetic field diffusion was enhanced;the diffusion layer in solid iron was mainly com posed of Fe2Al5and FeAl3without magnetic field,while there was only Fe2Al5under DC magnetic field,and Fe2Al5and Fe4Al13under AC magnetic field.K eyw ords:magnetic field,alum inium,iron,intermetallics,diffusionPACC:8130F,47653Project suppored by the S tate K ey Development Program for Basic Research of China(G rant N o.G1999064905).E-mail:hanyi7742@。
L 12铝合金微观组织在交变磁场作用下组织变化研究陈革新 肖 宏 陈 雷（燕山大学 机械工程学院 河北 秦皇岛 066004）摘 要： 通过对LY12铝合金试件在交变磁场作用前后的微观组织变化研究，分析磁处理前后微观组织组成成份变化，进而得出交变磁场导致LY2铝合金组织细化的组织因素及作用机理，发现磁处理技术对铝合金的塑性有所提高，强度变化不大。
关键词： 铝合金；磁处理；组织细化；交变磁场中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0520073－02LY12铝合金是非常重要的硬铝合金材料，广泛应用于许多工程领域，目前磁处理的方法主要用于影响金属凝固过程的相变，在改善钢材的残余应力从而改善金属材料性能方面也有涉及，但对于改善固态铝合金材料组织性能方面却研究较少。
本文通过对通过强交变磁场处理后的LY12铝合金微观组织进行分析，利用透镜照片从析出相等方面对铝合金的性能变化进行了讨论和研究。
1 强交变磁处理试验1.1 试验样品制备试验材料LY12铝合金，其主要化学成分（质量分数，%）为0.5Si 、0.5Fe 、4.6Cu 、0.6Mn 、1.4Mg 、0.3Zn 、0.15Ti 、0.1Hi 、余量Al 。
试样尺寸如图1所示，试样经350℃加热，然后随炉缓慢冷却，完全消除残余应力。
图2 Al-Cu-Mg 合金三元相图的等温部分[2]Fig.2Isothermal section of temary Al-Cu-Mg phase diagram[2]在本实验中，预拉伸前对材料进行了加热并保温，随着温度升高，会有部分溶质原子（Cu 原子、Mg 原子等）溶入基体相固溶体中，使基体中出现大量空位，虽然进行了一定时间的保温，但并不足以使沉淀相完全溶解，尽管如此，基体相的化学成分仍会发生改变而形成具有大量空位的过饱和固溶体。
这样，预拉伸前的原始材料中仍含有一定量的第二相，从而使其随后的高温拉伸变形时力学行为受到第二相与位错相互作用的影响。
基体在高温拉伸变形过程中会产生大量的位错，同时基体内会有一些新相伴随着变形过程析出，并且与位错相互作用。
经历高温变形后，在降温过图1 试件图程中，逐渐冷却下来的过饱和固溶体，由于溶质原子溶解度的变化，也同Fig1 Test pieces样会有一些新的析出相产生。
1.2 热塑性变形利用透射电镜，对LY12合金中沉淀相的典型形貌进行了观察，如图将去除残余应力的试件在WDW3100微机控制电子万能试验机上进行热3所示。
从图中可以看到，在基体上存有较细长的“针状”和相对短粗的拉伸塑性变形，该试验机是配备全数字测量控制及自动处理系统的新型试“棒状”析出相，其中针状析出相的分布表现出一定的规律性，析出相见验机。
将6个LY12试件分为二组，每组3个试件。
退火处理的铝合金LY12最大多呈60°角度。
为进一步确定析出相的类型，对其进行了电子衍射分大热变形量可达15％，但由于试件尺寸小，为防止拉裂，各组试件拉伸时析，并对衍射花样进行了标定，如图4所示。
采用相同的速度为0.1mm/min 。
拉伸实验中利用万能试验机平头卡头装卡，严格控制变形量为10％，以确保发生塑性变形。
为进行实验效果的对比分析，6个试件要求保证相同的变形量和变形温度。
1.3 交变磁处理实验中设定加热温度为500℃，热塑性成形温度定为400℃～450℃间，主要是考虑到试件在装卡过程中热量会散失，预留一定的热成形温度区间。
将进行热塑性变形后的第一组3个试件直接放置于室温环境下进行空冷，保证空冷与磁处理时间相同，均为60分钟，然后通过组织切片，进行金相显微分析；第二组试件在热塑性成形到规定变形量后，通过自制的卡具放置于强交变磁场中进行磁处理。
2 微观组织分析2.1 金相组织分析本实验材料LY12属于Al-Cu-Mg 系时效强化合金，自然时效淬火态的LY12主要有强化相CuAl 2（又称相）、Mg 2Al 3（相）、CuMgAl 2（S 相） 图3 LY12铝合金中沉淀相的典型形貌[1]。
图2为Al-Cu-Mg 合金三元相图的等温部分，从该图可知本实验合金Fig.3 Typical TEM morphologies of precipitations in LY12（图中A 点所示）的平衡组织为固溶体+相CuAl 2+S 相CuMgAl 2。
Y（a ） S phase （b ） θ phase图4 沉淀相衍射花样Fig.4 Diffraction pattern of typical precipitations经标定（图4a ）针状析出物为正交晶格类型，经计算，晶格常数分别约为：a ≈0.398nm ，b ≈0.927nm ，c ≈0.717nm 。
通过对比发现，该种析出相的结构及晶格常数与Al 2CuMg （S 相）十分接近，参考图2给出的相图可推断出该种针状的析出物为SAl 大[3]，与Al 而“棒状”析出相为四方晶格类型（图4b ），经计算，其晶格常数约为：a ≈0.5994nm ，b ≈0.4813nm ，与CuAl 2（ 相）十分接近，结合相图可推断出该种析出相为 相，其典型的惯析面为{100}Al [4]，与Al 基体的关系为：在固态金属中，原子失去价电子成为离子，没有磁场作用，仅在温度场作用下这些离子的热运动速度 是随机的、任意的。
有磁场 存在时，速度 分解为垂直于磁场的分量 和平行于磁场的分量 。
以速度 运动的带电荷为 的离子与 相作用，产生洛仑兹力（1）带电荷为 的粒子在磁场作用下绕磁力线运动，由于各粒子质量和带电量不同，导致它们的回转半径不同，因此，磁场作用使得各粒子对基体产生了相对运动，这种运动使得粒子在铝基体中的扩散增强了。
由3+3+++于Al 的质量小于Cu 的质量，而Al 的带电量大于Cu 的带电量，所以由3++式（1）可知，Al 的回旋半径小于Cu 的回旋半径，因此，强交变磁场作3++用使得Cu 对Al 产生了相对运动，这种运动使Cu 在铝中的扩散增强了，这有利于增加Cu 元素在晶内的含量，从而减少其在晶界的富集，亦即减少了富Cu 的 相形成溶质的晶界东都，进而使得 相在晶界形成的几率大大降低。
由于合金经过在高温长时保温，基体中存在大量的自由空位，而Cu 原子与空位的结合能很高（0.12eV ），因此，Cu 原子的空位扩散机制在该合金析出相的形成起到重要的作用。
通常自由空位会出现以下几种情况[6]：1）空位被Mg 原子或其他原子所束缚，形成Mg 原子与其他原子簇与空位的聚合体，为相形核的核心；2）自由空位湮没在晶界等缺陷处；3）空位聚集成空位团，崩塌形成位错环作为新相形核的核心；4）自由空位与Cu 原子相互作用而促进Cu 原子的扩散。
从上述几种情况中，大部分的自由空位最有可能和Cu 原子相结合，这是因为合金中Cu 的摩尔分数比其它合金元素的要高（见合金成分），自由空位除用于形成Mg 原子或其他原子与空位的聚合体的需要外，剩余的空位[010]Al // [001] 。
基本上与Cu 原子相结合，即形成了Cu 原子——空位复合体，根据溶质原子2.2 作用机理分析发生非平衡偏聚的能量条件[7]，该Cu 原子——空位复合体则会向晶界偏图5为两组试样经室温拉伸后的组织形貌，从该图可见，未施加强交聚，引起晶界状态的改变，增加晶界滑移的阻力，降低相互间的协调能变磁场的试样晶界处存有明显的裂纹而且在晶界上存有明显的析出物（如力，不利于塑性的改善。
但当施加强交变磁场后，促进了位错的运动，由图5a ），经衍射花样标定分析得出该种晶界析出物为 相（如图5c ）；而于位错是空位最有效的吸收源，位错运动的促进则增加了位错与空位的接施加强交变磁场的试样的晶界上既没有明显的析出物也没有明显的沿晶裂触几率，从而是更多的自由空位被吸收，数目减少，自由空位的减少不但纹（如图5b ）。
沉淀相在晶界析出，促使晶界滑移，容易在三重点产生应可使Cu 原子——空位复合体的数目减少，缓解偏聚在晶界复合体对协调晶力集中，造成晶界破坏。
而当晶界无析出物时，晶界在滑移过程中，滑移界滑移的阻力，而且，位错由于磁场的存在而更均匀地分布，也将使得以带对晶界冲击，产生晶界阶梯，成为微孔的形核位置，此时晶界破坏需要其为核心生成的沉淀相分布均匀，使得位错在室温拉伸变形过程中沿滑移的应力较大。
当晶界出现析出物时，滑移带冲击这些微粒，使每个粒子周面移动的阻力减弱，特别是当位错滑移到晶界时，均匀分布的第二相粒子围产生局部应力集中，此时需要较小的应力就会在粒子周围产生孔洞，孔可有效协调晶界滑动产生的变形[8]，也有助于塑性的提高。
洞通过变形机理或空位扩散机理聚合长大，形成晶界裂纹，使钢的塑性变 3 结论差[5]。
由此可见，强交变磁场可通过抑制沿晶的相析出而避免了塑性变通过对材料通磁前后的组织分析，结果表明，强交变磁处理是一种有形过程中在晶界析出物时产生应力集中，使晶界滑移得到协调，从而增加效的非热处理型处理方法，强交变磁处理使热塑性变形后金属微观组织产了合金的塑性。
生形变，细化了金属微观组织，使其塑性提高。
此文章内容属于国家自然基金支持项目，项目编号：51075351。
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