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高性能铝合金由于低密度、强度适中、高塑性、耐腐蚀等优异的综合性能广泛地应用在食品包装、化学化工等行业。然而,为了进一步扩大合金在航天航空、交通运输等领域的应用,需要具备更优的高强高韧性能合金。而搅拌摩擦加工(FSP)作为一种新型的大塑性变形手段,能够有效地改善合金性能。 本文采用铸锭冶金方法制备了不同Sc、Zr含量的Al-Mg-Sc-(Zr)合金。采用金相显微镜(OM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)和拉伸实验研究了Sc、Zr和Sc/Zr复合合金化对Al-5Mg合金组织与性能的影响;研究了Al-Mg-Sc-Zr铸态合金中初生粒子的外部形貌、内部结构与空间分布规律。另一方面,通过对搅拌摩擦加工后合金各区域微观组织结构的演变规律及动态再结晶机制的研究,探讨了Sc和Sc、Zr在Al-5Mg合金中的存在形式与作用机理。 研究发现:Al-5Mg合金铸态组织为粗大的树枝晶结构;单独添加0.6wt.％Sc时,合金细化效果显著,平均晶粒尺寸从265.1μm减至50.2μm;复合添加0.2wt.％Sc和0.1wt.％Zr后,合金的强度显著提高,且具有较高的塑性。由于Sc、Sc/Zr添加量超过共晶点成分,在合金凝固过程中析出初生的Al3Sc/Al3(Sc,Zr)颗粒。这些初生颗粒与基体α-Al相具有相同的晶体结构(αAl=0.4050nm,αAl3Sc=0.4106nm,αAl3(Sc,zr)=0.410nm)和一致的晶体取向,能够有效地作为α-Al的异质核心,起到细化晶粒的效果。Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr合金铸态下的抗拉强度、屈服强度和延伸率达到315.6MPa、170.1MPa和21.1％。 Al-Mg-Sc-Zr合金的初生Al3(Sc,Zr)颗粒具有类似于立方结构的外部形貌特征,在合金凝固过程中呈现“cellular-dendritic”模式生长并且形成“Al3(Scx,Zr1-x)+α-Al+Al3(Scx,Zr1-x)”多层共晶内部结构。通过计算,交截面分别为(100)、(111)的两个不同形貌初生颗粒在观察面上的三个惯习面分别为((3)21),((1)(1)1),(144)和(32(1)),(2(3)0),(114);通过变换得出其在基体中的具体坐标轴分别为((3)2(1)),((1)(1)1),(144)和((1)33),(0(1)1),(301)。结果表明Al-Mg-Sc-Zr铸态合金中初生Al3(Sc,Zr)颗粒呈现随机分布。 经过搅拌摩擦加工(FSP)后合金的微观组织主要由焊核区、热机影响区、热影响区及母材区组成。热影响区只受到较强的热循环作用发生了小部分的再结晶,其微观组织为沿着剪切方向旋转一定角度的粗大晶粒,同时在大尺寸晶粒的内部存在一些小晶粒;热机影响区受到剧烈的搅拌作用与高温度场作用下发生明显的再结晶现象,组织表现为细小等轴晶组成的细长条状晶;焊核区发生完全再结晶而形成非常细小的等轴晶晶粒组织。热影响区和热机影响区的主要动态再结晶机制为连续动态再结晶;而焊核区的主要动态再结晶机制是几何动态再结晶。 经过搅拌摩擦加工(FSP)后,Al-5Mg、Al-5Mg-0.2Sc和Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr三种合金焊核区的平均晶粒尺寸分别为～10μm、～5.35μm、～2.34μm;相比较合金铸态下的性能,其综合性能均得到了提高。抗拉强度值分别提高了54.3％、85.9％、53.5％、屈服强度值提高了113.8％、161.5％、89.8％、塑性提高了57.6％、114.3％、54.1％。Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr合金搅拌摩擦加工变形后焊核区的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为484.3MPa、322.8MPa和32.5％。 与变形后的Al-5Mg合金相比,单独添加0.2wt.％Sc、复合添加0.2wt.％Sc和0.1wt.％Zr的Al-Mg-Sc、Al-Mg-Sc-Zr合金的强度得到了明显的改善,其主要原因是合金在变形过程中析出了大量的、弥散的次生Al3Sc、Al3(Sc,Zr)沉淀相。由于与基体共格的关系,这些纳米级沉淀相能够有效地钉扎位错,抑制亚晶界的移动,产生强烈的亚结构强化;同时晶粒内部存在的大量Al3Sc、Al3(Sc,Zr)弥散相引起显著的沉淀强化效果。