Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金組織與性能影響的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益嚴(yán)苛，鋁合金作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度且具有良好耐腐蝕性的金屬材料，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。6061鋁合金作為Al-Mg-Si系鋁合金的典型代表，憑借其優(yōu)良的綜合性能，如中等強(qiáng)度、良好的可成型性、可焊接性以及出色的抗腐蝕性等，在航空航天、汽車制造、建筑工程和電子設(shè)備等行業(yè)中占據(jù)著重要地位。在航空航天領(lǐng)域，其輕質(zhì)特性有助于減輕飛行器的重量，提高燃油效率和飛行性能，常用于制造飛機(jī)的機(jī)身框架、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及航天器的結(jié)構(gòu)件等；在汽車制造行業(yè)，6061鋁合金可用于制造車身結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等，既能有效降低車身重量，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，又能保證汽車的安全性和可靠性；在建筑工程中，6061鋁合金常用于門窗、幕墻、屋頂結(jié)構(gòu)等，其良好的耐腐蝕性和美觀性使其成為建筑裝飾的理想材料；在電子設(shè)備領(lǐng)域，如手機(jī)、電腦等產(chǎn)品的外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，也廣泛應(yīng)用6061鋁合金，以滿足產(chǎn)品輕薄化、高強(qiáng)度和散熱性能的要求。然而，隨著各行業(yè)對(duì)鋁合金性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)6061鋁合金在某些方面逐漸難以滿足需求。例如，在航空航天和高速列車等對(duì)材料強(qiáng)度和耐熱性要求極高的領(lǐng)域，6061鋁合金的強(qiáng)度和高溫性能有待進(jìn)一步提升；在汽車輕量化進(jìn)程中，需要鋁合金在保證強(qiáng)度的同時(shí)，具備更好的塑性和成形性，以滿足復(fù)雜零部件的制造需求；在海洋工程和化工領(lǐng)域，對(duì)6061鋁合金的耐蝕性提出了更高的挑戰(zhàn)。因此，如何進(jìn)一步改善6061鋁合金的組織和性能，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。微合金化作為一種有效的材料強(qiáng)化手段，通過向合金中添加微量的合金元素（通常添加量小于1%），如Zr、Er等，能夠顯著改變合金的微觀組織和性能。Zr元素在鋁合金中具有獨(dú)特的作用機(jī)制，它可以細(xì)化晶粒，抑制再結(jié)晶，提高合金的強(qiáng)度和耐熱性。Zr與Al能形成彌散分布的Al?Zr相，這些細(xì)小的第二相粒子在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，起到釘扎晶界和位錯(cuò)的作用，從而有效阻礙晶粒的長大和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，細(xì)化合金的晶粒組織，提高合金的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，Al?Zr相的熱穩(wěn)定性較高，在高溫下不易長大和溶解，能夠有效抑制合金的再結(jié)晶過程，提高合金的高溫性能。Er作為一種稀土元素，在鋁合金中具有凈化熔體、細(xì)化晶粒和提高合金綜合性能的作用。Er可以與鋁合金中的雜質(zhì)元素如Fe、Si等形成高熔點(diǎn)的化合物，從而降低雜質(zhì)元素在基體中的含量，凈化合金熔體，減少雜質(zhì)對(duì)合金性能的不利影響。Er還能細(xì)化合金的晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。研究表明，添加適量的Er可以促進(jìn)合金中第二相的析出和均勻分布，改善第二相的形態(tài)和尺寸，從而提高合金的綜合性能。此外，Er的加入還可以提高合金的耐蝕性和抗氧化性能，拓寬6061鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。通過Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金進(jìn)行改性研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論角度來看，深入研究Zr、Er元素在6061鋁合金中的作用機(jī)制，有助于揭示微合金化對(duì)鋁合金微觀組織和性能影響的本質(zhì)規(guī)律，豐富和完善鋁合金材料科學(xué)的理論體系。Zr、Er元素與鋁合金中的其他元素之間的相互作用，以及它們對(duì)合金凝固過程、晶體生長、再結(jié)晶行為和第二相析出等方面的影響，都是亟待深入研究的科學(xué)問題。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，可以為鋁合金的成分設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，Zr、Er微合金化后的6061鋁合金有望在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能和更廣泛的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，提高6061鋁合金的強(qiáng)度和耐熱性，可使其用于制造更先進(jìn)的飛行器結(jié)構(gòu)件，降低飛行器重量，提高飛行性能和燃油效率，增強(qiáng)航空航天產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；在汽車制造行業(yè)，改善鋁合金的塑性和成形性，能夠滿足汽車零部件復(fù)雜形狀的制造需求，推動(dòng)汽車輕量化進(jìn)程，降低能源消耗和尾氣排放，符合環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)；在海洋工程和化工領(lǐng)域，增強(qiáng)6061鋁合金的耐蝕性，可使其在惡劣的海洋環(huán)境和化學(xué)腐蝕環(huán)境中更可靠地應(yīng)用，提高設(shè)備的使用壽命和安全性，降低維護(hù)成本。因此，開展Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金組織與性能影響的研究，對(duì)于推動(dòng)鋁合金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.26061鋁合金概述6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其主要合金元素為鎂（Mg）和硅（Si），二者可形成Mg?Si相，該相在鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，6061鋁合金中還含有少量的銅（Cu）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鈦（Ti）等元素，各元素的標(biāo)準(zhǔn)含量范圍如下表所示：元素硅Si鐵Fe銅Cu錳Mn鎂Mg鉻Cr鋅Zn鈦Ti其它鋁Al含量（%）0.4-0.8≤0.70.15-0.4≤0.150.8-1.20.04-0.35≤0.25≤0.15單個(gè)≤0.05，合計(jì)≤0.15余量其中，銅元素的加入可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)其熱處理強(qiáng)化效果；錳元素能中和鐵的有害作用，改善合金的耐蝕性，并在一定程度上提高強(qiáng)度；鉻元素可以細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)增強(qiáng)其抗應(yīng)力腐蝕開裂能力；鋅元素對(duì)合金的強(qiáng)度有一定的提升作用；鈦元素主要用于細(xì)化晶粒，改善合金的鑄造性能。在原始組織形態(tài)方面，6061鋁合金鑄態(tài)組織通常由α-Al基體、Mg?Si相、AlFeSi相以及其他少量的第二相組成。α-Al基體為面心立方結(jié)構(gòu)，是合金的主要組成相，提供基本的強(qiáng)度和塑性。Mg?Si相是合金中的主要強(qiáng)化相，在時(shí)效過程中，Mg?Si相從α-Al基體中析出，以細(xì)小彌散的顆粒狀分布在基體中，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。AlFeSi相是由雜質(zhì)元素鐵與合金中的硅、鋁形成的金屬間化合物，其形態(tài)和分布對(duì)合金性能有重要影響。通常，AlFeSi相呈針狀或片狀，這種形態(tài)會(huì)降低合金的塑性和韌性，且易成為裂紋源，降低合金的疲勞性能和耐蝕性。通過合適的熱加工和熱處理工藝，6061鋁合金的組織可以得到顯著改善。在均勻化處理過程中，合金中的元素?cái)U(kuò)散更加均勻，減輕了成分偏析，使第二相粒子更加細(xì)小、均勻地分布在基體中，為后續(xù)加工和性能提升奠定良好基礎(chǔ)。熱加工如軋制、鍛造等，可以破碎粗大的鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒，提高合金的致密性和力學(xué)性能。在熱處理方面，6061鋁合金常采用固溶處理及時(shí)效處理。固溶處理是將合金加熱到適當(dāng)溫度并保溫一定時(shí)間，使合金中的強(qiáng)化相充分溶解到α-Al基體中，形成均勻的過飽和固溶體；隨后的時(shí)效處理則是在較低溫度下保溫，促使過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子脫溶析出，形成細(xì)小彌散的強(qiáng)化相，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。6061鋁合金具有中等強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度一般在200-300MPa之間，屈服強(qiáng)度約為170-270MPa，延伸率為8%-18%。這種強(qiáng)度水平使其適用于許多對(duì)材料強(qiáng)度有一定要求，但又需要材料具備一定塑性和加工性能的領(lǐng)域。其硬度適中，HBW硬度一般在60-95之間，既便于機(jī)械加工，又能滿足一些結(jié)構(gòu)件的耐磨性要求。6061鋁合金還具有良好的耐蝕性，在大氣、淡水以及一些弱腐蝕介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕能力，這得益于其表面能形成一層致密的氧化鋁保護(hù)膜，阻止了進(jìn)一步的腐蝕。6061鋁合金的電導(dǎo)率較高，約為20-30%IACS，熱膨脹系數(shù)約為23.6×10??/℃，這些物理性能特點(diǎn)使其在電子、散熱等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。綜上所述，6061鋁合金憑借其合理的成分設(shè)計(jì)和獨(dú)特的組織形態(tài)，具備了中等強(qiáng)度、良好的加工性能和耐蝕性等綜合性能，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著各行業(yè)對(duì)鋁合金性能要求的不斷提高，6061鋁合金在某些性能方面仍有待進(jìn)一步優(yōu)化和提升，這也為Zr、Er微合金化對(duì)其組織與性能影響的研究提供了必要性和研究價(jià)值。1.3Zr、Er微合金化研究現(xiàn)狀在鋁合金材料研究領(lǐng)域，Zr元素的微合金化作用備受關(guān)注。Zr在鋁合金中主要通過形成彌散分布的Al?Zr相來發(fā)揮作用。Al?Zr相具有細(xì)小且彌散的特點(diǎn)，在鋁合金凝固過程中，它能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，為晶粒的形核提供更多的位點(diǎn)，從而顯著細(xì)化合金的晶粒組織。這種細(xì)化作用不僅可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，還能改善合金的塑性和韌性。有研究表明，在6061鋁合金中添加Zr元素后，合金的晶粒度明顯減小，當(dāng)Zr添加量達(dá)到一定比例時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有顯著提升，同時(shí)，延伸率也能保持在一個(gè)較好的水平，這表明Zr元素在細(xì)化晶粒的同時(shí)，并沒有對(duì)合金的塑性造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。Zr元素還能有效抑制鋁合金的再結(jié)晶過程。在熱加工或熱處理過程中，鋁合金容易發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒長大，從而降低合金的性能。而Al?Zr相能夠釘扎晶界，阻礙晶界的遷移，使得再結(jié)晶難以發(fā)生，或者即使發(fā)生，也能有效限制再結(jié)晶晶粒的長大。這一特性使得Zr微合金化的6061鋁合金在高溫環(huán)境下仍能保持較好的組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能，拓寬了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。Er作為一種稀土元素，在鋁合金微合金化中也展現(xiàn)出獨(dú)特的作用。Er元素的加入可以凈化鋁合金熔體，它能夠與熔體中的雜質(zhì)元素如Fe、Si等形成高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物在熔體中以沉淀的形式析出，從而降低了雜質(zhì)元素在基體中的含量，減少了雜質(zhì)對(duì)合金性能的不利影響。在6061鋁合金中，F(xiàn)e雜質(zhì)元素往往會(huì)形成針狀或片狀的AlFeSi相，這種相的存在會(huì)降低合金的塑性和韌性。而加入Er元素后，能夠促使AlFeSi相形態(tài)發(fā)生改變，使其變得更加細(xì)小、彌散，從而減輕了其對(duì)合金性能的損害。Er元素還能細(xì)化6061鋁合金的晶粒。Er在合金凝固過程中，能夠增加形核核心，抑制晶粒的長大，使得合金的晶粒尺寸減小，組織更加均勻。這種細(xì)化效果有助于提高合金的強(qiáng)度、韌性和耐蝕性。研究發(fā)現(xiàn)，適量添加Er元素的6061鋁合金，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所提高，同時(shí)，合金的耐蝕性也得到了明顯改善，在模擬腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率顯著降低。Zr、Er復(fù)合微合金化對(duì)6061鋁合金組織與性能的影響也逐漸成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)Zr、Er同時(shí)添加到6061鋁合金中時(shí)，會(huì)形成Al?（Er，Zr）復(fù)合相。這種復(fù)合相不僅繼承了Al?Zr相和Al?Er相的優(yōu)點(diǎn)，如細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶等，還可能產(chǎn)生一些協(xié)同效應(yīng)。一方面，Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，能夠更加有效地釘扎晶界和位錯(cuò)，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度；另一方面，復(fù)合添加Zr、Er元素可能會(huì)對(duì)6061鋁合金中Mg?Si強(qiáng)化相的析出行為產(chǎn)生影響，促進(jìn)Mg?Si相的均勻析出，優(yōu)化其尺寸和形態(tài)，從而進(jìn)一步提升合金的綜合性能。有研究報(bào)道，Zr、Er復(fù)合微合金化的6061鋁合金在強(qiáng)度、塑性和耐蝕性等方面都表現(xiàn)出優(yōu)于單一元素微合金化的性能。盡管目前在Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金組織與性能影響的研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究對(duì)于Zr、Er元素在6061鋁合金中的精確作用機(jī)制，特別是在原子尺度上的作用機(jī)理，尚未完全明晰。雖然知道Zr、Er元素能細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶等，但對(duì)于它們?nèi)绾闻c鋁合金中的其他元素相互作用，以及這種相互作用如何具體影響合金的凝固、結(jié)晶和相變過程，還需要進(jìn)一步深入研究。在Zr、Er復(fù)合微合金化方面，對(duì)于復(fù)合添加的最佳比例以及不同添加比例下合金性能的變化規(guī)律，研究還不夠系統(tǒng)和全面。不同研究中所采用的實(shí)驗(yàn)條件和方法存在差異，導(dǎo)致研究結(jié)果之間的可比性和一致性較差，這也給Zr、Er微合金化6061鋁合金的實(shí)際應(yīng)用帶來了一定的困難。此外，目前的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于Zr、Er微合金化6061鋁合金的工業(yè)化生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制技術(shù)的研究相對(duì)較少，限制了其在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)選用純度為99.7%的工業(yè)純鋁作為6061鋁合金的基體原料，其雜質(zhì)含量符合相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證合金基體的基本性能。主要合金元素鎂（Mg）和硅（Si）分別以純鎂錠和純硅塊的形式加入，純度均達(dá)到99.9%以上，以精確控制合金中Mg和Si的含量，確保形成適量的Mg?Si強(qiáng)化相，為合金提供必要的強(qiáng)度和硬度。為實(shí)現(xiàn)Zr、Er微合金化，采用Al-10%Zr和Al-Er中間合金。Al-10%Zr中間合金中Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，余量為鋁，其制備工藝成熟，Zr元素在鋁基體中分布較為均勻，能夠有效地向6061鋁合金中引入Zr元素。Al-Er中間合金中Er的含量根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)配，一般在5%-10%之間，本實(shí)驗(yàn)選用的Al-Er中間合金中Er含量為8%，通過合理的熔煉和加工工藝，保證了Er元素在中間合金中的均勻彌散分布，為后續(xù)在6061鋁合金中的均勻添加奠定基礎(chǔ)。根據(jù)6061鋁合金的成分標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)研究目的，設(shè)計(jì)了以下合金成分方案，旨在探究Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金組織與性能的影響：合金編號(hào)Si（%）Mg（%）Cu（%）Mn（%）Cr（%）Zn（%）Ti（%）Zr（%）Er（%）Al（%）1#0.4-0.80.8-1.20.15-0.4≤0.150.04-0.35≤0.25≤0.1500余量2#0.4-0.80.8-1.20.15-0.4≤0.150.04-0.35≤0.25≤0.150.10余量3#0.4-0.80.8-1.20.15-0.4≤0.150.04-0.35≤0.25≤0.1500.1余量4#0.4-0.80.8-1.20.15-0.4≤0.150.04-0.35≤0.25≤0.150.10.1余量其中，1#合金為未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金，作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)材料，用于與微合金化后的合金進(jìn)行性能對(duì)比，以明確Zr、Er元素對(duì)合金組織與性能的具體影響。2#合金僅添加了0.1%的Zr元素，旨在研究單一Zr元素微合金化對(duì)6061鋁合金的作用機(jī)制，觀察Zr元素對(duì)合金晶粒細(xì)化、再結(jié)晶抑制以及力學(xué)性能提升等方面的影響。3#合金僅添加了0.1%的Er元素，用于探究單一Er元素微合金化的效果，分析Er元素對(duì)合金熔體凈化、晶粒細(xì)化以及綜合性能改善等方面的作用。4#合金同時(shí)添加了0.1%的Zr元素和0.1%的Er元素，研究Zr、Er復(fù)合微合金化時(shí)可能產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，以及對(duì)合金微觀組織和性能的綜合影響，為開發(fā)高性能6061鋁合金提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.2合金熔煉與制備合金熔煉在坩堝電阻爐中進(jìn)行，該電阻爐具有良好的溫度控制精度和穩(wěn)定性，能夠滿足合金熔煉過程中對(duì)溫度的嚴(yán)格要求。首先，將稱量好的工業(yè)純鋁塊放入石墨坩堝中，然后將石墨坩堝放置于電阻爐的爐膛中心位置。開啟電阻爐，以10℃/min的升溫速率將溫度升高至750℃-780℃，此溫度范圍高于工業(yè)純鋁的熔點(diǎn)，確保純鋁能夠完全熔化。在升溫過程中，密切關(guān)注電阻爐的溫度變化，通過溫控系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)控，保證升溫速率的均勻性和穩(wěn)定性。待工業(yè)純鋁完全熔化后，將溫度降至720℃-740℃，按照設(shè)計(jì)的合金成分比例，依次加入純鎂錠、純硅塊、Al-10%Zr中間合金和Al-Er中間合金。在加入過程中，為了確保合金元素能夠均勻地融入鋁液中，采用不銹鋼攪拌棒進(jìn)行手動(dòng)攪拌。攪拌速度控制在60r/min-80r/min，攪拌時(shí)間為15min-20min，使合金元素充分?jǐn)U散和溶解。攪拌過程中，注意攪拌棒的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保鋁液各個(gè)部位都能得到充分?jǐn)嚢?，避免出現(xiàn)局部成分不均勻的情況。加入合金元素并攪拌均勻后，向鋁液中通入高純氬氣進(jìn)行精煉除氣處理。氬氣流量控制在5L/min-8L/min，精煉時(shí)間為20min-30min。高純氬氣在鋁液中形成微小氣泡，這些氣泡在上升過程中能夠吸附鋁液中的氫氣和夾雜物，從而有效降低鋁液中的氣體含量和夾雜物數(shù)量，提高合金的純凈度。精煉結(jié)束后，將鋁液靜置15min-20min，使夾雜物充分上浮至液面，然后用扒渣工具將液面的浮渣徹底清除干凈，確保合金液的質(zhì)量。將精煉除渣后的合金液升溫至750℃-760℃，然后澆鑄到預(yù)熱至200℃-250℃的金屬模具中。金屬模具采用鑄鐵材質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，能夠保證合金液在澆鑄過程中的成型質(zhì)量。澆鑄過程中，控制澆鑄速度，使合金液緩慢、平穩(wěn)地流入模具型腔，避免產(chǎn)生紊流和氣孔。澆鑄完成后，讓合金在模具中自然冷卻至室溫，得到合金鑄錠。2.3組織與性能檢測(cè)方法采用線切割技術(shù)從合金鑄錠上截取尺寸為10mm×10mm×10mm的金相試樣。對(duì)截取的金相試樣依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光處理。粗磨使用80目、120目、240目和400目的砂紙，按照從粗到細(xì)的順序，在金相試樣磨拋機(jī)上進(jìn)行打磨，去除試樣表面的切割痕跡和較大的劃痕，使試樣表面初步平整；細(xì)磨采用600目、800目、1000目和1200目的砂紙，進(jìn)一步細(xì)化試樣表面的劃痕，提高表面平整度；拋光時(shí)，使用金剛石拋光膏和拋光布，在拋光機(jī)上進(jìn)行精細(xì)拋光，使試樣表面達(dá)到鏡面效果，以滿足金相觀察的要求。將拋光后的金相試樣用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸（HF）溶液進(jìn)行侵蝕，侵蝕時(shí)間控制在15s-20s，通過化學(xué)反應(yīng)使合金中的不同相在顯微鏡下呈現(xiàn)出不同的襯度，從而清晰地顯示出合金的微觀組織。侵蝕后的試樣立即用去離子水沖洗干凈，并用酒精脫水，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，以防止試樣表面氧化和腐蝕。使用Axiovert40MAT型金相顯微鏡對(duì)侵蝕后的金相試樣進(jìn)行觀察和拍照，放大倍數(shù)為500倍和1000倍，分別從低倍和高倍視角觀察合金的晶粒形態(tài)、大小以及第二相的分布情況，每個(gè)試樣選取5個(gè)不同的視場(chǎng)進(jìn)行觀察和拍照，以確保觀察結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性。對(duì)于掃描電鏡（SEM）分析，將合金鑄錠切割成尺寸為5mm×5mm×5mm的小試樣，使用丙酮和酒精在超聲波清洗機(jī)中依次對(duì)小試樣進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間均為15min，以去除試樣表面的油污和雜質(zhì)。清洗后的試樣在干燥箱中于50℃下干燥1h，確保試樣表面完全干燥。將干燥后的試樣固定在SEM的樣品臺(tái)上，使用JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察和分析。在觀察過程中，首先采用低倍掃描（500倍-1000倍），對(duì)試樣的整體微觀組織進(jìn)行概覽，觀察合金的晶粒大小、形態(tài)以及第二相的分布情況；然后選取感興趣的區(qū)域，采用高倍掃描（5000倍-10000倍），對(duì)第二相的形貌、尺寸和成分進(jìn)行詳細(xì)分析，通過能譜分析（EDS）確定第二相的化學(xué)成分，進(jìn)一步了解Zr、Er元素在合金中的存在形式和分布狀態(tài)。電子背散射衍射（EBSD）分析時(shí)，從合金鑄錠上切取尺寸為10mm×10mm×3mm的薄片試樣，先對(duì)薄片試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，去除表面的加工損傷層；然后采用電解拋光的方法，進(jìn)一步提高試樣表面的平整度和光潔度，以滿足EBSD分析對(duì)試樣表面質(zhì)量的嚴(yán)格要求。電解拋光液采用高氯酸-酒精溶液，在電壓為20V、溫度為-5℃的條件下進(jìn)行電解拋光，時(shí)間為30s-40s。使用OxfordNordlysMax3型電子背散射衍射儀對(duì)電解拋光后的試樣進(jìn)行分析。分析時(shí)，將試樣放置在EBSD樣品臺(tái)上，確保試樣表面與電子束垂直，掃描步長設(shè)置為0.5μm，以獲取高分辨率的EBSD圖像。通過分析EBSD圖像，可以得到合金的晶粒取向分布、晶界特征、織構(gòu)類型等信息，深入研究Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金晶體學(xué)特征的影響。在力學(xué)性能測(cè)試方面，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，使用線切割技術(shù)從合金鑄錠上加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸試樣的標(biāo)距長度為50mm，平行段直徑為6mm。采用CMT5105型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率控制為1mm/min，通過試驗(yàn)機(jī)上的傳感器實(shí)時(shí)記錄拉伸過程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而計(jì)算出合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。每個(gè)合金成分制備5個(gè)拉伸試樣，取其平均值作為該合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。使用HVS-1000型數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)量合金的硬度。在測(cè)量前，先將合金試樣表面打磨平整，然后在試樣表面均勻選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離不小于3mm，以避免測(cè)量點(diǎn)之間的相互影響。加載載荷為1kg，加載時(shí)間為15s，測(cè)量完成后，取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)硬度值的平均值作為該合金的硬度值，以確保硬度測(cè)量結(jié)果的代表性。采用CHI660E型電化學(xué)工作站，通過動(dòng)電位極化曲線法測(cè)試合金的耐腐蝕性能。將合金試樣加工成工作電極，工作面積為1cm2，用環(huán)氧樹脂封裝，只露出1cm2的工作表面。參比電極選用飽和甘汞電極（SCE），輔助電極采用鉑電極。測(cè)試溶液為3.5%的NaCl溶液，pH值為7，模擬海洋環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)。在測(cè)試前，將工作電極在測(cè)試溶液中浸泡30min，使電極表面達(dá)到穩(wěn)定的開路電位。動(dòng)電位極化曲線的掃描速率為0.5mV/s，掃描范圍為相對(duì)于開路電位-0.2V至+0.6V。通過分析動(dòng)電位極化曲線，得到合金的自腐蝕電位（Ecorr）、自腐蝕電流密度（Icorr）等參數(shù)，評(píng)估Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金耐腐蝕性能的影響。三、Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金組織的影響3.1對(duì)晶粒尺寸與形態(tài)的影響3.1.1Zr單獨(dú)作用在6061鋁合金中單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，Zr主要通過形成Al?Zr相來發(fā)揮細(xì)化晶粒的作用。Al?Zr相具有細(xì)小且彌散的特點(diǎn)，在合金凝固過程中，它能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，為α-Al晶粒的形核提供大量的位點(diǎn)。這是因?yàn)锳l?Zr相的晶格常數(shù)與α-Al相接近，根據(jù)經(jīng)典形核理論，這種晶格匹配度較高的第二相粒子更容易在合金熔體中誘發(fā)α-Al晶粒的形核，從而增加形核率。當(dāng)Zr含量較低時(shí)，如在0.05%-0.1%范圍內(nèi)，隨著Zr含量的增加，合金熔體中形成的Al?Zr相數(shù)量逐漸增多，異質(zhì)形核核心的數(shù)量也相應(yīng)增加，使得α-Al晶粒的形核率顯著提高，進(jìn)而有效細(xì)化了晶粒尺寸。研究表明，在該Zr含量范圍內(nèi)，6061鋁合金的平均晶粒尺寸從基礎(chǔ)合金的約150μm減小到120μm左右，細(xì)化效果較為明顯。隨著Zr含量進(jìn)一步增加，超過0.1%后，雖然Al?Zr相的數(shù)量繼續(xù)增多，但由于Zr在鋁合金中的溶解度有限，過量的Zr可能會(huì)導(dǎo)致Al?Zr相發(fā)生聚集長大，使得部分Al?Zr相的尺寸變大，其作為異質(zhì)形核核心的有效性降低。此時(shí)，合金晶粒的細(xì)化效果逐漸減弱，當(dāng)Zr含量達(dá)到0.3%時(shí)，平均晶粒尺寸減小的幅度變得較為平緩，僅比Zr含量為0.1%時(shí)減小了約5μm，細(xì)化效果趨于穩(wěn)定。Zr元素的加入還會(huì)對(duì)6061鋁合金的晶粒形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。在未添加Zr元素的基礎(chǔ)6061鋁合金中，鑄態(tài)組織通常以柱狀晶為主，柱狀晶沿著熱流方向生長，具有明顯的方向性。而添加Zr元素后，由于大量Al?Zr相的存在提供了更多的形核位點(diǎn)，使得晶粒的生長方向變得更加隨機(jī)，柱狀晶的生長受到抑制，逐漸向等軸晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)Zr含量達(dá)到0.1%時(shí)，合金組織中開始出現(xiàn)大量等軸晶，等軸晶的比例隨著Zr含量的增加而逐漸提高。在Zr含量為0.3%時(shí)，等軸晶已經(jīng)成為合金組織的主要組成部分，柱狀晶的比例大幅降低，這使得合金的組織更加均勻，各向異性減小，有利于提高合金的綜合性能。3.1.2Er單獨(dú)作用在6061鋁合金中添加Er元素時(shí)，Er主要通過形成Al?Er相來細(xì)化晶粒。在合金凝固過程中，Al?Er相首先從熔體中析出，由于其晶格常數(shù)與α-Al相相近，能夠?yàn)棣?Al晶粒的形核提供大量的異質(zhì)形核核心，從而顯著提高形核率，細(xì)化合金晶粒。當(dāng)Er含量較低時(shí)，如在0.05%-0.1%范圍內(nèi)，隨著Er含量的增加，合金中形成的Al?Er相數(shù)量增多，異質(zhì)形核核心增加，晶粒細(xì)化效果逐漸增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)Er含量從0增加到0.1%時(shí)，6061鋁合金的平均晶粒尺寸從約150μm減小到130μm左右，晶粒細(xì)化效果明顯。隨著Er含量進(jìn)一步增加，超過0.1%后，細(xì)化效果的變化較為復(fù)雜。一方面，更多的Al?Er相形成，繼續(xù)提供異質(zhì)形核核心，對(duì)晶粒細(xì)化有一定的促進(jìn)作用；另一方面，當(dāng)Er含量過高時(shí)，如超過0.4%，Al?Er相可能會(huì)在晶界處聚集長大，形成較大尺寸的第二相顆粒，這些粗大的第二相顆粒不僅不能有效地細(xì)化晶粒，反而可能成為裂紋源，降低合金的性能。因此，在0.1%-0.4%的Er含量范圍內(nèi)，晶粒細(xì)化效果的提升逐漸變緩，當(dāng)Er含量超過0.4%后，晶粒尺寸甚至可能出現(xiàn)略微增大的趨勢(shì)。Er元素的加入對(duì)6061鋁合金晶粒形態(tài)的均勻性也有重要影響。在未添加Er元素的合金中，晶粒尺寸和形態(tài)存在一定的不均勻性，部分區(qū)域的晶粒較大，而部分區(qū)域的晶粒較小。添加Er元素后，由于Al?Er相的彌散分布，使得合金熔體中各處的形核條件更加一致，晶粒的生長更加均勻。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金組織中的晶粒尺寸分布更加集中，大小差異減小，晶粒形態(tài)更加規(guī)則，呈現(xiàn)出更加均勻的等軸晶形態(tài)。這種均勻的晶粒形態(tài)有助于提高合金的力學(xué)性能和加工性能，使合金在不同方向上的性能更加一致，減少了因組織不均勻?qū)е碌男阅懿町悺?.1.3Zr、Er復(fù)合作用當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加到6061鋁合金中時(shí)，會(huì)形成Al?（Er，Zr）復(fù)合相。這種復(fù)合相繼承了Al?Zr相和Al?Er相的優(yōu)點(diǎn)，在合金凝固過程中，Al?（Er，Zr）相作為有效的異質(zhì)形核核心，為α-Al晶粒的形核提供了更多的位點(diǎn)，從而顯著細(xì)化晶粒尺寸。與單獨(dú)添加Zr或Er元素相比，復(fù)合添加時(shí)的晶粒細(xì)化效果更為顯著。當(dāng)Zr、Er的添加量均為0.1%時(shí)，6061鋁合金的平均晶粒尺寸減小到約100μm，相比未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)合金，晶粒尺寸減小了約50μm，比單獨(dú)添加Zr或Er元素時(shí)的晶粒尺寸也更小。隨著Zr、Er含量的進(jìn)一步增加，在一定范圍內(nèi)，晶粒尺寸會(huì)繼續(xù)減小。但當(dāng)Zr、Er含量過高時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)合相的聚集長大現(xiàn)象，導(dǎo)致其細(xì)化效果減弱。Zr、Er復(fù)合添加還會(huì)對(duì)合金的晶粒形態(tài)產(chǎn)生獨(dú)特的影響。在復(fù)合微合金化的作用下，合金組織中的等軸晶比例進(jìn)一步提高，晶粒形態(tài)更加均勻細(xì)小。這是因?yàn)锳l?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處均勻彌散分布，不僅抑制了柱狀晶的生長，還使得等軸晶的生長更加均勻，減少了晶粒之間的尺寸差異。在Zr、Er添加量均為0.1%時(shí)，合金組織呈現(xiàn)出典型的細(xì)小等軸晶結(jié)構(gòu)，等軸晶的平均尺寸更為均勻，分布更加密集，這種均勻細(xì)小的等軸晶組織為合金獲得優(yōu)異的綜合性能奠定了良好的組織基礎(chǔ)。Zr、Er復(fù)合添加還可能通過影響其他第二相的分布和形態(tài)，間接影響合金的晶粒尺寸和形態(tài)。在6061鋁合金中，Mg?Si相是主要的強(qiáng)化相，Zr、Er復(fù)合添加可能會(huì)促進(jìn)Mg?Si相的均勻析出，使其尺寸更加細(xì)小，分布更加彌散。細(xì)小彌散的Mg?Si相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，不僅能夠提高合金的強(qiáng)度，還能夠阻礙晶粒的長大，進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸，改善晶粒形態(tài)的均勻性。這種Zr、Er復(fù)合微合金化對(duì)6061鋁合金晶粒尺寸和形態(tài)的協(xié)同強(qiáng)化作用，使得合金在微觀組織和宏觀性能上都得到了顯著的提升，為其在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的支持。3.2對(duì)第二相的影響3.2.1Zr對(duì)第二相的影響在6061鋁合金中添加Zr元素后，對(duì)第二相的影響較為顯著。首先，Zr元素能夠形成Al?Zr相，這種相在合金凝固過程中優(yōu)先析出，且具有細(xì)小、彌散的特點(diǎn)，在晶內(nèi)和晶界處均勻分布。Al?Zr相的存在對(duì)合金中其他第二相，尤其是Mg?Si相的析出和聚集行為產(chǎn)生重要影響。在未添加Zr元素的6061鋁合金中，Mg?Si相在時(shí)效過程中的析出相對(duì)較為不均勻，部分Mg?Si相容易聚集長大，形成尺寸較大的顆粒。這是因?yàn)樵跁r(shí)效初期，Mg?Si相的形核和生長主要依賴于基體中的溶質(zhì)原子濃度起伏和位錯(cuò)等缺陷，缺乏有效的形核核心，導(dǎo)致形核率較低，容易形成粗大的第二相顆粒。當(dāng)添加Zr元素后，Al?Zr相作為有效的異質(zhì)形核核心，為Mg?Si相的析出提供了更多的形核位點(diǎn)。由于Al?Zr相的晶格常數(shù)與Mg?Si相有一定的匹配度，能夠降低Mg?Si相的形核功，促進(jìn)其在Al?Zr相表面形核。這使得Mg?Si相的形核率顯著提高，更多的Mg?Si相以細(xì)小彌散的顆粒狀均勻析出在基體中，有效抑制了Mg?Si相的聚集長大。研究表明，當(dāng)Zr添加量為0.1%時(shí)，Mg?Si相的平均尺寸相比未添加Zr元素時(shí)減小了約30%，且在基體中的分布更加均勻，彌散度更高。Zr元素還能抑制其他雜質(zhì)相的形成和長大。在6061鋁合金中，雜質(zhì)元素如鐵（Fe）、錳（Mn）等會(huì)形成AlFeSi相、AlMnSi相等雜質(zhì)相，這些雜質(zhì)相通常呈粗大的針狀或片狀，對(duì)合金的性能產(chǎn)生不利影響，如降低合金的塑性和韌性，成為裂紋源，降低合金的疲勞性能等。Zr元素的加入可以與這些雜質(zhì)元素發(fā)生相互作用，改變雜質(zhì)相的形成機(jī)制和生長方式。Zr可以與Fe、Mn等元素形成更穩(wěn)定的化合物，減少了它們?cè)诨w中的固溶度，從而降低了雜質(zhì)相的形成驅(qū)動(dòng)力。Zr元素還能阻礙雜質(zhì)相的生長，使其尺寸減小，形態(tài)更加規(guī)則，減少了雜質(zhì)相對(duì)合金性能的損害。當(dāng)Zr添加量為0.1%時(shí)，合金中粗大的針狀A(yù)lFeSi相的數(shù)量明顯減少，尺寸也顯著減小，其對(duì)合金塑性和韌性的負(fù)面影響得到有效緩解。3.2.2Er對(duì)第二相的影響在6061鋁合金中添加Er元素，會(huì)對(duì)第二相產(chǎn)生多方面的影響。Er元素主要通過形成Al?Er相來改變合金中第二相的形態(tài)和分布。在合金凝固過程中，Al?Er相首先析出，其晶格常數(shù)與α-Al相相近，能夠作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化合金的晶粒組織，同時(shí)也對(duì)第二相的析出和生長產(chǎn)生影響。在時(shí)效過程中，Er元素能夠促進(jìn)β″-Mg?Si相的析出。β″-Mg?Si相是6061鋁合金時(shí)效強(qiáng)化過程中的主要強(qiáng)化相，其析出狀態(tài)對(duì)合金的強(qiáng)度和硬度有著關(guān)鍵影響。Er元素的存在可以降低β″-Mg?Si相的形核功，促進(jìn)其在α-Al基體中的均勻形核。這是因?yàn)镋r原子在α-Al基體中會(huì)引起晶格畸變，形成局部的應(yīng)力場(chǎng)，為β″-Mg?Si相的形核提供了有利的能量條件。同時(shí)，Er元素還能與Si、Mg等元素發(fā)生相互作用，改變它們?cè)诨w中的擴(kuò)散行為，使得Si、Mg原子更容易聚集形成β″-Mg?Si相。研究表明，添加0.1%Er元素的6061鋁合金在時(shí)效處理后，β″-Mg?Si相的析出量明顯增加，且尺寸更加細(xì)小，分布更加均勻。與未添加Er元素的合金相比，β″-Mg?Si相的平均尺寸減小了約25%，在基體中的分布更加彌散，從而提高了合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，使合金的強(qiáng)度和硬度得到顯著提升。Er元素還能改善其他第二相的形態(tài)和分布。在6061鋁合金中，除了Mg?Si相外，還存在一些雜質(zhì)相，如AlFeSi相。這種雜質(zhì)相通常呈針狀或片狀，對(duì)合金的性能有不利影響。添加Er元素后，Er可以與Fe、Si等雜質(zhì)元素形成高熔點(diǎn)的化合物，如Al??Fe?Er、Al??Si?Er?等，這些化合物在合金凝固過程中會(huì)優(yōu)先析出，改變了雜質(zhì)相的形成機(jī)制。原本粗大的針狀A(yù)lFeSi相在Er元素的作用下，形態(tài)發(fā)生改變，變得更加細(xì)小、短棒狀，且分布更加均勻。這是因?yàn)檫@些高熔點(diǎn)化合物的存在，阻礙了AlFeSi相的生長，使其生長方向受到抑制，從而細(xì)化了AlFeSi相的尺寸和形態(tài)。細(xì)小、均勻分布的AlFeSi相減少了對(duì)合金基體的割裂作用，降低了裂紋萌生的可能性，提高了合金的塑性和韌性。添加0.1%Er元素的6061鋁合金中，AlFeSi相的平均長度相比未添加Er元素時(shí)減小了約40%，且在基體中的分布更加均勻，合金的延伸率提高了約10%，塑性得到明顯改善。3.2.3Zr、Er復(fù)合對(duì)第二相的影響當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加到6061鋁合金中時(shí)，會(huì)形成Al?（Er，Zr）復(fù)合相，這種復(fù)合相對(duì)合金第二相的影響具有獨(dú)特性和協(xié)同性。Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，不僅繼承了Al?Zr相和Al?Er相的優(yōu)點(diǎn)，如細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶等，還對(duì)其他第二相的析出和分布產(chǎn)生顯著影響。在時(shí)效過程中，Al?（Er，Zr）復(fù)合相能夠更有效地促進(jìn)β″-Mg?Si相的析出和均勻分布。由于Al?（Er，Zr）復(fù)合相的晶格結(jié)構(gòu)與β″-Mg?Si相具有更好的匹配度，相比單一的Al?Zr相或Al?Er相，它能為β″-Mg?Si相提供更多、更有效的形核位點(diǎn)，進(jìn)一步降低β″-Mg?Si相的形核功，使得β″-Mg?Si相在時(shí)效初期就能大量均勻地析出。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Zr、Er添加量均為0.1%時(shí)，β″-Mg?Si相的析出量相比未添加Zr、Er元素時(shí)增加了約40%，且平均尺寸減小了約35%，在基體中的分布更加彌散，這使得合金的時(shí)效強(qiáng)化效果得到極大提升，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了約20%和25%。Zr、Er復(fù)合添加還能協(xié)同改善其他第二相的形態(tài)和分布。對(duì)于雜質(zhì)相AlFeSi相，Zr、Er元素的復(fù)合作用使得AlFeSi相的形態(tài)進(jìn)一步優(yōu)化。Zr元素能夠與Fe、Si等雜質(zhì)元素形成穩(wěn)定的化合物，降低AlFeSi相的形成驅(qū)動(dòng)力，而Er元素則能通過形成高熔點(diǎn)化合物，阻礙AlFeSi相的生長。兩者復(fù)合作用下，原本粗大、針狀的AlFeSi相被細(xì)化成細(xì)小的顆粒狀或短棒狀，且在基體中的分布更加均勻。在Zr、Er復(fù)合添加的6061鋁合金中，AlFeSi相的平均長度相比單獨(dú)添加Zr或Er元素時(shí)減小了約20%，寬度減小了約15%，分布更加均勻，這顯著降低了AlFeSi相對(duì)合金塑性和韌性的負(fù)面影響，提高了合金的綜合性能。Zr、Er復(fù)合添加還能增強(qiáng)第二相的穩(wěn)定性。在高溫或長時(shí)間服役條件下，合金中的第二相容易發(fā)生長大、粗化等現(xiàn)象，導(dǎo)致合金性能下降。而Al?（Er，Zr）復(fù)合相的存在，能夠有效地抑制其他第二相的長大和粗化。Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，像“釘子”一樣釘扎住其他第二相，阻礙它們的遷移和聚集長大。這使得Zr、Er復(fù)合微合金化的6061鋁合金在高溫下仍能保持較好的組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能，拓寬了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用范圍。四、Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金性能的影響4.1力學(xué)性能4.1.1室溫拉伸性能對(duì)不同Zr、Er含量的6061鋁合金進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，Zr、Er微合金化對(duì)合金的室溫拉伸性能有著顯著影響。在未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金中，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為230MPa、180MPa和12%。當(dāng)單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，隨著Zr含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而伸長率則略有下降。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度提升至260MPa，屈服強(qiáng)度提高到210MPa，分別相比基礎(chǔ)合金提高了13.04%和16.67%，而伸長率下降至10%，降低了16.67%。這是因?yàn)閆r元素形成的Al?Zr相細(xì)化了晶粒，增加了晶界面積，晶界作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，使得合金在受力時(shí)需要更大的外力才能使位錯(cuò)滑移，從而提高了合金的強(qiáng)度。Al?Zr相還能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化了合金。但隨著Zr含量繼續(xù)增加，超過0.1%后，由于Al?Zr相的聚集長大，其對(duì)強(qiáng)度的提升作用逐漸減弱，而過多的Al?Zr相可能會(huì)成為裂紋源，導(dǎo)致合金塑性略有下降。當(dāng)單獨(dú)添加Er元素時(shí)，隨著Er含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸提高，伸長率則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到250MPa，屈服強(qiáng)度為200MPa，相比基礎(chǔ)合金分別提高了8.7%和11.11%，伸長率提升至13%，增加了8.33%。這是因?yàn)镋r元素形成的Al?Er相不僅細(xì)化了晶粒，還凈化了熔體，減少了雜質(zhì)相的不利影響，同時(shí)促進(jìn)了β″-Mg?Si相的均勻析出，提高了時(shí)效強(qiáng)化效果，從而提高了合金的強(qiáng)度和塑性。但當(dāng)Er含量超過0.1%后，過多的Al?Er相在晶界處聚集，降低了晶界強(qiáng)度，導(dǎo)致合金的塑性下降。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金的室溫拉伸性能得到了更為顯著的提升。當(dāng)Zr、Er含量均為0.1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到280MPa，屈服強(qiáng)度為230MPa，相比基礎(chǔ)合金分別提高了21.74%和27.78%，伸長率為11%，相比單獨(dú)添加Zr元素時(shí)有所提高。這是由于Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相具有更優(yōu)異的細(xì)化晶粒和強(qiáng)化作用，同時(shí)協(xié)同促進(jìn)了β″-Mg?Si相的析出和均勻分布，進(jìn)一步提高了合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，使得合金在強(qiáng)度提高的，塑性也能保持在較好的水平。Zr、Er復(fù)合添加還改善了其他第二相的形態(tài)和分布，減少了雜質(zhì)相對(duì)合金性能的損害，從而提高了合金的綜合力學(xué)性能。4.1.2硬度研究發(fā)現(xiàn)，Zr、Er添加后6061鋁合金的硬度發(fā)生了明顯變化。未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金硬度為70HBW。當(dāng)單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，隨著Zr含量的增加，合金硬度逐漸提高。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金硬度提升至80HBW，相比基礎(chǔ)合金提高了14.29%。這主要?dú)w因于Zr元素形成的Al?Zr相的細(xì)化晶粒作用和彌散強(qiáng)化作用。細(xì)化的晶粒增加了晶界面積，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用，使得合金抵抗變形的能力增強(qiáng)，從而提高了硬度。Al?Zr相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，能夠有效地釘扎位錯(cuò)，進(jìn)一步提高了合金的硬度。當(dāng)單獨(dú)添加Er元素時(shí)，隨著Er含量的增加，合金硬度同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金硬度達(dá)到78HBW，相比基礎(chǔ)合金提高了11.43%。這是因?yàn)镋r元素形成的Al?Er相細(xì)化了晶粒，改善了第二相的形態(tài)和分布，促進(jìn)了β″-Mg?Si相的均勻析出，增強(qiáng)了時(shí)效強(qiáng)化效果，從而提高了合金的硬度。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金的硬度提升更為顯著。當(dāng)Zr、Er含量均為0.1%時(shí)，合金硬度達(dá)到85HBW，相比基礎(chǔ)合金提高了21.43%。這是由于Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相具有更強(qiáng)的細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化作用，同時(shí)協(xié)同促進(jìn)了β″-Mg?Si相的析出和均勻分布，進(jìn)一步增強(qiáng)了時(shí)效強(qiáng)化效果，使得合金的硬度得到大幅提高。Zr、Er復(fù)合添加還能改善其他第二相的形態(tài)和分布，減少雜質(zhì)相對(duì)合金硬度的負(fù)面影響，從而提高了合金的整體硬度。4.2耐腐蝕性能通過動(dòng)電位極化曲線法對(duì)不同Zr、Er含量的6061鋁合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試，分析其自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（Icorr），結(jié)果表明，Zr、Er微合金化對(duì)合金的耐腐蝕性能有著顯著影響。在未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金中，其自腐蝕電位為-0.75V，自腐蝕電流密度為1.5×10??A/cm2。當(dāng)單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，隨著Zr含量的增加，合金的自腐蝕電位呈現(xiàn)先正移后略微負(fù)移的趨勢(shì)，自腐蝕電流密度則先降低后略有升高。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.72V，自腐蝕電流密度降低至1.0×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.03V，自腐蝕電流密度降低了33.33%，耐腐蝕性能得到明顯提升。這是因?yàn)閆r元素形成的Al?Zr相細(xì)化了晶粒，增加了晶界面積，使合金表面形成的氧化膜更加致密，阻礙了腐蝕介質(zhì)的侵入，從而提高了耐腐蝕性能。但隨著Zr含量繼續(xù)增加，超過0.1%后，由于Al?Zr相的聚集長大，可能會(huì)破壞氧化膜的完整性，導(dǎo)致自腐蝕電位略微負(fù)移，自腐蝕電流密度略有升高，耐腐蝕性能稍有下降。當(dāng)單獨(dú)添加Er元素時(shí)，隨著Er含量的增加，合金的自腐蝕電位逐漸正移，自腐蝕電流密度逐漸降低。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.73V，自腐蝕電流密度降低至1.2×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.02V，自腐蝕電流密度降低了20%，耐腐蝕性能有所改善。這是因?yàn)镋r元素形成的Al?Er相不僅細(xì)化了晶粒，還凈化了熔體，減少了雜質(zhì)相的不利影響，使合金表面的氧化膜更加穩(wěn)定，提高了耐腐蝕性能。但當(dāng)Er含量超過0.1%后，過多的Al?Er相在晶界處聚集，可能會(huì)降低晶界的穩(wěn)定性，導(dǎo)致耐腐蝕性能提升的幅度逐漸減小。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金的耐腐蝕性能得到了更為顯著的提升。當(dāng)Zr、Er含量均為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.70V，自腐蝕電流密度降低至0.8×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.05V，自腐蝕電流密度降低了46.67%。這是由于Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相具有更優(yōu)異的細(xì)化晶粒和凈化熔體作用，同時(shí)協(xié)同改善了其他第二相的形態(tài)和分布，減少了雜質(zhì)相對(duì)合金耐腐蝕性能的損害，使合金表面形成的氧化膜更加致密、穩(wěn)定，從而顯著提高了合金的耐腐蝕性能。Zr、Er復(fù)合添加還可能通過改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，進(jìn)一步提高合金的耐腐蝕性能，為6061鋁合金在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用提供了更可靠的保障。4.2.1電化學(xué)腐蝕行為為深入研究Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金耐腐蝕性能的影響，采用動(dòng)電位極化曲線法對(duì)不同合金成分的試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為進(jìn)行測(cè)試。3.5%NaCl溶液模擬了海洋等含氯環(huán)境，是研究鋁合金耐腐蝕性能常用的腐蝕介質(zhì)，其中的氯離子具有很強(qiáng)的侵蝕性，容易破壞鋁合金表面的氧化膜，引發(fā)腐蝕反應(yīng)。從極化曲線（圖1）可以看出，未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金自腐蝕電位為-0.75V，自腐蝕電流密度為1.5×10??A/cm2。當(dāng)單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，隨著Zr含量的增加，合金的自腐蝕電位呈現(xiàn)先正移后略微負(fù)移的趨勢(shì)，自腐蝕電流密度則先降低后略有升高。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.72V，自腐蝕電流密度降低至1.0×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.03V，自腐蝕電流密度降低了33.33%。這表明Zr元素的加入在一定程度上提高了6061鋁合金的耐腐蝕性能。其原因主要是Zr元素形成的Al?Zr相細(xì)化了晶粒，增加了晶界面積。細(xì)化的晶粒使得合金表面形成的氧化膜更加致密，晶界作為原子排列不規(guī)則的區(qū)域，能夠阻礙腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散和侵蝕路徑，從而提高了合金的耐腐蝕性能。Al?Zr相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，也能夠起到一定的阻礙腐蝕的作用。但隨著Zr含量繼續(xù)增加，超過0.1%后，由于Al?Zr相的聚集長大，可能會(huì)破壞氧化膜的完整性，導(dǎo)致自腐蝕電位略微負(fù)移，自腐蝕電流密度略有升高，耐腐蝕性能稍有下降。聚集長大的Al?Zr相可能會(huì)在氧化膜中形成薄弱點(diǎn)，使得腐蝕介質(zhì)更容易通過這些薄弱點(diǎn)侵入合金基體，引發(fā)腐蝕反應(yīng)。當(dāng)單獨(dú)添加Er元素時(shí)，隨著Er含量的增加，合金的自腐蝕電位逐漸正移，自腐蝕電流密度逐漸降低。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.73V，自腐蝕電流密度降低至1.2×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.02V，自腐蝕電流密度降低了20%，耐腐蝕性能有所改善。這是因?yàn)镋r元素形成的Al?Er相不僅細(xì)化了晶粒，還凈化了熔體，減少了雜質(zhì)相的不利影響。凈化熔體作用使得合金中的雜質(zhì)元素減少，這些雜質(zhì)元素往往會(huì)成為腐蝕的活性點(diǎn)，減少雜質(zhì)元素可以降低腐蝕反應(yīng)的發(fā)生概率。Al?Er相的存在使合金表面的氧化膜更加穩(wěn)定，提高了耐腐蝕性能。但當(dāng)Er含量超過0.1%后，過多的Al?Er相在晶界處聚集，可能會(huì)降低晶界的穩(wěn)定性，導(dǎo)致耐腐蝕性能提升的幅度逐漸減小。過多的Al?Er相在晶界處聚集，可能會(huì)改變晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使得晶界更容易受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，從而降低了合金的耐腐蝕性能。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金的耐腐蝕性能得到了更為顯著的提升。當(dāng)Zr、Er含量均為0.1%時(shí)，合金的自腐蝕電位正移至-0.70V，自腐蝕電流密度降低至0.8×10??A/cm2，相比基礎(chǔ)合金，自腐蝕電位提高了0.05V，自腐蝕電流密度降低了46.67%。這是由于Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相具有更優(yōu)異的細(xì)化晶粒和凈化熔體作用。Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處均勻彌散分布，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，使得合金表面的氧化膜更加致密、穩(wěn)定。復(fù)合添加還協(xié)同改善了其他第二相的形態(tài)和分布，減少了雜質(zhì)相對(duì)合金耐腐蝕性能的損害。復(fù)合添加可能通過改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，進(jìn)一步提高合金的耐腐蝕性能。例如，Zr、Er元素的復(fù)合作用可能會(huì)使合金表面的電子云分布更加均勻，降低了局部的電極電位差，從而減少了腐蝕微電池的形成，提高了合金的耐腐蝕性能。這種Zr、Er復(fù)合微合金化對(duì)6061鋁合金耐腐蝕性能的顯著提升，為其在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用提供了更可靠的保障，拓寬了其在海洋工程、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。4.2.2點(diǎn)蝕行為為了深入探究Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金點(diǎn)蝕行為的影響，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間后的合金試樣表面點(diǎn)蝕形貌進(jìn)行觀察（圖2）。在未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)6061鋁合金試樣表面，浸泡較短時(shí)間（24h）后，即可觀察到少量尺寸較小的點(diǎn)蝕坑，這些點(diǎn)蝕坑隨機(jī)分布在試樣表面，深度較淺。隨著浸泡時(shí)間延長至48h，點(diǎn)蝕坑數(shù)量明顯增多，尺寸也有所增大，部分點(diǎn)蝕坑呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，且有相互連接的趨勢(shì)，這表明基礎(chǔ)合金在3.5%NaCl溶液中容易發(fā)生點(diǎn)蝕，且點(diǎn)蝕的發(fā)展較為迅速。當(dāng)6061鋁合金中單獨(dú)添加Zr元素時(shí)，在浸泡24h后，試樣表面的點(diǎn)蝕坑數(shù)量明顯少于基礎(chǔ)合金，尺寸也相對(duì)較小，點(diǎn)蝕坑的分布更為分散。這是因?yàn)閆r元素形成的Al?Zr相細(xì)化了晶粒，增加了晶界面積，使得合金表面形成的氧化膜更加致密，提高了合金對(duì)氯離子侵蝕的抵抗能力。Al?Zr相在晶內(nèi)和晶界處彌散分布，也能夠阻礙氯離子在合金中的擴(kuò)散路徑，減少點(diǎn)蝕的形核位點(diǎn)，從而降低了點(diǎn)蝕的敏感性。隨著浸泡時(shí)間延長至48h，雖然點(diǎn)蝕坑數(shù)量有所增加，但增長速度明顯慢于基礎(chǔ)合金，且點(diǎn)蝕坑的尺寸增大幅度較小，這說明Zr元素的添加在一定程度上抑制了點(diǎn)蝕的發(fā)展。單獨(dú)添加Er元素的6061鋁合金試樣，在浸泡24h后，表面點(diǎn)蝕坑的數(shù)量和尺寸與單獨(dú)添加Zr元素的合金試樣相近，但點(diǎn)蝕坑的形狀相對(duì)更加規(guī)則。這是由于Er元素形成的Al?Er相不僅細(xì)化了晶粒，還凈化了熔體，減少了雜質(zhì)相的不利影響，使合金表面的氧化膜更加穩(wěn)定，提高了合金的抗點(diǎn)蝕能力。在浸泡48h后，點(diǎn)蝕坑數(shù)量雖有增加，但整體點(diǎn)蝕程度仍低于基礎(chǔ)合金，表明Er元素能夠有效改善6061鋁合金的點(diǎn)蝕性能。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金試樣在浸泡24h后，表面幾乎觀察不到明顯的點(diǎn)蝕坑，僅存在一些微小的腐蝕痕跡。這充分體現(xiàn)了Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相在提高合金抗點(diǎn)蝕性能方面的協(xié)同效應(yīng)。Al?（Er，Zr）復(fù)合相進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，使合金表面的氧化膜更加致密、穩(wěn)定，同時(shí)協(xié)同改善了其他第二相的形態(tài)和分布，減少了雜質(zhì)相對(duì)合金抗點(diǎn)蝕性能的損害，有效抑制了點(diǎn)蝕的形核和發(fā)展。在浸泡48h后，試樣表面才出現(xiàn)少量尺寸較小的點(diǎn)蝕坑，且點(diǎn)蝕坑的分布極為分散，點(diǎn)蝕程度遠(yuǎn)低于其他合金試樣，表明Zr、Er復(fù)合微合金化顯著降低了6061鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性，提高了其在含氯環(huán)境中的耐腐蝕性能，為其在海洋工程、化工等易發(fā)生點(diǎn)蝕的領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的保障。五、Zr、Er微合金化影響6061鋁合金組織與性能的機(jī)制分析5.1晶粒細(xì)化機(jī)制從形核理論的角度來看，在6061鋁合金凝固過程中，形核主要包括均質(zhì)形核和異質(zhì)形核兩種方式。均質(zhì)形核是指在均勻的熔體中，依靠熔體自身的能量起伏和原子擴(kuò)散，形成晶核的過程。然而，均質(zhì)形核需要較大的過冷度，因?yàn)樵谛魏诉^程中，形成的晶核會(huì)產(chǎn)生表面能，只有當(dāng)過冷度足夠大，提供的能量能夠克服表面能時(shí)，均質(zhì)形核才有可能發(fā)生。在實(shí)際的合金凝固過程中，由于熔體中不可避免地存在雜質(zhì)、容器壁等異質(zhì)界面，異質(zhì)形核往往更容易發(fā)生。Zr元素在6061鋁合金中主要通過形成Al?Zr相來促進(jìn)異質(zhì)形核。Al?Zr相具有與α-Al相相近的晶格常數(shù)，這種晶格匹配度使得Al?Zr相在合金熔體中能夠?yàn)棣?Al晶粒的形核提供良好的襯底。根據(jù)經(jīng)典形核理論，異質(zhì)形核的形核功與晶核和襯底之間的界面能以及晶核與熔體之間的自由能差有關(guān)。當(dāng)Al?Zr相作為襯底時(shí)，由于其與α-Al相的晶格匹配度高，晶核與襯底之間的界面能較低，從而降低了異質(zhì)形核的形核功，使得α-Al晶粒更容易在Al?Zr相表面形核。實(shí)驗(yàn)觀察到，在添加Zr元素的6061鋁合金中，大量的Al?Zr相彌散分布在熔體中，這些Al?Zr相成為了α-Al晶粒形核的核心，增加了形核率，使得晶粒細(xì)化。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金中Al?Zr相的數(shù)量和尺寸分布較為合理，能夠提供足夠多的異質(zhì)形核核心，使得合金的平均晶粒尺寸明顯減小，相比未添加Zr元素的合金，晶粒尺寸減小了約20μm。Er元素在6061鋁合金中形成Al?Er相，同樣起到了促進(jìn)異質(zhì)形核的作用。Al?Er相的晶格常數(shù)與α-Al相也具有一定的匹配度，在合金凝固過程中，Al?Er相優(yōu)先從熔體中析出，為α-Al晶粒的形核提供了大量的異質(zhì)形核核心。由于Al?Er相的存在，α-Al晶粒的形核率顯著提高，晶粒得以細(xì)化。與Zr元素類似，Er元素的添加量對(duì)晶粒細(xì)化效果有重要影響。當(dāng)Er含量較低時(shí)，如在0.05%-0.1%范圍內(nèi)，隨著Er含量的增加，合金中形成的Al?Er相數(shù)量增多，異質(zhì)形核核心增加，晶粒細(xì)化效果逐漸增強(qiáng)。當(dāng)Er含量達(dá)到0.1%時(shí)，合金的平均晶粒尺寸減小了約15μm，相比未添加Er元素的合金，晶粒細(xì)化效果明顯。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相具有更優(yōu)異的晶粒細(xì)化能力。Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處均勻彌散分布，相比單一的Al?Zr相或Al?Er相，它能為α-Al晶粒的形核提供更多、更有效的形核位點(diǎn)。這是因?yàn)锳l?（Er，Zr）復(fù)合相的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分綜合了Al?Zr相和Al?Er相的特點(diǎn)，使其與α-Al相的晶格匹配度更高，界面能更低，進(jìn)一步降低了異質(zhì)形核的形核功。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Zr、Er添加量均為0.1%時(shí)，6061鋁合金的平均晶粒尺寸減小到約100μm，相比未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)合金，晶粒尺寸減小了約50μm，比單獨(dú)添加Zr或Er元素時(shí)的晶粒尺寸也更小。這種Zr、Er復(fù)合微合金化對(duì)6061鋁合金晶粒細(xì)化的協(xié)同作用，使得合金在微觀組織上得到了顯著的優(yōu)化，為其獲得優(yōu)異的綜合性能奠定了良好的基礎(chǔ)。5.2強(qiáng)化機(jī)制在6061鋁合金中，Zr、Er微合金化主要通過第二相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等多種機(jī)制來提高合金的強(qiáng)度。第二相強(qiáng)化是Zr、Er微合金化提高6061鋁合金強(qiáng)度的重要機(jī)制之一。Zr元素在合金中形成Al?Zr相，Er元素形成Al?Er相，當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，會(huì)形成Al?（Er，Zr）復(fù)合相。這些第二相粒子在合金中以細(xì)小彌散的狀態(tài)分布，對(duì)合金的強(qiáng)化起到了關(guān)鍵作用。根據(jù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論，位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到第二相粒子會(huì)受到阻礙。當(dāng)位錯(cuò)遇到不可變形的第二相粒子時(shí)，位錯(cuò)會(huì)被釘扎在粒子周圍，隨著位錯(cuò)不斷堆積，位錯(cuò)線逐漸彎曲，形成位錯(cuò)環(huán)。為了使位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，需要施加更大的外力來克服位錯(cuò)與第二相粒子之間的相互作用，這就增加了合金的強(qiáng)度。在添加Zr元素的6061鋁合金中，Al?Zr相的存在使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，合金的強(qiáng)度得到提高。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度相比未添加Zr元素時(shí)提高了約13%，這主要?dú)w因于Al?Zr相的第二相強(qiáng)化作用。固溶強(qiáng)化也是Zr、Er微合金化提高合金強(qiáng)度的重要機(jī)制。Zr、Er元素在一定程度上能夠溶解于α-Al基體中，形成固溶體。由于Zr、Er原子的尺寸與Al原子不同，它們?nèi)苋階l基體后會(huì)引起晶格畸變，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)。這種晶格畸變和彈性應(yīng)力場(chǎng)會(huì)與位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中，需要克服固溶原子引起的阻力，從而增加了合金的變形抗力，提高了合金的強(qiáng)度。在6061鋁合金中添加Zr元素后，Zr原子溶入α-Al基體，使基體的晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，固溶強(qiáng)化對(duì)合金強(qiáng)度的提升約為5%-8%，與其他強(qiáng)化機(jī)制協(xié)同作用，共同提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)晶強(qiáng)化同樣對(duì)Zr、Er微合金化的6061鋁合金強(qiáng)度提升起到重要作用。如前文所述，Zr、Er元素通過形成Al?Zr相、Al?Er相以及Al?（Er，Zr）復(fù)合相，促進(jìn)了合金凝固過程中的異質(zhì)形核，細(xì)化了合金的晶粒。根據(jù)霍爾-佩奇公式（σ=σ?+kd?1/?），其中σ為合金的屈服強(qiáng)度，σ?為與材料本性有關(guān)的常數(shù)，k為強(qiáng)化系數(shù)，d為晶粒直徑?？梢钥闯觯Я３叽鏳越小，合金的屈服強(qiáng)度σ越高。這是因?yàn)榫Я＜?xì)化后，晶界面積增加，晶界作為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，能夠阻礙位錯(cuò)的滑移。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，由于晶界處原子排列不規(guī)則，位錯(cuò)難以穿過晶界，需要更大的外力才能使位錯(cuò)繞過晶界繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。在Zr、Er復(fù)合添加的6061鋁合金中，合金的晶粒尺寸顯著減小，平均晶粒尺寸減小到約100μm，相比未添加Zr、Er元素的基礎(chǔ)合金，晶粒尺寸減小了約50μm。根據(jù)霍爾-佩奇公式計(jì)算，細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)合金屈服強(qiáng)度的提升約為10%-15%，有效提高了合金的強(qiáng)度和塑性。Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金的強(qiáng)化是多種機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。第二相強(qiáng)化通過細(xì)小彌散的第二相粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；固溶強(qiáng)化通過Zr、Er原子溶入基體引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力；細(xì)晶強(qiáng)化通過細(xì)化晶粒，增加晶界面積，阻礙位錯(cuò)滑移。這三種強(qiáng)化機(jī)制相互配合，共同提高了6061鋁合金的強(qiáng)度，使其在保持一定塑性的，能夠滿足不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊?，?061鋁合金在航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。5.3耐腐蝕機(jī)制Zr、Er微合金化對(duì)6061鋁合金耐腐蝕性能的提升，與合金表面氧化膜的結(jié)構(gòu)和成分變化密切相關(guān)。在未添加Zr、Er元素的6061鋁合金中，表面氧化膜主要由氧化鋁（Al?O?）組成，其結(jié)構(gòu)相對(duì)較為疏松，存在一定的孔隙和缺陷。在含氯等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，這些孔隙和缺陷容易成為氯離子等侵蝕性離子的通道，使得腐蝕介質(zhì)能夠快速滲透到合金基體表面，引發(fā)腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致合金的耐腐蝕性能較差。當(dāng)6061鋁合金中添加Zr元素后，Zr主要以Al?Zr相的形式存在于合金中。在合金表面形成氧化膜的過程中，Zr元素會(huì)參與氧化膜的形成。一方面，Al?Zr相細(xì)化了合金的晶粒，增加了晶界面積，使得合金表面形成的氧化膜更加致密。細(xì)化的晶粒提供了更多的形核位點(diǎn)，使得氧化膜在生長過程中能夠更加均勻、致密地覆蓋在合金表面，減少了孔隙和缺陷的產(chǎn)生。另一方面，Zr元素可能會(huì)與氧化膜中的氧原子結(jié)合，形成一些含Zr的氧化物，如ZrO?等。這些含Zr的氧化物分散在氧化膜中，能夠增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性和致密性。ZrO?具有較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠填充氧化膜中的孔隙和缺陷，阻礙氯離子等腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑，從而提高合金的耐腐蝕性能。當(dāng)Zr含量為0.1%時(shí)，合金表面氧化膜的孔隙率相比未添加Zr元素時(shí)降低了約20%，氧化膜的致密性明顯提高，有效抑制了腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。添加Er元素的6061鋁合金，其表面氧化膜的結(jié)構(gòu)和成分也發(fā)生了顯著變化。Er元素形成的Al?Er相不僅細(xì)化了晶粒，還凈化了熔體，減少了雜質(zhì)相的不利影響。在氧化膜形成過程中，Er元素能夠促進(jìn)氧化膜的均勻生長，使氧化膜更加穩(wěn)定。Er元素可能會(huì)與氧化膜中的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變氧化膜的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，添加Er元素后，氧化膜中可能會(huì)形成一些含Er的化合物，如Er?O?等。這些含Er的化合物能夠提高氧化膜的耐腐蝕性，它們可以增強(qiáng)氧化膜與合金基體之間的結(jié)合力，使得氧化膜在受到腐蝕介質(zhì)侵蝕時(shí)不易脫落，從而保護(hù)合金基體免受腐蝕。當(dāng)Er含量為0.1%時(shí)，合金表面氧化膜與基體的結(jié)合力相比未添加Er元素時(shí)提高了約15%，氧化膜在3.5%NaCl溶液中的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，有效延緩了腐蝕的進(jìn)程。當(dāng)Zr、Er復(fù)合添加時(shí)，合金表面氧化膜的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)一步優(yōu)化。Zr、Er復(fù)合添加形成的Al?（Er，Zr）復(fù)合相在晶內(nèi)和晶界處均勻彌散分布，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，使得合金表面的氧化膜更加致密、穩(wěn)定。復(fù)合添加還可能導(dǎo)致氧化膜中形成一些含Zr、Er的復(fù)雜氧化物，這些復(fù)雜氧化物綜合了ZrO?和Er?O?的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。這些復(fù)雜氧化物能夠更有效地填充氧化膜中的孔隙和缺陷，阻礙腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散，增強(qiáng)氧化膜與合金基體之間的結(jié)合力。在Zr、Er含量均為0.1%時(shí)，合金表面氧化膜的孔隙率相比未添加Zr、Er元素時(shí)降低了約30