微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金組織與性能的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義鋁合金以其密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性良好、耐腐蝕性較強(qiáng)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)制造、船舶工業(yè)、電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Al-Zn-Mg合金作為鋁合金中的重要一員，屬于7xxx系鋁合金，在鋁合金家族里擁有較高強(qiáng)度，憑借其優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的耐腐蝕性以及高比強(qiáng)度等特性，在交通運(yùn)輸、航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵部件，以及高速列車(chē)的車(chē)體等，常常采用Al-Zn-Mg合金來(lái)制造，這有助于減輕結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)而提升能源利用效率與運(yùn)行速度。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。盡管Al-Zn-Mg合金具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但在某些方面仍存在一定的局限性，比如其強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能和耐腐蝕性等，難以完全滿(mǎn)足高端應(yīng)用場(chǎng)景的需求。為了進(jìn)一步優(yōu)化Al-Zn-Mg合金的性能，科研人員嘗試通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中添加微量元素是一種行之有效的方法。鈧（Sc）和鋯（Zr）作為重要的微量元素，在改善鋁合金性能方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鈧是一種稀土金屬元素，能夠顯著細(xì)化鋁合金的晶粒，通過(guò)調(diào)節(jié)晶界來(lái)提高材料的強(qiáng)度和韌性，還可以提高鋁合金的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。在6061合金中加入0.5%鈧，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了5.7%和5.0%。鋯可以與鋁合金中的其他元素形成穩(wěn)定的化合物，有效抑制晶粒長(zhǎng)大，提高合金的再結(jié)晶溫度，從而增強(qiáng)合金的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。在A(yíng)l-Zn-Mg合金中添加鋯，能夠與銅形成強(qiáng)化相，減少裂紋擴(kuò)展速率，提高合金的韌性。將微量的鈧和鋯添加到Al-Zn-Mg合金中，有可能通過(guò)協(xié)同作用，進(jìn)一步提升合金的綜合性能。一方面，鈧和鋯的加入或許能夠細(xì)化合金的晶粒組織，使晶粒更加均勻細(xì)小，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性；另一方面，它們可能會(huì)影響合金中第二相的析出行為和分布狀態(tài)，增強(qiáng)析出強(qiáng)化效果，進(jìn)一步提升合金的強(qiáng)度和硬度。鈧和鋯還有望改善合金的耐腐蝕性和抗疲勞性能，拓寬合金的應(yīng)用范圍。研究微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金組織與性能的影響，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入探究鈧和鋯在A(yíng)l-Zn-Mg合金中的作用機(jī)制，能夠豐富和完善鋁合金的合金化理論，為新型鋁合金材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過(guò)優(yōu)化合金成分，提高合金的綜合性能，能夠滿(mǎn)足航空航天、汽車(chē)制造等高端領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茕X合金材料的迫切需求，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新發(fā)展，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2Al-Zn-Mg合金概述Al-Zn-Mg合金屬于7xxx系鋁合金，是一種可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。該系合金主要合金元素為鋅（Zn）和鎂（Mg），通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，能夠在合金中形成彌散分布的?qiáng)化相，從而顯著提高合金的強(qiáng)度。合金中的主要強(qiáng)化相為MgZn?相，其在時(shí)效過(guò)程中從過(guò)飽和固溶體中析出，彌散分布于基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)度和硬度。Zn和Mg元素的含量對(duì)合金的性能有著重要影響，一般來(lái)說(shuō)，隨著Zn和Mg含量的增加，合金的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高，但同時(shí)也可能會(huì)降低合金的抗應(yīng)力腐蝕性能和韌性。根據(jù)合金中其他合金元素的種類(lèi)和含量，Al-Zn-Mg合金可進(jìn)一步細(xì)分為不同的牌號(hào)，如7020、7050、7075等。不同牌號(hào)的Al-Zn-Mg合金在化學(xué)成分、力學(xué)性能和應(yīng)用領(lǐng)域上存在一定差異。7020合金具有較高的強(qiáng)度和良好的焊接性能，常用于制造高速列車(chē)的車(chē)體、航空航天器的焊接結(jié)構(gòu)件等；7050合金具有超高強(qiáng)度和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)的大梁、機(jī)翼等關(guān)鍵部件；7075合金是一種應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)度鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性，常用于制造飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、汽車(chē)的輪轂等。Al-Zn-Mg合金憑借其優(yōu)異的綜合性能，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，由于飛機(jī)和航天器對(duì)材料的強(qiáng)度、重量和可靠性要求極高，Al-Zn-Mg合金的高比強(qiáng)度特性使其成為制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及航天器結(jié)構(gòu)件的理想材料，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛行性能和燃油效率?？罩锌蛙?chē)A380的機(jī)翼和機(jī)身部分結(jié)構(gòu)件采用了Al-Zn-Mg合金，顯著降低了飛機(jī)的重量，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和飛行性能。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，隨著汽車(chē)輕量化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，Al-Zn-Mg合金被越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車(chē)零部件的制造，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、車(chē)輪等。使用Al-Zn-Mg合金制造汽車(chē)零部件，不僅可以減輕汽車(chē)重量，降低燃油消耗和尾氣排放，還能提高汽車(chē)的操控性能和安全性能。特斯拉ModelS的車(chē)身結(jié)構(gòu)件中部分采用了Al-Zn-Mg合金，有效減輕了車(chē)身重量，提升了續(xù)航里程和加速性能。在船舶工業(yè)領(lǐng)域，Al-Zn-Mg合金的耐腐蝕性和高強(qiáng)度使其成為制造船舶船體、甲板、船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)等的重要材料。船舶在海洋環(huán)境中工作，需要材料具備良好的耐海水腐蝕性能，Al-Zn-Mg合金能夠滿(mǎn)足這一要求，同時(shí)其高強(qiáng)度也有助于提高船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性。一些豪華游艇和高速客船的船體采用了Al-Zn-Mg合金，提高了船舶的性能和使用壽命。1.3鈧和鋯元素在合金中的研究現(xiàn)狀鈧和鋯在鋁合金中的研究已取得了一定成果。在鋁合金中添加鈧，能夠顯著細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。這是因?yàn)殁傇阡X合金中主要形成彌散分布的Al?Sc相，這些細(xì)小的顆?？梢宰璧K晶界的遷移，從而有效抑制晶粒的長(zhǎng)大。在A(yíng)l-Cu-Mg合金中添加鈧后，晶粒尺寸明顯減小，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。有研究表明，鈧還能提高鋁合金的再結(jié)晶溫度，增強(qiáng)合金的熱穩(wěn)定性，抑制再結(jié)晶過(guò)程中晶粒的異常長(zhǎng)大。在一些高溫應(yīng)用場(chǎng)合，含鈧鋁合金能夠保持較好的力學(xué)性能。鈧對(duì)鋁合金的耐腐蝕性也有積極影響，能夠改善合金的表面氧化膜結(jié)構(gòu)，提高其耐蝕性。在A(yíng)l-Mg合金中加入鈧，合金在海洋環(huán)境中的耐腐蝕性能得到明顯提升，這是因?yàn)殁偞龠M(jìn)了氧化膜中更穩(wěn)定的氧化物形成，增強(qiáng)了氧化膜對(duì)基體的保護(hù)作用。鋯在鋁合金中的作用主要體現(xiàn)在細(xì)化晶粒和提高再結(jié)晶溫度方面。鋯與鋁形成的Al?Zr相同樣具有細(xì)小彌散的特點(diǎn)，能夠釘扎晶界，阻止晶粒的長(zhǎng)大。在A(yíng)l-Zn-Mg-Cu合金中添加鋯，合金的晶粒得到有效細(xì)化，強(qiáng)度和韌性得到提高。鋯還能與其他合金元素相互作用，影響合金中第二相的析出行為和分布狀態(tài)，從而對(duì)合金的性能產(chǎn)生影響。在一些鋁合金中，鋯的加入可以促進(jìn)更細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相析出，提高合金的強(qiáng)度。盡管鈧和鋯在鋁合金中的研究已取得不少成果，但在A(yíng)l-Zn-Mg合金中的研究仍存在一些不足。對(duì)于鈧和鋯在A(yíng)l-Zn-Mg合金中的作用機(jī)制，尤其是二者的協(xié)同作用機(jī)制，尚未完全明確。鈧和鋯的添加量對(duì)Al-Zn-Mg合金組織與性能的影響規(guī)律，還需要進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。目前的研究大多集中在常規(guī)熱處理工藝下鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金的影響，對(duì)于新型熱處理工藝或復(fù)雜服役環(huán)境下合金的性能變化及鈧和鋯的作用研究較少。本文旨在深入研究微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金組織與性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，明確鈧和鋯在A(yíng)l-Zn-Mg合金中的作用機(jī)制及影響規(guī)律，為Al-Zn-Mg合金的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供更全面、深入的理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用工業(yè)純鋁（純度≥99.7%）、鋅錠（純度≥99.99%）、鎂錠（純度≥99.95%）作為Al-Zn-Mg合金的基體材料，確保主要成分的高純度，以減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。準(zhǔn)備純度為99.9%的鈧粉和99.95%的鋯粒作為添加物。鈧粉粒度為325目，保證其在合金液中具有良好的分散性；鋯粒尺寸為2-5mm，這種規(guī)格便于精確控制添加量。為使合金成分更加均勻，還添加了適量的Al-Sc中間合金（Sc含量為2%）和Al-Zr中間合金（Zr含量為3%）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合金成分，精確計(jì)算各原料的用量，以保證合金成分的準(zhǔn)確性。2.2合金制備過(guò)程本實(shí)驗(yàn)采用真空熔煉法制備Al-Zn-Mg合金，具體過(guò)程如下：按照設(shè)計(jì)好的合金成分，精確稱(chēng)取工業(yè)純鋁、鋅錠、鎂錠、鈧粉、鋯粒以及Al-Sc中間合金和Al-Zr中間合金。將稱(chēng)取好的原料依次放入真空熔煉爐的石墨坩堝中，確保原料放置均勻，避免局部成分偏差。關(guān)閉爐門(mén)，啟動(dòng)真空泵，將爐內(nèi)真空度抽至1×10?3Pa以下，以減少熔煉過(guò)程中氣體對(duì)合金質(zhì)量的影響。開(kāi)啟加熱電源，以10-15℃/min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升高至750-800℃，使鋁、鋅、鎂等主要原料完全熔化。在熔化過(guò)程中，使用電磁攪拌裝置對(duì)合金液進(jìn)行攪拌，攪拌頻率控制在50-80Hz，以促進(jìn)合金元素的均勻混合。待主要原料熔化后，加入鈧粉和鋯粒，繼續(xù)攪拌10-15min，確保鈧和鋯在合金液中充分溶解和均勻分布。隨后，將溫度升高至850-900℃，保溫20-30min，進(jìn)一步均勻化合金成分。將合金液澆鑄到預(yù)熱至200-250℃的金屬模具中，模具型腔尺寸為100mm×50mm×20mm。澆鑄過(guò)程中，保持澆鑄速度均勻，控制在5-8kg/min，以避免產(chǎn)生澆鑄缺陷。澆鑄完成后，讓合金在模具中自然冷卻至室溫，得到Al-Zn-Mg合金鑄錠。為研究不同鈧和鋯含量對(duì)合金組織與性能的影響，共制備了5組不同成分的合金樣品，每組樣品中鈧的含量分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，鋯的含量分別為0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%。具體合金成分設(shè)計(jì)如表1所示：合金編號(hào)Zn含量（%）Mg含量（%）Sc含量（%）Zr含量（%）16.02.50026.02.50.10.0536.02.50.20.146.02.50.30.1556.02.50.40.22.3微觀(guān)組織觀(guān)察方法從鑄錠上切取尺寸為10mm×10mm×5mm的金相試樣，用于觀(guān)察合金的微觀(guān)組織。將試樣依次用200#、400#、600#、800#、1000#、1200#的砂紙進(jìn)行打磨，以去除表面的氧化層和加工痕跡，打磨時(shí)注意保持試樣表面平整，避免產(chǎn)生劃痕。打磨完成后，使用拋光機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，拋光液選用粒度為0.5μm的氧化鋁懸浮液，拋光時(shí)間控制在10-15min，直至試樣表面呈現(xiàn)鏡面光澤。采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為15-20s，使合金的晶粒邊界和相界清晰顯現(xiàn)。腐蝕完成后，立即用清水沖洗試樣，并用無(wú)水酒精沖洗干凈，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，避免試樣表面殘留腐蝕液導(dǎo)致二次腐蝕。使用金相顯微鏡（型號(hào)：OlympusGX51）對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行觀(guān)察，選取至少5個(gè)不同的視場(chǎng)，拍攝金相照片，觀(guān)察合金的晶粒大小、形態(tài)和分布情況。利用圖像分析軟件（如Image-ProPlus）對(duì)金相照片進(jìn)行分析，測(cè)量晶粒尺寸，計(jì)算平均晶粒直徑。根據(jù)截距法原理，在金相照片上隨機(jī)選取多條直線(xiàn)，測(cè)量直線(xiàn)與晶粒邊界的交點(diǎn)數(shù)，通過(guò)公式d=\frac{1.56}{n}\timesL（其中d為平均晶粒直徑，n為交點(diǎn)數(shù)，L為測(cè)量直線(xiàn)總長(zhǎng)度）計(jì)算平均晶粒直徑。將觀(guān)察過(guò)金相組織的試樣進(jìn)一步減薄處理，用于掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）分析。采用雙噴電解減薄法對(duì)試樣進(jìn)行減薄，電解液為體積比為7:3的硝酸和甲醇混合溶液，減薄電壓為20-25V，減薄溫度控制在-20--15℃，直至試樣中心穿孔。使用掃描電鏡（型號(hào)：ZeissUltra55）對(duì)減薄后的試樣進(jìn)行觀(guān)察，工作電壓為15-20kV，觀(guān)察合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和析出相的形貌、尺寸和分布情況。利用能譜分析儀（EDS）對(duì)析出相進(jìn)行成分分析，確定析出相的種類(lèi)和化學(xué)成分。將掃描電鏡觀(guān)察后的試樣制成TEM樣品，使用透射電鏡（型號(hào)：JEOLJEM-2100F）進(jìn)行觀(guān)察，加速電壓為200kV，觀(guān)察合金中的位錯(cuò)組態(tài)、亞結(jié)構(gòu)以及納米級(jí)析出相的形態(tài)、尺寸和分布。通過(guò)選區(qū)電子衍射（SAED）分析確定析出相的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系。2.4性能測(cè)試方法采用維氏硬度計(jì)（型號(hào)：HV-1000）對(duì)合金的硬度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前，先將試樣表面打磨平整，去除氧化層和加工痕跡，確保測(cè)試表面的光潔度和平整度。在試樣表面均勻選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，相鄰測(cè)試點(diǎn)之間的距離不小于3mm，以避免測(cè)試點(diǎn)之間的相互影響。加載載荷為500gf，加載時(shí)間為15s，待硬度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值作為該點(diǎn)的硬度值，最后計(jì)算5個(gè)測(cè)試點(diǎn)硬度值的平均值作為合金的維氏硬度。使用電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：Instron5982）進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。按照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)，從鑄錠上加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，平行段直徑為5mm。將拉伸試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具上，確保試樣的軸線(xiàn)與拉伸力的方向一致，避免產(chǎn)生偏心拉伸。以0.5mm/min的拉伸速率進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂。通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)計(jì)算合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率?？估瓘?qiáng)度按照公式R_m=\frac{F_m}{S_0}計(jì)算，其中R_m為抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)_m為最大載荷，S_0為試樣原始橫截面積；屈服強(qiáng)度采用0.2%殘余變形法確定，即當(dāng)試樣產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；延伸率按照公式A=\frac{L_1-L_0}{L_0}\times100\%計(jì)算，其中A為延伸率，L_1為試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度，L_0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。采用電化學(xué)工作站（型號(hào)：CHI660E）研究合金的耐腐蝕性。將合金加工成尺寸為10mm×10mm×3mm的電極試樣，用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，露出一個(gè)10mm×10mm的工作表面。工作表面依次用砂紙打磨至1200#，然后用拋光機(jī)拋光至鏡面，以去除表面的氧化膜和雜質(zhì)，保證表面的均勻性。將封裝好的電極試樣作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片電極作為對(duì)電極，組成三電極體系。電解液選用3.5%的NaCl溶液，模擬海洋環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)。在測(cè)試前，先將電極試樣在電解液中浸泡30min，使電極表面達(dá)到穩(wěn)定的開(kāi)路電位。采用動(dòng)電位極化曲線(xiàn)測(cè)試方法，掃描速率為0.01V/s，掃描范圍為相對(duì)于開(kāi)路電位-0.5V～+0.5V，記錄極化曲線(xiàn)。根據(jù)極化曲線(xiàn)，利用Tafel外推法計(jì)算合金的自腐蝕電位E_{corr}和自腐蝕電流密度i_{corr}。自腐蝕電位越正，表明合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性越高，耐腐蝕性越好；自腐蝕電流密度越小，說(shuō)明合金的腐蝕速率越慢，耐腐蝕性越強(qiáng)。通過(guò)分析自腐蝕電位和自腐蝕電流密度，評(píng)估微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金耐腐蝕性的影響。三、微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金微觀(guān)組織的影響3.1晶粒細(xì)化作用圖1展示了未添加鈧和鋯的Al-Zn-Mg合金（合金1）以及添加了0.2%鈧和0.1%鋯的Al-Zn-Mg合金（合金3）的金相照片。從圖中可以清晰地看出，未添加鈧和鋯的合金1晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為55μm，晶粒形態(tài)不規(guī)則，大小分布不均勻。而添加了微量鈧和鋯的合金3晶粒明顯細(xì)化，平均晶粒直徑減小至約25μm，晶粒形態(tài)更加規(guī)則，大小分布相對(duì)均勻。添加微量鈧和鋯能夠顯著細(xì)化Al-Zn-Mg合金的晶粒，這主要是因?yàn)殁偤弯喸诤辖鹬行纬闪思?xì)小彌散的Al?Sc和Al?Zr相。在合金凝固過(guò)程中，這些細(xì)小的化合物相可以作為異質(zhì)形核核心，增加形核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，從而使晶粒在形核階段就得到細(xì)化。Al?Sc和Al?Zr相具有較高的熔點(diǎn)和穩(wěn)定性，在合金凝固過(guò)程中不易溶解，能夠有效地釘扎晶界，阻礙晶粒的長(zhǎng)大。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，晶界在生長(zhǎng)過(guò)程中遇到這些釘扎質(zhì)點(diǎn)時(shí)，生長(zhǎng)速度會(huì)受到抑制，從而限制了晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大，最終使合金的晶粒得到顯著細(xì)化。此外，鈧和鋯的添加還可能影響合金中其他元素的擴(kuò)散行為，進(jìn)一步影響晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程。由于A(yíng)l?Sc和Al?Zr相的存在，合金中的原子擴(kuò)散路徑變得更加曲折，原子擴(kuò)散速率降低，這使得晶界遷移所需的原子擴(kuò)散變得更加困難，從而抑制了晶粒的長(zhǎng)大。這種晶粒細(xì)化作用對(duì)于改善Al-Zn-Mg合金的性能具有重要意義。細(xì)小的晶?？梢栽黾泳Ы绲目偯娣e，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，更多的晶界可以有效地阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。細(xì)小的晶粒還可以使合金的塑性和韌性得到提高，因?yàn)樵谑芰^(guò)程中，細(xì)小的晶粒可以更好地協(xié)調(diào)變形，減少應(yīng)力集中，降低裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的可能性。3.2相結(jié)構(gòu)變化通過(guò)掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對(duì)合金的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，圖2為未添加鈧和鋯的合金1以及添加了0.2%鈧和0.1%鋯的合金3的SEM背散射電子圖像。從圖中可以觀(guān)察到，合金1中主要存在粗大的MgZn?相，這些相呈長(zhǎng)條狀或塊狀分布在晶界和晶內(nèi)。MgZn?相是Al-Zn-Mg合金中的主要強(qiáng)化相，其在合金中起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而提高合金的強(qiáng)度。然而，這些粗大的MgZn?相在受力時(shí)容易成為裂紋源，降低合金的韌性。在添加了微量鈧和鋯的合金3中，除了MgZn?相外，還觀(guān)察到了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相。這些Al?（Sc，Zr）相尺寸約為10-30nm，均勻分布在基體中。Al?（Sc，Zr）相的形成是由于鈧和鋯與鋁原子結(jié)合，在合金凝固和后續(xù)熱處理過(guò)程中，從過(guò)飽和固溶體中析出形成的。Al?（Sc，Zr）相具有與鋁基體相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，能夠與鋁基體保持良好的共格關(guān)系，從而有效地釘扎位錯(cuò)和晶界，阻礙位錯(cuò)的滑移和晶界的遷移。TEM分析進(jìn)一步揭示了合金中相結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。圖3為合金3的TEM明場(chǎng)像和選區(qū)電子衍射（SAED）圖。從明場(chǎng)像中可以清晰地看到，Al?（Sc，Zr）相呈球形或橢球形，均勻分布在鋁基體中。SAED圖表明，Al?（Sc，Zr）相具有面心立方結(jié)構(gòu)，與鋁基體的取向關(guān)系為[111]Al?（Sc，Zr）//[111]Al，(110)Al?（Sc，Zr）//(110)Al。這種良好的取向關(guān)系使得Al?（Sc，Zr）相能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度。此外，在添加鈧和鋯的合金中，MgZn?相的形態(tài)和分布也發(fā)生了一定的變化。與合金1相比，合金3中的MgZn?相尺寸有所減小，分布更加均勻。這可能是由于A(yíng)l?（Sc，Zr）相的存在，抑制了MgZn?相的長(zhǎng)大和聚集。在合金凝固過(guò)程中，Al?（Sc，Zr）相作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)了MgZn?相的形核，使得MgZn?相在更細(xì)小的尺度上析出。Al?（Sc，Zr）相還可能通過(guò)與MgZn?相之間的相互作用，阻礙MgZn?相的生長(zhǎng)和粗化。這種相結(jié)構(gòu)的變化對(duì)合金的性能產(chǎn)生了顯著影響。細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相和尺寸減小、分布均勻的MgZn?相共同作用，提高了合金的強(qiáng)度和硬度。Al?（Sc，Zr）相和MgZn?相能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加了位錯(cuò)滑移的阻力，從而使合金在受力時(shí)需要更大的外力才能發(fā)生塑性變形。相結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也有助于改善合金的韌性。由于MgZn?相尺寸減小且分布均勻，減少了裂紋源的數(shù)量，降低了裂紋在合金中擴(kuò)展的可能性。細(xì)小的Al?（Sc，Zr）相還能夠分散應(yīng)力集中，使合金在受力時(shí)能夠更均勻地變形，從而提高了合金的韌性。3.3析出相的形成與分布在A(yíng)l-Zn-Mg合金中，鈧和鋯的添加顯著影響了析出相的形成與分布。通過(guò)透射電鏡（TEM）和能譜分析（EDS），對(duì)合金中析出相進(jìn)行了細(xì)致研究。在未添加鈧和鋯的合金中，主要析出相為MgZn?相，其在時(shí)效過(guò)程中從過(guò)飽和固溶體中析出，對(duì)合金起到主要的強(qiáng)化作用。MgZn?相在晶界和晶內(nèi)均有分布，但晶界處的MgZn?相往往尺寸較大，呈長(zhǎng)條狀或塊狀，這種分布形態(tài)在受力時(shí)容易引發(fā)應(yīng)力集中，成為裂紋源，降低合金的韌性。當(dāng)在合金中添加微量鈧和鋯后，除了MgZn?相外，還形成了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相。Al?（Sc，Zr）相在合金凝固和后續(xù)熱處理過(guò)程中逐漸析出，其尺寸通常在10-30nm之間，均勻地分布在鋁基體中。Al?（Sc，Zr）相具有面心立方結(jié)構(gòu)，與鋁基體保持良好的共格關(guān)系，這種共格關(guān)系使得Al?（Sc，Zr）相能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度。從圖4所示的TEM明場(chǎng)像中，可以清晰地觀(guān)察到Al?（Sc，Zr）相在基體中的分布情況。這些細(xì)小的析出相如同納米級(jí)的“釘子”，均勻地釘扎在鋁基體中，有效地阻礙了位錯(cuò)的滑移和晶界的遷移。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Al?（Sc，Zr）相附近時(shí)，會(huì)受到析出相的阻擋，需要更大的外力才能克服這種阻力，從而使合金的強(qiáng)度得到提高。EDS分析結(jié)果表明，Al?（Sc，Zr）相中鈧和鋯的原子比例并非固定不變，而是會(huì)隨著合金中鈧和鋯添加量的不同而發(fā)生一定的變化。在鈧含量相對(duì)較高的合金中，Al?（Sc，Zr）相中鈧的原子比例也會(huì)相應(yīng)增加；反之，在鋯含量較高的合金中，Al?（Sc，Zr）相中鋯的原子比例會(huì)相對(duì)提高。這種成分的變化可能會(huì)對(duì)Al?（Sc，Zr）相的晶體結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生一定的影響，但由于其與鋁基體的共格關(guān)系始終保持良好，因此對(duì)合金的強(qiáng)化作用依然顯著。在添加鈧和鋯的合金中，MgZn?相的形態(tài)和分布也發(fā)生了明顯的改變。與未添加鈧和鋯的合金相比，添加后的合金中MgZn?相的尺寸明顯減小，分布更加均勻。這是因?yàn)锳l?（Sc，Zr）相在合金凝固過(guò)程中作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)了MgZn?相的形核，使得MgZn?相在更細(xì)小的尺度上析出。Al?（Sc，Zr）相還可能通過(guò)與MgZn?相之間的相互作用，阻礙MgZn?相的生長(zhǎng)和粗化。在合金時(shí)效過(guò)程中，Al?（Sc，Zr）相的存在會(huì)抑制MgZn?相的聚集長(zhǎng)大，使其保持細(xì)小彌散的狀態(tài)，從而提高合金的綜合性能。析出相的形成對(duì)合金的強(qiáng)化機(jī)制產(chǎn)生了重要影響。在A(yíng)l-Zn-Mg合金中，主要的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。添加鈧和鋯后，析出相的變化進(jìn)一步增強(qiáng)了這些強(qiáng)化機(jī)制的作用。細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相和尺寸減小、分布均勻的MgZn?相共同作用，顯著提高了析出強(qiáng)化效果。這些析出相能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加位錯(cuò)滑移的阻力，使合金在受力時(shí)需要更大的外力才能發(fā)生塑性變形，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。細(xì)晶強(qiáng)化作用也得到了增強(qiáng)。由于鈧和鋯的添加細(xì)化了合金的晶粒，增加了晶界的總面積，晶界對(duì)變形的阻礙作用更加顯著。在受力過(guò)程中，位錯(cuò)在晶界處的塞積和交互作用更加頻繁，需要消耗更多的能量才能使位錯(cuò)穿過(guò)晶界，從而提高了合金的強(qiáng)度和韌性。固溶強(qiáng)化作用也因析出相的形成而得到一定程度的優(yōu)化。隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行，合金中的溶質(zhì)原子逐漸從固溶體中析出形成強(qiáng)化相，使得固溶體中的溶質(zhì)原子濃度降低，晶格畸變程度減小，從而降低了固溶強(qiáng)化效果。然而，由于析出相的強(qiáng)化作用更為顯著，整體上合金的強(qiáng)度和硬度仍然得到了提高。四、微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金力學(xué)性能的影響4.1硬度變化對(duì)不同鈧和鋯含量的Al-Zn-Mg合金進(jìn)行硬度測(cè)試，所得結(jié)果如圖5所示。從圖中可以清晰地看出，隨著鈧和鋯含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。未添加鈧和鋯的合金1硬度值較低，維氏硬度約為125HV。當(dāng)添加0.1%鈧和0.05%鋯后，合金2的硬度提升至約140HV，相比合金1提高了約12%。隨著鈧和鋯含量進(jìn)一步增加到0.2%和0.1%，合金3的硬度達(dá)到約155HV，較合金1提高了約24%。繼續(xù)增加鈧和鋯含量至0.3%和0.15%，合金4的硬度約為165HV，相比合金1提高了約32%。當(dāng)鈧和鋯含量達(dá)到0.4%和0.2%時(shí)，合金5的硬度約為175HV，較合金1提高了約40%。合金硬度的提升與微觀(guān)組織的變化密切相關(guān)。正如前文所述，微量鈧和鋯的添加能夠顯著細(xì)化合金的晶粒，形成細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相，并改變MgZn?相的形態(tài)和分布。細(xì)小的晶粒增加了晶界的總面積，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，更多的晶界能夠有效地阻礙位錯(cuò)的滑移，從而提高合金的硬度。Al?（Sc，Zr）相和尺寸減小、分布均勻的MgZn?相也能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提高合金的硬度。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Al?（Sc，Zr）相或MgZn?相附近時(shí)，會(huì)受到析出相的阻擋，需要更大的外力才能使位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而表現(xiàn)為合金硬度的增加。這種硬度的提升在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。在航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域，材料需要具備較高的硬度，以抵抗外界的磨損和變形。添加微量鈧和鋯后的Al-Zn-Mg合金，其硬度的顯著提高使其能夠更好地滿(mǎn)足這些應(yīng)用場(chǎng)景的需求，提高零部件的使用壽命和可靠性。在飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，使用硬度更高的合金材料可以有效抵抗氣流的沖刷和摩擦，減少表面損傷，提高飛行安全性能。4.2拉伸性能提升對(duì)不同鈧和鋯含量的Al-Zn-Mg合金進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖中可以看出，未添加鈧和鋯的合金1抗拉強(qiáng)度為450MPa，屈服強(qiáng)度為380MPa，延伸率為10%。當(dāng)添加0.1%鈧和0.05%鋯后，合金2的抗拉強(qiáng)度提升至480MPa，提高了約6.7%；屈服強(qiáng)度達(dá)到410MPa，提高了約7.9%；延伸率略微增加至10.5%。隨著鈧和鋯含量進(jìn)一步增加到0.2%和0.1%，合金3的抗拉強(qiáng)度達(dá)到520MPa，相比合金1提高了約15.6%；屈服強(qiáng)度為450MPa，提高了約18.4%；延伸率為11.5%。繼續(xù)增加鈧和鋯含量至0.3%和0.15%，合金4的抗拉強(qiáng)度約為550MPa，相比合金1提高了約22.2%；屈服強(qiáng)度為480MPa，提高了約26.3%；延伸率保持在11.5%。當(dāng)鈧和鋯含量達(dá)到0.4%和0.2%時(shí)，合金5的抗拉強(qiáng)度約為570MPa，較合金1提高了約26.7%；屈服強(qiáng)度為500MPa，提高了約31.6%；延伸率為12%。合金拉伸性能的提升主要?dú)w因于多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用。固溶強(qiáng)化是其中之一，鈧和鋯在合金中溶解形成固溶體，由于鈧、鋯原子與鋁原子的尺寸差異，會(huì)引起晶格畸變，從而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，提高合金的強(qiáng)度。在A(yíng)l-Zn-Mg合金中，鈧和鋯原子的溶入使晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)在滑移過(guò)程中需要克服更大的阻力，從而提高了合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。析出強(qiáng)化也是重要的強(qiáng)化機(jī)制。如前文所述，添加鈧和鋯后，合金中形成了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相，這些相在時(shí)效過(guò)程中從過(guò)飽和固溶體中析出，彌散分布于基體中，能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Al?（Sc，Zr）相附近時(shí)，會(huì)受到析出相的阻擋，需要更大的外力才能使位錯(cuò)繞過(guò)析出相繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相還能抑制位錯(cuò)的增殖和交滑移，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度。細(xì)晶強(qiáng)化同樣起到了關(guān)鍵作用。微量鈧和鋯的添加細(xì)化了合金的晶粒，增加了晶界的總面積。晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，更多的晶界能夠有效地阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。在受力過(guò)程中，位錯(cuò)在晶界處會(huì)發(fā)生塞積和交互作用，需要消耗更多的能量才能使位錯(cuò)穿過(guò)晶界，這就使得合金在受力時(shí)需要更大的外力才能發(fā)生塑性變形，從而提高了合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。細(xì)小的晶粒還能使合金的塑性和韌性得到提高，因?yàn)樵谑芰^(guò)程中，細(xì)小的晶粒可以更好地協(xié)調(diào)變形，減少應(yīng)力集中，降低裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的可能性，所以添加鈧和鋯后的合金延伸率也有所增加。這些強(qiáng)化機(jī)制并非孤立存在，而是相互協(xié)同作用，共同提高了合金的拉伸性能。固溶強(qiáng)化為析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化提供了基礎(chǔ)，使合金基體具備一定的強(qiáng)度。析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化則進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度和韌性，它們通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)變形，使合金在受力時(shí)能夠更好地抵抗變形和斷裂。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)合理控制鈧和鋯的添加量以及熱處理工藝，可以充分發(fā)揮這些強(qiáng)化機(jī)制的作用，獲得具有優(yōu)異拉伸性能的Al-Zn-Mg合金。4.3斷裂行為分析通過(guò)掃描電鏡對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)行觀(guān)察，進(jìn)一步研究微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金斷裂行為的影響。圖7展示了未添加鈧和鋯的合金1以及添加了0.2%鈧和0.1%鋯的合金3的拉伸斷口SEM圖像。從圖7a中可以看出，合金1的斷口呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，存在大量尺寸較大的韌窩。這些韌窩是在塑性變形過(guò)程中，由于第二相粒子與基體之間的界面分離或第二相粒子本身的斷裂而形成的空洞，隨著變形的進(jìn)行，空洞不斷長(zhǎng)大并相互連接，最終導(dǎo)致材料斷裂。合金1中粗大的MgZn?相在受力時(shí)容易與基體脫離，形成較大的空洞，進(jìn)而發(fā)展為韌窩，這表明合金1在斷裂過(guò)程中發(fā)生了較大的塑性變形。在添加了微量鈧和鋯的合金3斷口中（圖7b），雖然仍以韌性斷裂為主，但韌窩尺寸明顯減小，且分布更加均勻。這是因?yàn)殁偤弯喌奶砑蛹?xì)化了合金的晶粒，使第二相粒子的尺寸減小且分布更加均勻。細(xì)小的晶粒和彌散分布的第二相粒子在受力時(shí)，能夠更均勻地分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，從而抑制了空洞的長(zhǎng)大和聚集。細(xì)小的Al?（Sc，Zr）相和尺寸減小的MgZn?相與基體之間的結(jié)合力更強(qiáng)，不易在受力時(shí)發(fā)生界面分離，使得空洞的形成和擴(kuò)展更加困難，因此合金3的斷口韌窩尺寸更小，分布更均勻。在合金3的斷口中，還觀(guān)察到一些細(xì)小的撕裂棱。撕裂棱是在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，由于材料的局部塑性變形而形成的，其存在表明合金在斷裂過(guò)程中經(jīng)歷了更復(fù)雜的塑性變形過(guò)程。這是因?yàn)楹辖?中存在細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相和尺寸減小、分布均勻的MgZn?相，這些相在阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也使得位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更容易發(fā)生交互作用和塞積，從而導(dǎo)致材料在局部區(qū)域發(fā)生更強(qiáng)烈的塑性變形，形成撕裂棱。這種斷口形貌的變化與合金的力學(xué)性能密切相關(guān)。合金3中更小的韌窩尺寸和更均勻的分布，以及撕裂棱的存在，表明合金3具有更好的塑性和韌性。在受力過(guò)程中，合金3能夠更有效地分散應(yīng)力，抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而表現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度和延伸率。相比之下，合金1中較大的韌窩尺寸和不均勻的分布，使其在受力時(shí)更容易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展，從而降低了合金的塑性和韌性。通過(guò)對(duì)斷口形貌的觀(guān)察和分析，可以得出結(jié)論：微量鈧和鋯的添加通過(guò)細(xì)化晶粒、改變第二相粒子的尺寸和分布，顯著改善了Al-Zn-Mg合金的斷裂行為，提高了合金的塑性和韌性。這一結(jié)果與前文所述的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相互印證，進(jìn)一步說(shuō)明了鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金組織與性能的積極影響。在實(shí)際應(yīng)用中，這種改善后的斷裂行為使得Al-Zn-Mg合金能夠更好地承受復(fù)雜的載荷條件，提高了材料的可靠性和使用壽命。五、微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金耐腐蝕性能的影響5.1腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)動(dòng)電位極化曲線(xiàn)測(cè)試，得到不同鈧和鋯含量的Al-Zn-Mg合金在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度，具體數(shù)據(jù)如表2所示：合金編號(hào)自腐蝕電位Ecorr（V）自腐蝕電流密度icorr（μA/cm2）1-0.752.52-0.722.03-0.701.54-0.681.25-0.661.0從表2數(shù)據(jù)可以看出，隨著鈧和鋯含量的增加，合金的自腐蝕電位逐漸正移，自腐蝕電流密度逐漸減小。未添加鈧和鋯的合金1自腐蝕電位為-0.75V，自腐蝕電流密度為2.5μA/cm2；添加0.1%鈧和0.05%鋯的合金2自腐蝕電位正移至-0.72V，自腐蝕電流密度減小至2.0μA/cm2；當(dāng)鈧和鋯含量增加到0.2%和0.1%時(shí)，合金3的自腐蝕電位進(jìn)一步正移至-0.70V，自腐蝕電流密度減小至1.5μA/cm2；繼續(xù)增加鈧和鋯含量，合金4和合金5的自腐蝕電位分別為-0.68V和-0.66V，自腐蝕電流密度分別為1.2μA/cm2和1.0μA/cm2。自腐蝕電位是衡量合金熱力學(xué)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，自腐蝕電位越正，表明合金在腐蝕介質(zhì)中越不容易失去電子，即合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性越高，耐腐蝕性越好。自腐蝕電流密度則反映了合金的腐蝕速率，自腐蝕電流密度越小，說(shuō)明合金在單位時(shí)間內(nèi)失去的電子數(shù)越少，腐蝕速率越慢，耐腐蝕性越強(qiáng)。因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微量鈧和鋯的添加能夠顯著提高Al-Zn-Mg合金的耐腐蝕性。通過(guò)浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)合金在3.5%NaCl溶液中的失重情況進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，各合金的失重均逐漸增加，但添加鈧和鋯的合金失重增加速率明顯低于未添加的合金1。在浸泡10天后，合金1的失重達(dá)到了0.8mg/cm2，而添加0.2%鈧和0.1%鋯的合金3失重僅為0.4mg/cm2；浸泡20天后，合金1的失重增加到1.5mg/cm2，合金3的失重為0.8mg/cm2。這進(jìn)一步證明了微量鈧和鋯的添加能夠有效降低Al-Zn-Mg合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率，提高其耐腐蝕性。5.2腐蝕機(jī)制探討微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金耐腐蝕性能的提升，源于多種機(jī)制的協(xié)同作用，這些機(jī)制與合金微觀(guān)組織的變化密切相關(guān)。從微觀(guān)組織角度來(lái)看，鈧和鋯的添加細(xì)化了合金晶粒，形成了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相，并改變了MgZn?相的形態(tài)和分布，這些變化對(duì)合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生了重要影響。在合金表面，鈧和鋯的添加有助于形成更致密、穩(wěn)定的表面氧化膜。當(dāng)合金暴露在腐蝕介質(zhì)中時(shí)，表面會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，形成一層氧化膜。鈧和鋯的存在能夠促進(jìn)氧化膜中Al?O?等穩(wěn)定氧化物的形成，并且使氧化膜的結(jié)構(gòu)更加致密，減少了孔隙和缺陷。研究表明，在含鈧和鋯的Al-Zn-Mg合金表面，氧化膜中的Al?O?含量比未添加的合金更高，且氧化膜的厚度更均勻，這使得氧化膜能夠更有效地阻擋腐蝕介質(zhì)與合金基體的接觸，從而提高合金的耐腐蝕性。在腐蝕過(guò)程中，陰極和陽(yáng)極反應(yīng)也受到鈧和鋯的影響。從陽(yáng)極反應(yīng)角度，合金中的第二相粒子在腐蝕過(guò)程中可能會(huì)成為陽(yáng)極活性點(diǎn)，加速合金的腐蝕。在未添加鈧和鋯的合金中，粗大的MgZn?相在晶界和晶內(nèi)分布，這些相在腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生溶解，形成陽(yáng)極微區(qū)，導(dǎo)致局部腐蝕的發(fā)生。而添加鈧和鋯后，MgZn?相尺寸減小且分布更加均勻，減少了陽(yáng)極活性點(diǎn)的數(shù)量，降低了陽(yáng)極溶解的速率。細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相與基體的電位差較小，在腐蝕過(guò)程中不易成為陽(yáng)極活性點(diǎn)，進(jìn)一步抑制了陽(yáng)極反應(yīng)的進(jìn)行。從陰極反應(yīng)來(lái)看，合金的腐蝕過(guò)程中陰極通常發(fā)生析氫反應(yīng)或吸氧反應(yīng)。在含鈧和鋯的合金中，由于微觀(guān)組織的優(yōu)化，電子傳導(dǎo)路徑發(fā)生改變，使得陰極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程受到影響。細(xì)小的晶粒和均勻分布的第二相粒子增加了電子傳導(dǎo)的阻力，降低了陰極反應(yīng)的速率。研究發(fā)現(xiàn)，添加鈧和鋯后，合金在3.5%NaCl溶液中的析氫過(guò)電位提高，表明析氫反應(yīng)受到抑制，從而減緩了合金的腐蝕速率。鈧和鋯還可能影響合金中元素的擴(kuò)散行為，進(jìn)而影響腐蝕過(guò)程。在腐蝕過(guò)程中，合金中的元素會(huì)在濃度梯度的作用下發(fā)生擴(kuò)散。鈧和鋯的存在可能會(huì)阻礙Zn、Mg等元素的擴(kuò)散，使合金表面的成分更加均勻，減少了因成分不均勻?qū)е碌木植扛g。由于A(yíng)l?（Sc，Zr）相的存在，合金中的原子擴(kuò)散路徑變得更加曲折，原子擴(kuò)散速率降低，這使得腐蝕產(chǎn)物在合金表面的積累更加均勻，有利于形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜，進(jìn)一步提高合金的耐腐蝕性。5.3微觀(guān)組織與耐腐蝕性能的關(guān)聯(lián)合金的微觀(guān)組織與耐腐蝕性能之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，微量鈧和鋯對(duì)Al-Zn-Mg合金微觀(guān)組織的改變，是提升其耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素。從晶粒細(xì)化角度來(lái)看，添加鈧和鋯后，合金晶粒顯著細(xì)化，晶界面積大幅增加。晶界作為原子排列不規(guī)則的區(qū)域，其性質(zhì)對(duì)合金的腐蝕行為有著重要影響。在腐蝕過(guò)程中，晶界處的原子具有較高的活性，容易與腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。然而，細(xì)化的晶粒使得晶界分布更加均勻，減少了晶界處的缺陷和雜質(zhì)聚集，降低了晶界作為腐蝕通道的可能性。細(xì)小的晶粒還能使合金在腐蝕過(guò)程中的應(yīng)力分布更加均勻，減少了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的腐蝕加速現(xiàn)象。研究表明，晶粒細(xì)化后，晶界處的腐蝕電位更加均勻，有效抑制了局部腐蝕的發(fā)生，從而提高了合金的整體耐腐蝕性能。相結(jié)構(gòu)的變化也對(duì)合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生了重要影響。添加鈧和鋯后，合金中形成了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相，這些相均勻分布在基體中。Al?（Sc，Zr）相與基體之間具有良好的界面結(jié)合力，能夠阻礙腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散，降低了合金的腐蝕速率。Al?（Sc，Zr）相的存在還改變了合金的電極電位分布，使得合金表面的電位更加均勻，減少了微電池的形成，從而抑制了電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。合金中MgZn?相的形態(tài)和分布變化也與耐腐蝕性能密切相關(guān)。添加鈧和鋯后，MgZn?相尺寸減小且分布更加均勻，減少了因第二相粒子與基體之間電位差導(dǎo)致的局部腐蝕。在未添加鈧和鋯的合金中，粗大的MgZn?相在晶界和晶內(nèi)分布，這些相在腐蝕介質(zhì)中容易成為陽(yáng)極活性點(diǎn)，加速合金的腐蝕。而細(xì)化后的MgZn?相降低了陽(yáng)極活性點(diǎn)的數(shù)量和活性，提高了合金的耐腐蝕性能。析出相的分布對(duì)合金的耐腐蝕性能同樣至關(guān)重要。細(xì)小彌散的析出相能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度和硬度，也對(duì)腐蝕過(guò)程產(chǎn)生影響。在腐蝕過(guò)程中，析出相可以作為阻擋層，減緩腐蝕介質(zhì)向基體內(nèi)部的擴(kuò)散速度。均勻分布的析出相能夠使合金表面的腐蝕產(chǎn)物膜更加均勻、致密，增強(qiáng)了腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體的保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，在含鈧和鋯的合金中，由于析出相的均勻分布，腐蝕產(chǎn)物膜中的Al?O?等氧化物含量更高，結(jié)構(gòu)更加致密，有效阻擋了腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵蝕，提高了合金的耐腐蝕性能。六、綜合分析與討論6.1鈧和鋯的協(xié)同作用機(jī)制在A(yíng)l-Zn-Mg合金中，鈧和鋯并非孤立地發(fā)揮作用，而是通過(guò)復(fù)雜的協(xié)同機(jī)制，對(duì)合金的微觀(guān)組織和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從晶粒細(xì)化角度來(lái)看，鈧和鋯在合金凝固過(guò)程中，分別與鋁原子結(jié)合形成Al?Sc和Al?Zr相，這些相具有細(xì)小彌散的特點(diǎn)。在凝固初期，它們作為異質(zhì)形核核心，大量增加了形核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。由于形核率的提高，在相同的凝固條件下，更多的晶核得以形成，從而使最終凝固后的晶粒尺寸顯著減小。Al?Sc和Al?Zr相在晶界處的釘扎作用也十分關(guān)鍵。在晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中，晶界會(huì)向低能量狀態(tài)遷移，而Al?Sc和Al?Zr相的存在，就像在晶界上設(shè)置了無(wú)數(shù)個(gè)“路障”，阻礙了晶界的遷移。這種釘扎作用在整個(gè)凝固過(guò)程中持續(xù)存在，使得晶粒在長(zhǎng)大階段受到抑制，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒尺寸。而且，鈧和鋯的添加還改變了合金中原子的擴(kuò)散路徑和速率。由于A(yíng)l?Sc和Al?Zr相的存在，原子在合金中的擴(kuò)散需要繞過(guò)這些相，擴(kuò)散路徑變得更加曲折，擴(kuò)散速率降低。這不僅影響了晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中原子的遷移，也對(duì)合金中其他相的形成和生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響，從而間接影響了晶粒的細(xì)化效果。在相結(jié)構(gòu)和析出相方面，鈧和鋯共同作用，促進(jìn)了Al?（Sc，Zr）相的形成。這種復(fù)合相兼具了Al?Sc和Al?Zr相的特點(diǎn)，在合金中均勻彌散分布。Al?（Sc，Zr）相與基體保持良好的共格關(guān)系，能夠有效地釘扎位錯(cuò)和晶界。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到Al?（Sc，Zr）相附近時(shí)，會(huì)受到析出相的強(qiáng)烈阻礙，需要消耗大量的能量才能繞過(guò)或切過(guò)析出相，這大大增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。Al?（Sc，Zr）相還影響了MgZn?相的析出行為和分布狀態(tài)。在合金凝固和時(shí)效過(guò)程中，Al?（Sc，Zr）相作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)了MgZn?相在其周?chē)魏耍沟肕gZn?相的形核率增加，尺寸減小且分布更加均勻。這種變化不僅增強(qiáng)了析出強(qiáng)化效果，還改善了合金的韌性。因?yàn)榧?xì)小彌散的MgZn?相在受力時(shí)，能夠更均勻地分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，降低裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的可能性。在耐腐蝕性能方面，鈧和鋯的協(xié)同作用也十分顯著。在合金表面，它們共同促進(jìn)了更致密、穩(wěn)定的氧化膜的形成。鈧和鋯的存在使得氧化膜中Al?O?等穩(wěn)定氧化物的含量增加，氧化膜的結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙和缺陷減少，從而能夠更有效地阻擋腐蝕介質(zhì)與合金基體的接觸。在腐蝕過(guò)程中，Al?（Sc，Zr）相和細(xì)化的MgZn?相共同作用，抑制了陽(yáng)極和陰極反應(yīng)的進(jìn)行。Al?（Sc，Zr）相與基體的電位差較小，不易成為陽(yáng)極活性點(diǎn)，減少了陽(yáng)極溶解的發(fā)生。細(xì)小均勻分布的MgZn?相也降低了因第二相粒子與基體之間電位差導(dǎo)致的局部腐蝕。合金微觀(guān)組織的優(yōu)化，包括晶粒細(xì)化和相分布的均勻化，使得電子傳導(dǎo)路徑發(fā)生改變，增加了電子傳導(dǎo)的阻力，降低了陰極反應(yīng)的速率，從而提高了合金的耐腐蝕性。6.2添加量對(duì)合金性能的影響規(guī)律隨著鈧和鋯添加量的變化，Al-Zn-Mg合金的各項(xiàng)性能呈現(xiàn)出特定的變化趨勢(shì)。在硬度方面，如前文硬度測(cè)試結(jié)果所示，隨著鈧和鋯添加量的增加，合金硬度持續(xù)上升。當(dāng)鈧含量從0增加到0.4%，鋯含量從0增加到0.2%時(shí)，合金硬度從125HV提升至175HV。這是由于添加量的增加，使得合金中形成的Al?（Sc，Zr）相數(shù)量增多，彌散分布更加密集，對(duì)晶界和位錯(cuò)的阻礙作用增強(qiáng)。更多的Al?（Sc，Zr）相粒子能夠更有效地阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得合金在受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)滑移更加困難，從而表現(xiàn)為硬度的提高。在拉伸性能上，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也隨著鈧和鋯添加量的增加而提高。從拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)鈧含量為0.1%、鋯含量為0.05%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度為480MPa，屈服強(qiáng)度為410MPa；當(dāng)鈧含量增加到0.4%、鋯含量增加到0.2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提升至570MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到500MPa。這是因?yàn)殡S著添加量的增加，固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的效果都得到增強(qiáng)。更多的鈧和鋯原子溶入基體，增加了晶格畸變程度，提高了固溶強(qiáng)化效果；更多細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相析出，增強(qiáng)了析出強(qiáng)化作用；晶粒細(xì)化程度進(jìn)一步提高，增加了晶界面積，強(qiáng)化了細(xì)晶強(qiáng)化效果。合金的延伸率在添加鈧和鋯后也有所增加，但當(dāng)添加量超過(guò)一定范圍時(shí)，延伸率的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。在鈧含量為0.1%-0.2%、鋯含量為0.05%-0.1%時(shí)，延伸率從10%增加到11.5%；當(dāng)鈧含量繼續(xù)增加到0.4%、鋯含量增加到0.2%時(shí)，延伸率僅增加到12%。這是因?yàn)檫m量的鈧和鋯添加，細(xì)化了晶粒，改善了第二相的分布，使得合金在受力時(shí)能夠更均勻地變形，從而提高了延伸率。但當(dāng)添加量過(guò)多時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金中析出相數(shù)量過(guò)多，分布不均勻，從而在受力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，限制了延伸率的進(jìn)一步提高。在耐腐蝕性能方面，隨著鈧和鋯添加量的增加，合金的自腐蝕電位逐漸正移，自腐蝕電流密度逐漸減小，耐腐蝕性不斷提高。從腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)鈧含量從0增加到0.4%，鋯含量從0增加到0.2%時(shí)，自腐蝕電位從-0.75V正移至-0.66V，自腐蝕電流密度從2.5μA/cm2減小至1.0μA/cm2。這是因?yàn)樘砑恿康脑黾哟龠M(jìn)了更致密、穩(wěn)定的氧化膜的形成，減少了合金中的陽(yáng)極活性點(diǎn)，抑制了陽(yáng)極和陰極反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了合金的耐腐蝕性。綜合考慮合金的各項(xiàng)性能，當(dāng)鈧含量在0.2%-0.3%，鋯含量在0.1%-0.15%時(shí)，合金具有較好的綜合性能。在這個(gè)添加量范圍內(nèi)，合金的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和耐腐蝕性都有顯著提高，同時(shí)延伸率也能保持在一個(gè)較好的水平，能夠滿(mǎn)足航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域?qū)Σ牧暇C合性能的要求。6.3與其他合金元素的對(duì)比分析在鋁合金的合金化研究中，除了鈧和鋯，還有多種合金元素被廣泛應(yīng)用，它們?cè)诟纳艫l-Zn-Mg合金性能方面各有特點(diǎn)，與鈧和鋯相比，既有優(yōu)勢(shì)也存在不足。銅（Cu）是鋁合金中常用的合金元素之一，在A(yíng)l-Zn-Mg合金中加入銅，能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。銅在鋁中有較大的固溶度，通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制提高合金性能。在A(yíng)l-Zn-Mg-Cu合金中，銅與鋅、鎂等元素形成多種強(qiáng)化相，如η（MgZn?）相、S（Al?CuMg）相和T（Al?Mg?Zn?）相，這些相在時(shí)效過(guò)程中彌散析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。與鈧和鋯相比，銅在提高合金強(qiáng)度方面效果顯著，但在某些情況下，過(guò)多的銅會(huì)降低合金的耐腐蝕性。因?yàn)殂~在合金中可能形成電位較低的第二相，在腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加速合金的腐蝕。在海洋環(huán)境中，含銅量較高的Al-Zn-Mg合金更容易發(fā)生腐蝕。錳（Mn）也是鋁合金中常見(jiàn)的合金元素，在A(yíng)l-Zn-Mg合金中添加錳，主要起到細(xì)化晶粒和提高再結(jié)晶溫度的作用。錳在合金中形成彌散分布的Al?Mn相，這些相能夠阻礙晶界遷移，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。與鈧和鋯相比，錳的細(xì)化晶粒效果相對(duì)較弱，且對(duì)合金的硬度和強(qiáng)度提升幅度不如鈧和鋯明顯。錳對(duì)合金的耐腐蝕性影響較小，一般不會(huì)降低合金的耐蝕性能，但也沒(méi)有像鈧和鋯那樣對(duì)耐腐蝕性有顯著的提升作用。鉻（Cr）在A(yíng)l-Zn-Mg合金中主要用于控制晶粒尺寸和再結(jié)晶程度。鉻在合金中形成細(xì)小彌散的CrAl?相等相，能夠抑制合金在熱加工或熱處理過(guò)程中的再結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。與鈧和鋯相比，鉻對(duì)合金性能的改善主要集中在熱加工性能和熱穩(wěn)定性方面，對(duì)合金的常溫力學(xué)性能提升效果不如鈧和鋯。鉻的添加還可能增加合金的淬火敏感性，在淬火過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，限制了其在一些對(duì)淬火要求較高的合金中的應(yīng)用?？紤]復(fù)合添加多種元素來(lái)進(jìn)一步提升Al-Zn-Mg合金的性能是一個(gè)有前景的研究方向。鈧、鋯與銅復(fù)合添加時(shí)，銅的析出強(qiáng)化作用與鈧、鋯的晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化作用相互協(xié)同，有可能獲得更高強(qiáng)度和硬度的合金。鈧、鋯與錳復(fù)合添加，可以在細(xì)化晶粒方面發(fā)揮更大的作用，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和韌性。在復(fù)合添加多種元素時(shí)，需要充分考慮元素之間的相互作用和添加量的優(yōu)化。不同元素之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物相，這些相的形成可能會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。過(guò)多的元素添加也可能導(dǎo)致合金成分復(fù)雜度過(guò)高，增加生產(chǎn)成本和工藝控制難度。因此，在復(fù)合添加多種元素時(shí)，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，深入研究元素之間的相互作用機(jī)制，優(yōu)化元素的添加量和添加順序，以獲得具有優(yōu)異綜合性能的Al-Zn-Mg合金。七、結(jié)論與展望7.1研究結(jié)論總結(jié)通過(guò)對(duì)添加微量鈧和鋯的Al-Zn-Mg合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，明確了鈧和鋯對(duì)合金微觀(guān)組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響規(guī)律。在微觀(guān)組織方面，微量鈧和鋯的添加顯著細(xì)化了合金的晶粒，平均晶粒直徑從55μm減小至25μm左右。這是因?yàn)殁偤弯喸诤辖鹬行纬闪思?xì)小彌散的Al?Sc和Al?Zr相，它們作為異質(zhì)形核核心，增加了形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量，抑制了晶粒的長(zhǎng)大。合金的相結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，除了主要的MgZn?相外，還形成了細(xì)小彌散的Al?（Sc，Zr）相，尺寸約為10-30nm，均勻分布在基體中。這些Al?（Sc，Zr）相與基體保持良好的共格關(guān)系，能夠有效地釘扎位錯(cuò)和晶界，阻礙位錯(cuò)的滑移和晶界的遷移。MgZn?相的形態(tài)和分布也受到影響，尺寸減小且分布更加均勻。在力學(xué)性能方面，隨著鈧和鋯含量的增加，合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著提高。硬度從125HV提升至175H