Ca/Mn添加及轧制变形/热处理对Al-Mg-Si合金强度和导电性的影响

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Al-Mg-Si合金因具有质量轻、电导率优异且强度较高的特点,被广泛应用在架空输电线路及其他电气工程领域。然而,Al-Mg-Si合金的强度和电导率通常互相矛盾,强度更高的合金通常电阻率较低,反之亦然,这极大地限制了其作为输电导线材料的广泛应用。因此制备兼具高强度、高导电性的铝合金产品一直以来都是材料研究的目标。本文通过合金化、轧制变形并结合热处理的方式来提升Al-Mg-Si合金的强度和电导率。旨在为新型高强度高导电性的铝合金导线的制备提供理论和工艺基础。本试验以Al-0.59Mg-0.54Si合金为基体,向合金中添加Mg-10Al-27Ca和Al-20Mn中间合金来设计制备Al-0.59Mg-0.54Si-X(X=0,0.253Ca,0.253Mn)合金。通过OM、SEM、XRD、EBSD、维氏硬度测试、室温拉伸试验和电导率测试,系统地研究了微量Ca/Mn添加对铸态、固溶态及固溶+预时效态Al-0.59Mg-0.54Si-X合金微观组织、力学性能及导电性能影响。并对固溶态和固溶+预时效态的三种不同成分合金进行两道次轧制变形,轧制后时效,探究Ca/Mn添加和引入预时效对轧制时效态合金微观组织、力学性能及导电性能的影响。主要结论如下:(1)研究了Ca/Mn添加对铸态Al-Mg-Si-X合金微观组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明,添加Ca/Mn元素后,α-Al基体晶粒被细化,且Ca对晶粒细化的效果更显著。Ca添加能够诱导高浓度的Mg2Si和Al2Ca沉淀相在α-Al晶粒中析出,使得铸态Al-Mg-Si-Ca合金具有最佳的力学性能和可接受的电导率,其抗拉强度和电导率分别为180 MPa和47.60%IACS。Mn添加能够促进粗大的长条状的β-Al5Fe Si杂质相转变成α-Al(Fe Mn)Si颗粒,同时诱导Mg2Si和Al Mn颗粒的析出。铸态Al-Mg-Si-Mn合金的抗拉强度和电导率分别为153 MPa和38.8%IACS。(2)研究了Ca/Mn添加对固溶态和固溶+预时效态Al-Mg-Si-X合金微观组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明,在添加Ca元素的合金中,固溶和预时效处理造成了颗粒的粗化以及颗粒在晶界处的偏聚,使得其力学性能显著下降,但是电导率却大大增加到了52.44%IACS。而对于添加了Mn元素的合金,由于在固溶、预时效过程中α-Al(Fe Mn)Si相的溶解和大量细小颗粒相的析出,使得其具有细化而均匀的组织,因此表现出最佳的力学性能和稍低的电导率,其抗拉强度、伸长率和电导率分别为213 MPa,24.9%和44.89%IACS。(3)研究了Ca/Mn添加对固溶+轧制+时效态Al-Mg-Si-X合金微观组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明,轧制态合金晶粒沿轧制方向被拉长,长条状的杂质颗粒被破碎细化,在组织中产生了高密度的位错和非平衡空位等缺陷,促进了大量细小的Mg2Si沉淀相析出。三种合金经轧制变形后,强度都得到显著提升,但由于加工过程产生高密度的位错,使位错塞积的空间变小,同时对电子的散射增强,使合金的塑性和电导率都下降。时效处理后,大量纳米级Mg2Si相形成并阻碍位错运动,并且时效过程中位错的数量由于回复而下降,因此三种成分的合金经时效处理后强度、塑性和电导率都得以提升。且添加了Ca元素的合金表现出力学性能和导电性能的最优组合,其强度、伸长率和电导率分别为345 MPa,11.2%和50.08%IACS。(4)研究了Ca/Mn添加对固溶+预时效+轧制+时效态合金微观组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明,预时效的引入使得轧制前合金中产生了GP区,轧制时,GP区的存在能够为β″强化相的形成提供核心,从而促进β″强化相的形成,同时GP区的存在也会困住并累积位错,使得轧制后组织中产生了更高密度的位错。因此,预时效的引入进一步提高了合金的强度。此时,添加了Mn元素的合金力学性能最优,其屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和电导率分别为337 MPa、358 MPa、6%和44.40%IACS。而添加了Ca元素的合金表现最优的综合性能,其屈服强度、抗拉强度、伸长率和电导率分别325 MPa、354 MPa、7.3%和50.10%IACS。
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