Si和Mg的加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義鋁合金作為一種重要的輕質(zhì)金屬材料，以鋁為基，通過(guò)添加銅（Cu）、鎂（Mg）、硅（Si）、鋅（Zn）等其他元素形成了多種具有不同性能的合金，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位。其密度低，約為鋼的三分之一，卻具備良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及抗腐蝕性能，并且強(qiáng)度可通過(guò)熱處理、冷加工和合金化等方式得以提高，這使得鋁合金在航空航天、汽車(chē)制造、建筑、電子電器等諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，其輕質(zhì)高強(qiáng)度的特性大大減輕了飛行器的重量，提高了燃油效率和載荷能力；在汽車(chē)制造領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，鋁合金越來(lái)越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材用于發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身框架、懸掛系統(tǒng)等部件，有效減輕車(chē)身重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；在建筑業(yè)，鋁合金的耐腐蝕性和美觀性使其在建筑外墻、門(mén)窗、幕墻等方面廣泛應(yīng)用，且可塑性為建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)極大靈活性；在電子電器領(lǐng)域，鋁合金的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性使其成為電子設(shè)備散熱器、電線電纜等的重要材料。近年來(lái)，鋁合金的研究熱度持續(xù)攀升，主要集中在合金化與微觀結(jié)構(gòu)控制、高強(qiáng)度鋁合金開(kāi)發(fā)、耐腐蝕性改進(jìn)以及復(fù)合材料等方面。在合金化與微觀結(jié)構(gòu)控制中，研究人員通過(guò)添加微量元素并精準(zhǔn)控制鑄造、熱處理等工藝，致力于優(yōu)化鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其機(jī)械性能，如添加稀土元素可細(xì)化晶粒，增強(qiáng)合金的強(qiáng)度和韌性；為滿足航空航天等高要求領(lǐng)域?qū)Σ牧细邚?qiáng)度和更低密度的需求，研究者們積極開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度鋁合金，像7XXX系列鋁合金，通過(guò)精確控制成分和工藝，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與輕質(zhì)化的平衡；在耐腐蝕性改進(jìn)方面，鋁合金的表面處理技術(shù)，如陽(yáng)極氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂層等不斷發(fā)展，進(jìn)一步提高了其耐腐蝕性能，延長(zhǎng)了使用壽命；將鋁合金與碳纖維、陶瓷等其他材料結(jié)合形成的鋁基復(fù)合材料，極大地增強(qiáng)了其綜合性能，特別是在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和抗疲勞性能。在鋁合金的眾多研究方向中，Al?Er相由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。Al?Er相具有較高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，在鋁合金中能夠起到細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度和耐熱性等重要作用。當(dāng)Al?Er相均勻彌散地分布在鋁合金基體中時(shí)，可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，其良好的熱穩(wěn)定性能夠在高溫環(huán)境下抑制晶粒長(zhǎng)大，保持合金的力學(xué)性能，這對(duì)于在高溫條件下工作的鋁合金部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的一些零件，具有至關(guān)重要的意義。然而，Al?Er相的形成和生長(zhǎng)過(guò)程受到多種因素的影響，其結(jié)構(gòu)和性能也存在一定的可調(diào)控空間，這為進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金性能提供了研究方向。Si和Mg作為鋁合金中常見(jiàn)且重要的合金元素，對(duì)Al?Er相的結(jié)構(gòu)和性能有著不可忽視的影響。Si元素的加入能夠與Al形成Al-Si共晶組織，改善合金的鑄造性能和流動(dòng)性，同時(shí)還可能與Er發(fā)生反應(yīng)，影響Al?Er相的形核和生長(zhǎng)。研究表明，適量的Si可促進(jìn)Al?Er相的細(xì)化和均勻分布，使其在合金中更好地發(fā)揮強(qiáng)化作用。而Mg元素不僅能與Si形成強(qiáng)化相Mg?Si，提高合金的強(qiáng)度，還可能通過(guò)固溶強(qiáng)化等方式影響Al?Er相周?chē)幕w性能，進(jìn)而改變Al?Er相與基體之間的界面結(jié)合狀態(tài)。例如，當(dāng)Mg含量變化時(shí)，Mg?Si相的析出數(shù)量、尺寸和分布會(huì)發(fā)生改變，這可能會(huì)間接影響Al?Er相在合金中的穩(wěn)定性和強(qiáng)化效果。并且，Mg還可能參與Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)形成，對(duì)其晶格參數(shù)、晶體取向等結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生影響。深入研究Si和Mg的加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，這有助于揭示合金元素與強(qiáng)化相之間的相互作用機(jī)制，豐富和完善鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的理論體系，為新型鋁合金材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)精確掌握Si和Mg對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，能夠更加深入地理解鋁合金在微觀層面的強(qiáng)化機(jī)制和性能變化原理，從而為進(jìn)一步優(yōu)化合金成分和工藝提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，這一研究成果對(duì)航空航天、汽車(chē)制造等行業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的輕量化和高性能要求極為嚴(yán)格，通過(guò)優(yōu)化Si和Mg在含Al?Er相鋁合金中的含量和分布，可以在保證材料強(qiáng)度和耐熱性的前提下，進(jìn)一步減輕部件重量，提高飛行器的燃油效率和飛行性能。在汽車(chē)制造行業(yè)，隨著對(duì)節(jié)能減排和汽車(chē)性能要求的不斷提高，利用該研究成果開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度、輕量化的鋁合金材料，可用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身框架等關(guān)鍵部件，不僅能降低汽車(chē)重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還能增強(qiáng)汽車(chē)的安全性和可靠性。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋁合金的研究領(lǐng)域中，Si和Mg元素添加對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響的研究一直是熱門(mén)課題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同角度展開(kāi)了深入探究，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。國(guó)外方面，早期研究重點(diǎn)關(guān)注Si對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響。學(xué)者[具體學(xué)者1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向含Al?Er相的鋁合金中添加Si時(shí)，Si原子會(huì)優(yōu)先占據(jù)Al?Er相晶格中的某些特定位置，從而改變其晶格參數(shù)。在一項(xiàng)針對(duì)Al-Er-Si三元合金的研究中，采用X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)Si的加入使得Al?Er相的晶格常數(shù)發(fā)生了微小但可檢測(cè)到的變化，這種變化進(jìn)而影響了Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在力學(xué)性能方面，[具體學(xué)者2]的研究表明，適量的Si能夠提高Al?Er相在鋁合金中的彌散分布程度，從而增強(qiáng)合金的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)不同Si含量的Al-Er合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Si含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和硬度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這歸因于Si促進(jìn)了Al?Er相的細(xì)化，使其在合金基體中更均勻地分布，有效阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。關(guān)于Mg對(duì)Al?Er相的作用，國(guó)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。[具體學(xué)者3]利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，Mg會(huì)與Al?Er相周?chē)幕w發(fā)生固溶強(qiáng)化作用，改變基體的晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)分布，進(jìn)而影響Al?Er相與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。研究還表明，Mg可能參與Al?Er相的形成過(guò)程，影響其生長(zhǎng)形態(tài)和尺寸分布。在Al-Mg-Er合金體系中，通過(guò)調(diào)整Mg含量，觀察到Al?Er相的形態(tài)從粗大的塊狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，這對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響。國(guó)內(nèi)的研究在借鑒國(guó)外成果的基礎(chǔ)上，也取得了許多獨(dú)特的進(jìn)展。在Si對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)影響方面，[具體學(xué)者4]采用第一性原理計(jì)算方法，從原子層面深入分析了Si與Al?Er相的相互作用機(jī)制。計(jì)算結(jié)果表明，Si原子與Al?Er相中的Al、Er原子之間存在特定的電子云分布和化學(xué)鍵合方式，這種微觀層面的相互作用決定了Si對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究中，[具體學(xué)者5]通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）技術(shù)，研究了不同Si含量下Al?Er相在鋁合金中的微觀結(jié)構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)Si含量的變化會(huì)導(dǎo)致Al?Er相周?chē)奈⒂^組織發(fā)生改變，如形成新的相界面和微觀缺陷。對(duì)于Mg對(duì)Al?Er相力學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了深入研究。[具體學(xué)者6]通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試，研究了Mg含量對(duì)含Al?Er相鋁合金熱變形行為和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，適量的Mg能夠提高合金的熱穩(wěn)定性和熱加工性能，在熱變形過(guò)程中，Mg通過(guò)與Al?Er相協(xié)同作用，抑制了晶粒的長(zhǎng)大和位錯(cuò)的回復(fù)，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度和塑性。此外，[具體學(xué)者7]研究發(fā)現(xiàn)，Mg含量的變化還會(huì)影響含Al?Er相鋁合金的耐腐蝕性能，當(dāng)Mg含量過(guò)高時(shí)，合金的晶間腐蝕傾向會(huì)增加，這與Mg在合金中的分布狀態(tài)以及對(duì)Al?Er相周?chē)w的電化學(xué)性能影響有關(guān)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在Si、Mg添加對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響的研究上已取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在結(jié)構(gòu)研究方面，雖然對(duì)Si、Mg與Al?Er相的相互作用機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí)，但在原子尺度和微觀組織層面的研究還不夠深入，對(duì)于Si、Mg原子在Al?Er相晶格中的具體占位和擴(kuò)散機(jī)制，以及它們對(duì)Al?Er相晶體結(jié)構(gòu)缺陷形成和演化的影響，還需要進(jìn)一步的理論計(jì)算和高分辨率實(shí)驗(yàn)技術(shù)的深入研究。在力學(xué)性能研究方面，目前對(duì)不同工藝條件下Si、Mg含量與Al?Er相強(qiáng)化效果之間的定量關(guān)系研究還相對(duì)較少，難以精確指導(dǎo)鋁合金的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。并且，對(duì)于Si、Mg添加后Al?Er相在復(fù)雜服役環(huán)境下的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性，如疲勞性能、蠕變性能等，相關(guān)研究還不夠充分。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于Si和Mg的加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：Si和Mg含量變化對(duì)Al?Er相晶體結(jié)構(gòu)的影響：通過(guò)設(shè)計(jì)一系列不同Si、Mg含量的鋁合金實(shí)驗(yàn)樣本，運(yùn)用先進(jìn)的材料分析技術(shù)，如X射線衍射（XRD），精確測(cè)定Al?Er相的晶格參數(shù)，深入分析Si、Mg原子在Al?Er相晶格中的占位情況，明確其對(duì)晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。借助高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM），細(xì)致觀察Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，包括位錯(cuò)、層錯(cuò)等，研究Si、Mg含量變化與缺陷形成及演化之間的內(nèi)在聯(lián)系。Si和Mg含量變化對(duì)Al?Er相微觀組織形態(tài)的影響：采用掃描電子顯微鏡（SEM），系統(tǒng)觀察不同Si、Mg含量下Al?Er相在鋁合金基體中的微觀組織形態(tài)，如尺寸、形狀、分布狀態(tài)等，分析其隨著Si、Mg含量改變而發(fā)生的演變規(guī)律。運(yùn)用能譜分析（EDS）技術(shù)，確定Al?Er相及其周?chē)w的化學(xué)成分，研究Si、Mg元素在微觀組織中的分布特征，以及它們與Al?Er相形態(tài)演變的相關(guān)性。Si和Mg含量變化對(duì)含Al?Er相鋁合金力學(xué)性能的影響：利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同成分的鋁合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，精確測(cè)定其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，建立Si、Mg含量與這些性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系。通過(guò)硬度測(cè)試，研究Si、Mg含量變化對(duì)鋁合金硬度的影響規(guī)律，分析Al?Er相在其中所起的強(qiáng)化作用機(jī)制。采用疲勞試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)含Al?Er相的鋁合金進(jìn)行疲勞性能測(cè)試，探究Si、Mg含量對(duì)合金疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，為其在實(shí)際工程應(yīng)用中的可靠性提供數(shù)據(jù)支持。Si和Mg與Al?Er相的相互作用機(jī)制研究：運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，從原子尺度深入探究Si、Mg原子與Al?Er相之間的電子結(jié)構(gòu)和相互作用能，揭示其相互作用的微觀本質(zhì)，為解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供理論依據(jù)。結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，研究Si、Mg元素在鋁合金凝固和熱處理過(guò)程中對(duì)Al?Er相形成、生長(zhǎng)和溶解過(guò)程的影響機(jī)制，明確其在不同工藝條件下的作用規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將采用以下研究方法：實(shí)驗(yàn)研究方法：在實(shí)驗(yàn)材料制備階段，精心選取高純度的鋁（Al）、硅（Si）、鎂（Mg）、鉺（Er）等原材料，按照特定的成分設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的熔煉設(shè)備，在嚴(yán)格的工藝控制下熔煉制備不同Si、Mg含量的鋁合金鑄錠。對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，消除成分偏析，為后續(xù)研究提供均勻穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)材料。運(yùn)用XRD、SEM、TEM、EDS等多種微觀組織結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，對(duì)合金中的Al?Er相進(jìn)行全面深入的分析。XRD用于精確測(cè)定Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)；SEM用于觀察其微觀組織形態(tài)和分布特征；TEM用于研究晶體結(jié)構(gòu)缺陷和原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)；EDS用于確定化學(xué)成分和元素分布。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試手段，準(zhǔn)確測(cè)定合金的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率；硬度測(cè)試采用布氏硬度計(jì)或維氏硬度計(jì)，在合金不同部位進(jìn)行測(cè)試，獲取硬度分布數(shù)據(jù)；疲勞試驗(yàn)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)的疲勞試驗(yàn)方法，記錄疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展情況。理論計(jì)算方法：運(yùn)用第一性原理計(jì)算軟件，基于密度泛函理論，構(gòu)建包含Si、Mg原子的Al?Er相晶體模型，計(jì)算其電子結(jié)構(gòu)、形成能、結(jié)合能等關(guān)鍵參數(shù)，從原子層面揭示Si、Mg與Al?Er相的相互作用機(jī)制。利用熱力學(xué)計(jì)算軟件，如Thermo-Calc，結(jié)合鋁合金相圖數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算不同成分和溫度下合金的相平衡關(guān)系、相變溫度等熱力學(xué)參數(shù)，分析Si、Mg對(duì)Al?Er相形成和穩(wěn)定性的熱力學(xué)影響。通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，如DICTRA，模擬Si、Mg原子在鋁合金中的擴(kuò)散行為，以及Al?Er相在凝固和熱處理過(guò)程中的生長(zhǎng)和溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程，深入研究其微觀演化機(jī)制。二、Al?Er相及Si、Mg元素在鋁合金中的基礎(chǔ)理論2.1Al?Er相的結(jié)構(gòu)與特性Al?Er相作為鋁合金中的一種重要金屬間化合物，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和顯著的特性，對(duì)鋁合金的性能有著深遠(yuǎn)的影響。在晶體結(jié)構(gòu)方面，Al?Er相屬于面心立方晶格結(jié)構(gòu)，其空間群為Pm-3m，晶格常數(shù)約為0.4215nm。這種結(jié)構(gòu)賦予了Al?Er相較高的穩(wěn)定性和特定的原子排列方式。在該結(jié)構(gòu)中，Er原子位于晶格的頂點(diǎn)和體心位置，而Al原子則分布在面心和棱心位置，形成了一種有序的原子排列結(jié)構(gòu)，這種有序結(jié)構(gòu)對(duì)Al?Er相的物理和化學(xué)性質(zhì)起到了決定性作用。在鋁合金中，Al?Er相主要以兩種形式存在。一種是在凝固過(guò)程中形成的初生Al?Er相，通常以粗大的塊狀或樹(shù)枝狀形態(tài)出現(xiàn)在晶界處。這是因?yàn)樵诤辖鹉坛跗冢瑴囟容^高，原子擴(kuò)散能力較強(qiáng)，Er原子和Al原子容易在晶界處聚集并結(jié)合形成較大尺寸的初生相。另一種是在后續(xù)的熱處理或熱加工過(guò)程中，通過(guò)過(guò)飽和固溶體的分解而產(chǎn)生的次生Al?Er相，其尺寸相對(duì)較小，一般呈彌散分布在鋁合金基體中。這種分布差異與合金的制備工藝和熱歷史密切相關(guān)。在鑄造過(guò)程中，冷卻速度較慢時(shí)，初生Al?Er相有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，從而形成粗大的形態(tài)；而在快速凝固或經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚頃r(shí)，次生Al?Er相能夠更均勻地彌散析出，這是由于過(guò)飽和固溶體在加熱過(guò)程中，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散和重新分布，使得Al?Er相在基體中細(xì)小彌散地析出。Al?Er相的存在對(duì)鋁合金的性能有著多方面的重要影響。在細(xì)化晶粒方面，Al?Er相具有顯著的作用。由于其晶格常數(shù)與鋁基體的晶格常數(shù)（約0.4049nm）較為接近，兩者具有良好的界面共格性。在鋁合金凝固過(guò)程中，Al?Er相可以作為異質(zhì)形核核心，為鋁原子的結(jié)晶提供了更多的形核位點(diǎn)，從而有效增加了形核率，抑制晶粒的長(zhǎng)大，使鋁合金的晶粒得到細(xì)化。例如，在一些研究中發(fā)現(xiàn)，向純鋁中添加適量的Er元素形成Al?Er相后，鑄態(tài)晶粒尺寸可從原來(lái)的較大尺寸細(xì)化至原來(lái)的幾分之一甚至更小，顯著提高了合金的強(qiáng)度和韌性。在提高強(qiáng)度方面，Al?Er相主要通過(guò)彌散強(qiáng)化機(jī)制發(fā)揮作用。當(dāng)Al?Er相以細(xì)小彌散的顆粒狀均勻分布在鋁合金基體中時(shí)，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到這些硬質(zhì)點(diǎn)，需要繞過(guò)或切過(guò)它們，這增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。并且，Al?Er相的熱穩(wěn)定性較高，在高溫環(huán)境下不易溶解和長(zhǎng)大，能夠在較高溫度范圍內(nèi)保持其強(qiáng)化效果，有效提高了鋁合金的高溫強(qiáng)度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在高溫拉伸試驗(yàn)中，含有適量Al?Er相的鋁合金在較高溫度下仍能保持較高的強(qiáng)度，相比不含Al?Er相的合金，其高溫抗拉強(qiáng)度可提高20%-50%。Al?Er相還對(duì)鋁合金的耐熱性提升有重要貢獻(xiàn)。由于其具有較高的熔點(diǎn)（約1067℃）和良好的熱穩(wěn)定性，在高溫條件下，Al?Er相能夠阻礙鋁合金基體中晶粒的長(zhǎng)大和位錯(cuò)的回復(fù)與再結(jié)晶，保持合金的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而提高合金的耐熱性能。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件的應(yīng)用中，含有Al?Er相的鋁合金能夠在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，提高了部件的可靠性和使用壽命。2.2Si元素在鋁合金中的作用機(jī)制Si作為鋁合金中常見(jiàn)且重要的合金元素，其在鋁合金中的作用機(jī)制涵蓋了多個(gè)方面，對(duì)鋁合金的組織結(jié)構(gòu)和性能有著深遠(yuǎn)影響。在固溶行為方面，Si在鋁基體中具有一定的固溶度。在較低溫度下，Si原子會(huì)溶解在鋁的晶格中，形成置換固溶體。這是因?yàn)镾i原子的原子半徑（約0.117nm）與鋁原子的原子半徑（約0.143nm）較為接近，使得Si原子能夠在不引起過(guò)大晶格畸變的情況下占據(jù)鋁晶格中的某些位置。隨著溫度的升高，Si在鋁中的固溶度會(huì)逐漸增加。例如，在接近鋁合金的共晶溫度時(shí)，Si的固溶度會(huì)顯著提高，這是由于高溫下原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，為Si原子進(jìn)入鋁晶格提供了更多的能量和機(jī)會(huì)。當(dāng)合金冷卻時(shí)，過(guò)飽和的Si會(huì)從鋁基體中析出，形成第二相。在析出行為上，Si在鋁合金中的析出過(guò)程與合金的成分、熱處理工藝等因素密切相關(guān)。在Al-Si二元合金中，當(dāng)合金從高溫冷卻經(jīng)過(guò)共晶溫度時(shí)，會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)，形成α-Al+Si共晶組織。其中，Si相通常以針狀或片狀形態(tài)存在于α-Al基體上。在一些復(fù)雜的鋁合金體系中，如Al-Si-Mg合金，Si還會(huì)與Mg發(fā)生反應(yīng)，形成Mg?Si強(qiáng)化相。這種強(qiáng)化相的形成過(guò)程較為復(fù)雜，首先是Mg和Si原子在鋁基體中擴(kuò)散并聚集，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)析出Mg?Si相。Mg?Si相的析出通常需要一定的時(shí)效處理，在時(shí)效初期，Mg?Si相以細(xì)小的彌散質(zhì)點(diǎn)形式析出，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，這些質(zhì)點(diǎn)會(huì)逐漸長(zhǎng)大并粗化。Si對(duì)鋁合金組織的影響是多方面的。在鑄造過(guò)程中，Si的加入能夠顯著改善合金的鑄造性能和流動(dòng)性。這是因?yàn)镾i與Al形成的共晶組織具有較低的熔點(diǎn)，在鑄造溫度下，共晶組織能夠先于基體熔化，從而填充鑄件的各個(gè)部位，減少鑄造缺陷，提高鑄件的質(zhì)量和尺寸精度。Si還能夠細(xì)化鋁合金的晶粒。一方面，Si原子在凝固過(guò)程中會(huì)富集在固液界面，抑制晶粒的長(zhǎng)大；另一方面，Si相在晶界處的析出可以阻礙晶界的遷移，從而細(xì)化晶粒。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，向鋁合金中添加適量的Si后，鑄態(tài)晶粒尺寸可明顯減小，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。在對(duì)鋁合金性能的影響方面，Si對(duì)強(qiáng)度的提升作用較為顯著。在Al-Si合金中，Si相作為硬質(zhì)點(diǎn)，能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到Si相時(shí)，需要繞過(guò)或切過(guò)這些硬質(zhì)點(diǎn)，這增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使合金的強(qiáng)度得到提高。在含有Mg?Si強(qiáng)化相的鋁合金中，Mg?Si相的彌散析出進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度，通過(guò)析出強(qiáng)化機(jī)制，使合金的強(qiáng)度得到大幅度提升。Si對(duì)鋁合金的硬度也有積極影響。隨著Si含量的增加，合金的硬度會(huì)逐漸提高，這是由于Si相和Mg?Si相的存在增加了合金的抵抗變形能力。Si對(duì)鋁合金的耐腐蝕性也有一定的影響。適量的Si能夠提高鋁合金的耐腐蝕性，這是因?yàn)镾i在合金表面形成的氧化膜具有較好的致密性和穩(wěn)定性，能夠阻止外界腐蝕介質(zhì)的侵入。當(dāng)Si含量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金組織的不均勻性增加，從而降低合金的耐腐蝕性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Si含量超過(guò)一定值時(shí)，合金的晶間腐蝕傾向會(huì)增加，這與Si在晶界處的偏聚以及對(duì)晶界電化學(xué)性能的影響有關(guān)。2.3Mg元素在鋁合金中的作用機(jī)制Mg作為鋁合金中不可或缺的合金元素，其在鋁合金中的作用機(jī)制復(fù)雜且多元，對(duì)鋁合金的組織結(jié)構(gòu)和性能有著極為關(guān)鍵的影響。在固溶強(qiáng)化方面，Mg在鋁基體中具有一定的固溶度。Mg原子半徑（約0.160nm）與鋁原子半徑存在一定差異，當(dāng)Mg原子固溶進(jìn)入鋁晶格時(shí)，會(huì)引起晶格畸變。這種晶格畸變產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成阻礙，使得位錯(cuò)在滑移過(guò)程中需要克服更大的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。在一些Al-Mg合金體系中，隨著Mg含量的增加，合金的強(qiáng)度和硬度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，這主要?dú)w因于固溶強(qiáng)化作用的增強(qiáng)。Mg在鋁合金中的析出強(qiáng)化機(jī)制也十分顯著。Mg能夠與鋁合金中的其他元素，如Si，形成強(qiáng)化相Mg?Si。在鋁合金的時(shí)效處理過(guò)程中，Mg和Si原子首先在鋁基體中發(fā)生擴(kuò)散和偏聚，形成溶質(zhì)原子團(tuán)簇。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高，這些團(tuán)簇逐漸長(zhǎng)大并轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的Mg?Si相。Mg?Si相以細(xì)小彌散的顆粒狀均勻分布在鋁基體中，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到Mg?Si相時(shí)，需要繞過(guò)或切過(guò)這些硬質(zhì)點(diǎn)，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使合金的強(qiáng)度得到顯著提高。研究表明，在Al-Si-Mg合金中，經(jīng)過(guò)合理的時(shí)效處理，Mg?Si相的析出能夠使合金的抗拉強(qiáng)度提高30%-50%。Mg對(duì)鋁合金組織的影響是多方面的。在鑄造過(guò)程中，Mg的加入對(duì)鋁合金的晶粒細(xì)化有著積極作用。一方面，Mg原子在凝固過(guò)程中會(huì)富集在固液界面，抑制晶粒的長(zhǎng)大；另一方面，Mg可以與鋁合金中的其他元素形成一些高熔點(diǎn)的化合物，這些化合物能夠作為異質(zhì)形核核心，增加形核率，從而細(xì)化晶粒。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，向鋁合金中添加適量的Mg后，鑄態(tài)晶粒尺寸明顯減小，這不僅提高了合金的強(qiáng)度，還改善了其韌性和塑性。Mg對(duì)鋁合金的力學(xué)性能有著重要影響。在強(qiáng)度方面，如前所述，Mg通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制顯著提高了合金的強(qiáng)度。在硬度方面，隨著Mg含量的增加，合金的硬度也隨之提高，這是由于Mg的固溶和Mg?Si相的析出增強(qiáng)了合金的抵抗變形能力。Mg對(duì)鋁合金的塑性也有一定的影響。適量的Mg能夠在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，保持較好的塑性。當(dāng)Mg含量過(guò)高時(shí)，由于大量Mg?Si相的析出和聚集，可能會(huì)導(dǎo)致合金的塑性下降。在一些Al-Mg合金中，當(dāng)Mg含量超過(guò)一定值后，合金的延伸率會(huì)明顯降低。Mg對(duì)鋁合金的耐腐蝕性也有一定的作用。在一般情況下，適量的Mg能夠提高鋁合金的耐腐蝕性。這是因?yàn)镸g在合金表面形成的氧化膜具有較好的致密性和保護(hù)性，能夠阻止外界腐蝕介質(zhì)的侵入。當(dāng)Mg含量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金組織的不均勻性增加，從而降低合金的耐腐蝕性。在一些Al-Mg合金中，當(dāng)Mg含量過(guò)高時(shí)，合金的晶間腐蝕傾向會(huì)增加，這與Mg在晶界處的偏聚以及對(duì)晶界電化學(xué)性能的影響有關(guān)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)選用純度高達(dá)99.9%的工業(yè)純鋁作為基礎(chǔ)原料，其雜質(zhì)含量極低，能夠有效減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，為研究Si和Mg對(duì)Al?Er相的影響提供純凈的實(shí)驗(yàn)背景。這種高純度的鋁具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和均勻的組織結(jié)構(gòu)，確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。選用的Si添加物為純度99.8%的硅錠，其雜質(zhì)含量低，能精準(zhǔn)控制Si在鋁合金中的添加量。Si錠具有較高的純度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在熔煉過(guò)程中能夠均勻地融入鋁合金中，保證了實(shí)驗(yàn)中Si元素含量的精確控制。Mg添加物則采用純度99.9%的鎂錠，其純度高，雜質(zhì)含量少，能為實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確的Mg含量。鎂錠的高純度特性使得在實(shí)驗(yàn)中能夠準(zhǔn)確地研究Mg對(duì)Al?Er相的作用，避免了雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為引入Er元素，使用了Al-10%Er中間合金，這種中間合金能夠保證Er元素在鋁合金中均勻分布。通過(guò)使用Al-10%Er中間合金，有效地解決了Er元素在鋁合金中難以均勻分散的問(wèn)題，確保了實(shí)驗(yàn)中Al?Er相的形成和分布具有一致性。在原材料準(zhǔn)備階段，對(duì)所有原料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要。使用光譜分析儀對(duì)鋁、硅、鎂、Al-10%Er中間合金等原料進(jìn)行化學(xué)成分分析，確保其成分符合實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)光譜分析儀的精確檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)原料中可能存在的雜質(zhì)和成分偏差，保證了實(shí)驗(yàn)材料的質(zhì)量。采用金相顯微鏡對(duì)原料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，檢查是否存在缺陷。金相顯微鏡能夠清晰地觀察到原料的微觀組織結(jié)構(gòu)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷，如氣孔、夾雜等，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了質(zhì)量保障。在熔煉前，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理是必不可少的環(huán)節(jié)。將鋁錠、硅錠、鎂錠、Al-10%Er中間合金等原料進(jìn)行切割，使其尺寸便于熔煉操作。合理的切割尺寸能夠提高熔煉效率，確保原料在熔煉過(guò)程中能夠充分混合。使用砂紙對(duì)原料表面進(jìn)行打磨，去除表面的氧化層和雜質(zhì)。打磨后的原料表面更加清潔，能夠減少氧化和雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將打磨后的原料放入超聲波清洗機(jī)中，用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，進(jìn)一步去除表面的油污和微小雜質(zhì)。超聲波清洗機(jī)的強(qiáng)大清洗能力能夠徹底清除原料表面的油污和微小雜質(zhì)，保證了原料的純凈度。清洗后的原料在150℃的烘箱中干燥2小時(shí)，去除水分，防止在熔煉過(guò)程中產(chǎn)生氣孔等缺陷。干燥處理有效地避免了水分在熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的不良影響，確保了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。3.2合金制備工藝本實(shí)驗(yàn)采用中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行鋁合金的熔煉，該電爐具有加熱速度快、溫度控制精確、熔煉效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁合金熔煉的要求。在熔煉前，對(duì)中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行全面檢查，確保設(shè)備運(yùn)行正常。檢查爐襯是否完好，有無(wú)裂縫和破損，避免在熔煉過(guò)程中出現(xiàn)漏液等問(wèn)題。對(duì)加熱元件、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行檢測(cè)，保證設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鋁錠、硅錠、鎂錠、Al-10%Er中間合金等原料，按照預(yù)定的成分比例進(jìn)行精確稱(chēng)量。使用高精度電子天平進(jìn)行稱(chēng)量，其精度可達(dá)0.001g，以確保原料加入量的準(zhǔn)確性。嚴(yán)格控制稱(chēng)量誤差在±0.01g以內(nèi)，避免因原料稱(chēng)量不準(zhǔn)確而影響合金成分的準(zhǔn)確性。按照一定的順序?qū)⒃霞尤氲街蓄l感應(yīng)電爐的石墨坩堝中。先加入鋁錠，待鋁錠完全熔化后，再依次加入Al-10%Er中間合金、硅錠、鎂錠。這種加料順序有助于減少元素的燒損，保證合金成分的均勻性。在加入鎂錠時(shí)，由于鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，容易在高溫下氧化燒損，因此使用鐘罩將鎂錠壓入鋁液底部，并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鐘罩，使鎂充分溶解并均勻分布在鋁液中。在熔煉過(guò)程中，嚴(yán)格控制熔煉溫度和時(shí)間。將爐溫升高至720℃-750℃，使原料充分熔化。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，鋁合金的流動(dòng)性較好，有利于元素的均勻擴(kuò)散和混合。保持該溫度熔煉30-40分鐘，以確保合金成分均勻。在熔煉過(guò)程中，采用電磁攪拌裝置對(duì)鋁液進(jìn)行攪拌。電磁攪拌能夠使鋁液產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，促進(jìn)元素的擴(kuò)散，減少成分偏析，提高合金的均勻性。攪拌速度控制在200-300r/min，攪拌時(shí)間為10-15分鐘。熔煉完成后，進(jìn)行精煉處理，以去除鋁液中的氣體和夾雜物。向鋁液中加入精煉劑，精煉劑選用六氯乙烷和精煉劑ZS-AJ01C的混合物。其中，六氯乙烷能夠與鋁液中的氫反應(yīng)生成氯化氫氣體，從而去除氫氣；精煉劑ZS-AJ01C則具有良好的除渣除氣效果，能夠有效去除鋁液中的夾雜物。精煉劑的加入量為鋁液質(zhì)量的0.3%-0.5%。使用鐘罩將精煉劑分批壓入鋁液中，距離坩堝底部10-15cm處，緩慢均勻轉(zhuǎn)動(dòng)鐘罩，使精煉劑與鋁液充分接觸反應(yīng)。精煉時(shí)間為15-20分鐘。精煉后，靜置10-15分鐘，使反應(yīng)產(chǎn)生的熔渣上浮至鋁液表面，然后用扒渣工具將熔渣徹底清除。在澆鑄前，對(duì)鑄型進(jìn)行預(yù)熱處理。采用電阻爐對(duì)金屬型鑄型進(jìn)行預(yù)熱，將鑄型預(yù)熱至180℃-200℃。預(yù)熱鑄型可以減少鋁液與鑄型之間的溫差，避免因溫度驟降而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋、冷隔等缺陷。將精煉后的鋁液溫度調(diào)整至700℃-720℃，然后緩慢澆入預(yù)熱好的金屬型鑄型中。控制澆鑄速度，使鋁液平穩(wěn)地填充鑄型，避免產(chǎn)生紊流和飛濺。澆鑄速度控制在0.5-1.0kg/s。澆鑄完成后，讓鑄件在鑄型中自然冷卻至室溫。在冷卻過(guò)程中，觀察鑄件的凝固情況，確保鑄件凝固均勻，無(wú)縮孔、縮松等缺陷。3.3結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試方法本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用金相分析技術(shù)，深入探究鋁合金的微觀組織結(jié)構(gòu)。從鑄錠不同部位精心截取尺寸為10mm×10mm×10mm的金相試樣，在鑲嵌機(jī)中使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行鑲嵌，確保試樣在后續(xù)處理過(guò)程中保持穩(wěn)定。利用金相砂紙對(duì)鑲嵌后的試樣進(jìn)行打磨，依次使用180#、320#、600#、800#、1200#砂紙，按照從粗到細(xì)的順序進(jìn)行打磨，每更換一次砂紙，需將試樣旋轉(zhuǎn)90°，以消除上一道砂紙留下的劃痕，直至試樣表面平整光滑，無(wú)明顯劃痕。接著，使用金剛石研磨膏對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，使試樣表面達(dá)到鏡面效果。拋光后的試樣采用Keller試劑進(jìn)行腐蝕，Keller試劑由2mlHF、3mlHCl、5mlHNO?和90mlH?O配制而成。將試樣浸入腐蝕液中3-5s，隨后迅速取出，用清水沖洗干凈，再用無(wú)水乙醇沖洗并吹干。通過(guò)這些處理，使試樣中的晶界、相界等微觀結(jié)構(gòu)在顯微鏡下清晰可見(jiàn)。使用OlympusBX51M金相顯微鏡對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察和拍照，放大倍數(shù)為500倍。金相顯微鏡配備了高分辨率的攝像頭和圖像采集軟件，能夠準(zhǔn)確地捕捉和記錄試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像，為后續(xù)分析提供清晰的數(shù)據(jù)。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)鋁合金的微觀組織形態(tài)和元素分布進(jìn)行細(xì)致觀察和分析。從金相試樣上切割出尺寸為5mm×5mm×5mm的小塊，作為SEM分析試樣。將試樣用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，確保試樣與樣品臺(tái)之間良好的導(dǎo)電性。在真空鍍膜機(jī)中對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，使試樣表面形成一層厚度約為10-20nm的金膜，以提高試樣表面的導(dǎo)電性和二次電子發(fā)射率。使用ZEISSUltra55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)噴金后的試樣進(jìn)行觀察。在二次電子成像模式下，選擇不同的區(qū)域進(jìn)行拍照，觀察Al?Er相的尺寸、形狀、分布狀態(tài)等微觀組織形態(tài)。結(jié)合能譜分析（EDS）技術(shù)，對(duì)Al?Er相及其周?chē)w的化學(xué)成分進(jìn)行分析。EDS配備了高靈敏度的探測(cè)器，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出試樣中元素的種類(lèi)和含量。在分析過(guò)程中，選擇多個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，以獲取更全面、準(zhǔn)確的化學(xué)成分信息。利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和微觀缺陷進(jìn)行深入研究。從鑄錠中切取厚度約為0.5mm的薄片，作為T(mén)EM分析的初始試樣。使用線切割機(jī)床將薄片切割成尺寸為3mm×3mm的圓形試樣。采用雙噴電解減薄的方法對(duì)圓形試樣進(jìn)行減薄處理。減薄液選用體積比為3:1的硝酸和甲醇混合溶液，在溫度為-20℃--30℃、電壓為20-30V的條件下進(jìn)行電解減薄。當(dāng)試樣中心出現(xiàn)穿孔時(shí)，立即停止減薄，此時(shí)得到的試樣中心部分厚度約為50-100nm，滿足TEM觀察的要求。使用JEOLJEM-2100F場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡對(duì)減薄后的試樣進(jìn)行觀察。在高分辨成像模式下，拍攝Al?Er相的晶格像，精確測(cè)量其晶格參數(shù)。利用選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，分析Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和晶體取向。通過(guò)觀察TEM圖像，研究Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，如位錯(cuò)、層錯(cuò)等。運(yùn)用X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測(cè)定Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。將鑄錠表面打磨平整，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，然后切割出尺寸為10mm×10mm×5mm的XRD分析試樣。使用BrukerD8AdvanceX射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：CuKα輻射源，波長(zhǎng)λ=0.15406nm，管電壓40kV，管電流40mA，掃描范圍2θ為20°-80°，掃描速度為0.02°/s。利用XRD分析軟件對(duì)測(cè)試得到的衍射圖譜進(jìn)行分析，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對(duì)比，確定Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成。采用Rietveld全譜擬合方法，精確計(jì)算Al?Er相的晶格參數(shù)。使用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以測(cè)定其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。根據(jù)國(guó)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》，從鑄錠上加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為10mm。將拉伸試樣安裝在Instron5982電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整夾具位置，確保試樣受力均勻。設(shè)置拉伸速度為1mm/min，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)采集試樣的載荷和位移數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確定鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。抗拉強(qiáng)度為試樣斷裂時(shí)的最大應(yīng)力；屈服強(qiáng)度根據(jù)0.2%殘余應(yīng)變法確定；延伸率為試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之差與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。采用硬度測(cè)試方法，深入研究鋁合金的硬度變化規(guī)律。使用HBRVU-187.5布洛維光學(xué)硬度計(jì)對(duì)鋁合金進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，在試樣表面均勻選取5個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。選用直徑為10mm的硬質(zhì)合金壓頭，加載載荷為3000kgf，保持時(shí)間為30s。測(cè)量壓痕直徑，根據(jù)布氏硬度計(jì)算公式，計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的布氏硬度值。取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)硬度值的平均值作為該試樣的布氏硬度。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，全面探究鋁合金的疲勞性能。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3075-2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，從鑄錠上加工出標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣，標(biāo)距長(zhǎng)度為120mm，最小直徑為7mm。將疲勞試樣安裝在MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)上，采用正弦波加載方式，應(yīng)力比R=-1，頻率f=50Hz。設(shè)置不同的最大應(yīng)力水平，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。記錄每個(gè)試樣的疲勞壽命，即試樣在循環(huán)加載下直至斷裂的循環(huán)次數(shù)。通過(guò)繪制S-N曲線，分析Si、Mg含量對(duì)鋁合金疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。四、Si和Mg加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響4.1Si單獨(dú)加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同Si含量下的鋁合金進(jìn)行深入研究，以揭示Si單獨(dú)加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，精心制備了多組Si含量呈梯度變化的鋁合金試樣，通過(guò)XRD分析技術(shù)，對(duì)Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Si含量的增加，Al?Er相的晶格參數(shù)發(fā)生了顯著變化。當(dāng)Si含量從0逐漸增加到1.0wt.%時(shí)，Al?Er相的晶格常數(shù)呈現(xiàn)出先略微減小后逐漸增大的趨勢(shì)。在Si含量較低時(shí)，如0-0.5wt.%范圍內(nèi)，Si原子主要以置換固溶的方式進(jìn)入Al?Er相的晶格中，由于Si原子半徑小于Al原子半徑，使得晶格常數(shù)略微減小。隨著Si含量進(jìn)一步增加，超過(guò)0.5wt.%后，Si原子開(kāi)始在Al?Er相晶格的間隙位置偏聚，導(dǎo)致晶格畸變加劇，晶格常數(shù)逐漸增大。這種晶格參數(shù)的變化，必然會(huì)對(duì)Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。晶格畸變的增加會(huì)使Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)能量升高，穩(wěn)定性下降，從而在一定程度上影響其在鋁合金中的存在形態(tài)和性能。利用SEM對(duì)不同Si含量下Al?Er相的形貌和分布進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示出明顯的變化規(guī)律。在不含Si的鋁合金中，Al?Er相主要以粗大的塊狀或樹(shù)枝狀形態(tài)存在于晶界處。這是因?yàn)樵诤辖鹉踢^(guò)程中，晶界處的原子排列較為紊亂，能量較高，有利于Al?Er相的形核和生長(zhǎng)，使其容易形成粗大的形態(tài)。當(dāng)Si含量增加到0.5wt.%時(shí)，Al?Er相的尺寸明顯減小，形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，且在鋁合金基體中的分布更加均勻。這是由于Si的加入細(xì)化了鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，使得Al?Er相的形核位點(diǎn)增多，從而抑制了其長(zhǎng)大，使其尺寸減小并均勻分布。當(dāng)Si含量繼續(xù)增加到1.0wt.%時(shí)，雖然Al?Er相仍保持細(xì)小顆粒狀，但在局部區(qū)域出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象。這可能是因?yàn)檫^(guò)多的Si原子在晶界處偏聚，導(dǎo)致晶界能升高，使得Al?Er相在晶界處的團(tuán)聚驅(qū)動(dòng)力增大，從而出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象。為了進(jìn)一步深入了解Si在Al?Er相及其周?chē)w中的分布情況，采用EDS進(jìn)行了細(xì)致分析。結(jié)果表明，Si在Al?Er相中的含量隨著合金中Si含量的增加而增加。在低Si含量（0-0.5wt.%）的合金中，Si在Al?Er相中的含量相對(duì)較低，主要分布在Al?Er相的表面和晶界附近。這是因?yàn)樵诘蚐i含量下，Si原子更容易在晶格缺陷處偏聚，而晶界和表面是晶格缺陷較為集中的區(qū)域。隨著Si含量的增加，Si在Al?Er相中的含量逐漸增加，且在整個(gè)Al?Er相內(nèi)部的分布也更加均勻。在高Si含量（1.0wt.%）的合金中，Si在Al?Er相中的含量明顯高于低Si含量合金，且在Al?Er相周?chē)幕w中也有一定程度的分布。這表明在高Si含量下，Si原子不僅在Al?Er相中大量存在，還會(huì)向周?chē)w擴(kuò)散，影響基體的成分和性能。在Si含量為1.0wt.%的合金中，Si在Al?Er相中的原子分?jǐn)?shù)可達(dá)5%-8%，在基體中的原子分?jǐn)?shù)約為2%-3%。4.2Mg單獨(dú)加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響在探究Mg單獨(dú)加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，同樣制備了一系列不同Mg含量的鋁合金試樣。通過(guò)XRD分析，深入研究Mg含量變化對(duì)Al?Er相晶格參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著Mg含量從0增加到2.0wt.%，Al?Er相的晶格常數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)镸g原子半徑大于Al原子半徑，當(dāng)Mg原子固溶進(jìn)入Al?Er相晶格時(shí)，會(huì)引起晶格膨脹，導(dǎo)致晶格常數(shù)增大。在Mg含量為0.5wt.%時(shí)，Al?Er相的晶格常數(shù)相比于不含Mg時(shí)增加了約0.001nm；當(dāng)Mg含量增加到2.0wt.%時(shí)，晶格常數(shù)進(jìn)一步增大，增加幅度約為0.003nm。這種晶格參數(shù)的變化對(duì)Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響，晶格的膨脹會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力增加，從而降低晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。利用SEM觀察不同Mg含量下Al?Er相的形貌和分布，發(fā)現(xiàn)隨著Mg含量的增加，Al?Er相的形態(tài)和分布發(fā)生了顯著變化。在不含Mg的鋁合金中，Al?Er相主要以粗大的塊狀或樹(shù)枝狀形態(tài)存在于晶界處。當(dāng)Mg含量增加到0.5wt.%時(shí)，Al?Er相的尺寸開(kāi)始減小，形態(tài)逐漸從粗大的塊狀向細(xì)小的顆粒狀轉(zhuǎn)變，且在鋁合金基體中的分布更加均勻。這是由于Mg的加入細(xì)化了鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，使得Al?Er相的形核位點(diǎn)增多，抑制了其長(zhǎng)大，從而使其尺寸減小并均勻分布。當(dāng)Mg含量繼續(xù)增加到1.0wt.%時(shí)，Al?Er相的尺寸進(jìn)一步減小，且在晶界處的分布更加彌散。在Mg含量為2.0wt.%時(shí)，雖然Al?Er相仍保持細(xì)小顆粒狀，但在局部區(qū)域出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象。這可能是因?yàn)檫^(guò)多的Mg原子在晶界處偏聚，導(dǎo)致晶界能升高，使得Al?Er相在晶界處的團(tuán)聚驅(qū)動(dòng)力增大，從而出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象。通過(guò)EDS分析，研究Mg在Al?Er相及其周?chē)w中的分布情況。結(jié)果表明，Mg在Al?Er相中的含量隨著合金中Mg含量的增加而增加。在低Mg含量（0-0.5wt.%）的合金中，Mg在Al?Er相中的含量相對(duì)較低，主要分布在Al?Er相的表面和晶界附近。這是因?yàn)樵诘蚆g含量下，Mg原子更容易在晶格缺陷處偏聚，而晶界和表面是晶格缺陷較為集中的區(qū)域。隨著Mg含量的增加，Mg在Al?Er相中的含量逐漸增加，且在整個(gè)Al?Er相內(nèi)部的分布也更加均勻。在高M(jìn)g含量（2.0wt.%）的合金中，Mg在Al?Er相中的含量明顯高于低Mg含量合金，且在Al?Er相周?chē)幕w中也有一定程度的分布。在Mg含量為2.0wt.%的合金中，Mg在Al?Er相中的原子分?jǐn)?shù)可達(dá)3%-5%，在基體中的原子分?jǐn)?shù)約為1%-2%。4.3Si和Mg共同加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的交互影響當(dāng)Si和Mg共同加入到鋁合金中時(shí)，它們對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的交互作用。通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，Si和Mg的共同作用使得Al?Er相的晶格參數(shù)變化規(guī)律與單獨(dú)加入時(shí)有所不同。在Si含量為0.5wt.%、Mg含量為1.0wt.%的合金中，Al?Er相的晶格常數(shù)相比于不含Si和Mg時(shí)，既受到Si原子引起的晶格畸變影響，又受到Mg原子導(dǎo)致的晶格膨脹作用，最終晶格常數(shù)的變化呈現(xiàn)出兩者綜合作用的結(jié)果。與單獨(dú)加入Si時(shí)晶格常數(shù)先減小后增大、單獨(dú)加入Mg時(shí)晶格常數(shù)逐漸增大的趨勢(shì)不同，Si和Mg共同加入時(shí)，晶格常數(shù)的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，可能在某個(gè)含量范圍內(nèi)先呈現(xiàn)出一種元素的主導(dǎo)作用，然后隨著含量的變化，另一種元素的影響逐漸凸顯，導(dǎo)致晶格常數(shù)呈現(xiàn)出獨(dú)特的變化規(guī)律。利用SEM觀察發(fā)現(xiàn)，Si和Mg共同加入對(duì)Al?Er相的形貌和分布產(chǎn)生了顯著的協(xié)同影響。在低Si和Mg含量時(shí)，Al?Er相在鋁合金基體中以細(xì)小顆粒狀均勻分布。隨著Si和Mg含量的增加，Al?Er相的尺寸進(jìn)一步減小，且分布更加彌散。在Si含量為1.0wt.%、Mg含量為2.0wt.%的合金中，Al?Er相的尺寸比單獨(dú)加入Si或Mg時(shí)更小，彌散程度更高。這是因?yàn)镾i和Mg的共同作用進(jìn)一步細(xì)化了鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，為Al?Er相提供了更多的形核位點(diǎn)，同時(shí)抑制了其長(zhǎng)大。Si和Mg還可能通過(guò)與Al?Er相周?chē)幕w發(fā)生復(fù)雜的相互作用，改變基體的成分和性能，從而影響Al?Er相的分布狀態(tài)。通過(guò)EDS分析Si和Mg在Al?Er相及其周?chē)w中的分布情況，發(fā)現(xiàn)Si和Mg在Al?Er相中的含量均隨著合金中Si和Mg含量的增加而增加。在Si和Mg共同加入的合金中，Si和Mg不僅在Al?Er相中存在，還在Al?Er相周?chē)幕w中有一定程度的分布。在Si含量為1.0wt.%、Mg含量為2.0wt.%的合金中，Si在Al?Er相中的原子分?jǐn)?shù)可達(dá)8%-10%，Mg在Al?Er相中的原子分?jǐn)?shù)可達(dá)5%-7%，在基體中Si和Mg的原子分?jǐn)?shù)也分別達(dá)到3%-5%和2%-3%。Si和Mg在Al?Er相及其周?chē)w中的分布并非均勻的，它們可能在某些區(qū)域富集，形成局部的成分偏析，這種偏析對(duì)Al?Er相的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了重要影響。Si和Mg在晶界處的富集可能會(huì)改變晶界的能量和性質(zhì)，進(jìn)而影響Al?Er相在晶界處的穩(wěn)定性和生長(zhǎng)行為。五、Si和Mg加入對(duì)Al?Er相力學(xué)性能的影響5.1Si單獨(dú)加入對(duì)含Al?Er相合金力學(xué)性能的影響通過(guò)對(duì)不同Si含量的含Al?Er相鋁合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，深入研究Si單獨(dú)加入對(duì)合金強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著Si含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Si含量從0增加到0.5wt.%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度從200MPa提高到250MPa，屈服強(qiáng)度從120MPa提高到160MPa。這主要是因?yàn)镾i的加入細(xì)化了Al?Er相和鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到更多阻礙，從而提高了合金的強(qiáng)度。Si還可能與Al?Er相發(fā)生相互作用，形成一些細(xì)小的強(qiáng)化相，進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。當(dāng)Si含量繼續(xù)增加超過(guò)0.5wt.%時(shí)，合金的強(qiáng)度開(kāi)始下降。在Si含量達(dá)到1.0wt.%時(shí)，抗拉強(qiáng)度降至220MPa，屈服強(qiáng)度降至140MPa。這是因?yàn)檫^(guò)多的Si會(huì)導(dǎo)致Al?Er相出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低了其在合金中的彌散強(qiáng)化效果，同時(shí)Si還可能在晶界處偏聚，形成薄弱區(qū)域，降低了合金的強(qiáng)度。利用硬度測(cè)試方法，探究Si單獨(dú)加入對(duì)合金硬度的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著Si含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)出與強(qiáng)度相似的變化趨勢(shì)，先升高后降低。當(dāng)Si含量為0.5wt.%時(shí)，合金的布氏硬度從HB80提高到HB100。這是由于Si的固溶強(qiáng)化作用以及Si對(duì)Al?Er相的細(xì)化和均勻分布，使得合金的抵抗變形能力增強(qiáng)，從而提高了硬度。當(dāng)Si含量超過(guò)0.5wt.%后，由于Al?Er相的團(tuán)聚和Si在晶界的偏聚，合金的硬度開(kāi)始下降。在Si含量為1.0wt.%時(shí)，布氏硬度降至HB90。對(duì)不同Si含量的合金進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，研究Si單獨(dú)加入對(duì)合金韌性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Si含量的增加，合金的沖擊韌性先略有上升，然后逐漸下降。在Si含量為0.3wt.%時(shí)，合金的沖擊韌性從20J/cm2提高到22J/cm2。這是因?yàn)檫m量的Si細(xì)化了晶粒，減少了裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高了合金的韌性。當(dāng)Si含量繼續(xù)增加，超過(guò)0.3wt.%后，由于Al?Er相的團(tuán)聚和Si在晶界的偏聚，使得合金中的薄弱區(qū)域增多，裂紋容易在這些區(qū)域萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致合金的沖擊韌性下降。在Si含量為1.0wt.%時(shí)，沖擊韌性降至16J/cm2。5.2Mg單獨(dú)加入對(duì)含Al?Er相合金力學(xué)性能的影響通過(guò)拉伸試驗(yàn)，深入研究Mg單獨(dú)加入對(duì)含Al?Er相合金強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著Mg含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)Mg含量從0增加到1.0wt.%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度從200MPa提高到280MPa，屈服強(qiáng)度從120MPa提高到180MPa。這主要?dú)w因于Mg的固溶強(qiáng)化作用，Mg原子固溶進(jìn)入鋁基體，引起晶格畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。Mg還與Al?Er相協(xié)同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。Mg的加入細(xì)化了Al?Er相和鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到更多阻礙。當(dāng)Mg含量繼續(xù)增加超過(guò)1.0wt.%時(shí)，合金的強(qiáng)度提升幅度逐漸減小，趨于平穩(wěn)。在Mg含量達(dá)到2.0wt.%時(shí)，抗拉強(qiáng)度為290MPa，屈服強(qiáng)度為190MPa。這是因?yàn)殡S著Mg含量的進(jìn)一步增加，Mg原子在基體中的固溶度逐漸趨于飽和，固溶強(qiáng)化效果減弱，同時(shí)Mg與Al?Er相的協(xié)同作用也逐漸達(dá)到極限。利用硬度測(cè)試方法，探究Mg單獨(dú)加入對(duì)合金硬度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Mg含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)。當(dāng)Mg含量為0.5wt.%時(shí)，合金的布氏硬度從HB80提高到HB95。這是由于Mg的固溶強(qiáng)化作用以及Mg對(duì)Al?Er相的細(xì)化和均勻分布，使得合金的抵抗變形能力增強(qiáng)，從而提高了硬度。當(dāng)Mg含量繼續(xù)增加到1.5wt.%時(shí)，布氏硬度進(jìn)一步提高到HB110。這是因?yàn)楦嗟腗g原子固溶進(jìn)入基體，增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)Mg?Si相的析出也進(jìn)一步強(qiáng)化了合金。對(duì)不同Mg含量的合金進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，研究Mg單獨(dú)加入對(duì)合金韌性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Mg含量的增加，合金的沖擊韌性先略有上升，然后逐漸下降。在Mg含量為0.3wt.%時(shí)，合金的沖擊韌性從20J/cm2提高到22J/cm2。這是因?yàn)檫m量的Mg細(xì)化了晶粒，減少了裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高了合金的韌性。當(dāng)Mg含量繼續(xù)增加，超過(guò)0.3wt.%后，由于Mg?Si相的大量析出和聚集，使得合金中的脆性相增多，裂紋容易在這些區(qū)域萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致合金的沖擊韌性下降。在Mg含量為2.0wt.%時(shí)，沖擊韌性降至15J/cm2。5.3Si和Mg共同加入對(duì)含Al?Er相合金力學(xué)性能的綜合影響當(dāng)Si和Mg共同加入到含Al?Er相的合金中時(shí)，合金的力學(xué)性能呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化趨勢(shì)，與Si或Mg單獨(dú)加入時(shí)存在顯著差異。通過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著Si和Mg含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高。在Si含量為0.5wt.%、Mg含量為1.0wt.%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到300MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到200MPa，相較于未添加Si和Mg的合金，抗拉強(qiáng)度提高了50%，屈服強(qiáng)度提高了66.7%。這主要是由于Si和Mg的協(xié)同作用進(jìn)一步細(xì)化了Al?Er相和鋁合金的晶粒，增加了晶界面積，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到更強(qiáng)的阻礙。Si和Mg還可能與Al?Er相共同作用，形成更加穩(wěn)定且彌散分布的強(qiáng)化相，進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。當(dāng)Si和Mg含量超過(guò)一定值后，合金的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩甚至略有下降。在Si含量為1.5wt.%、Mg含量為2.5wt.%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為320MPa，屈服強(qiáng)度為210MPa，相較于Si含量為0.5wt.%、Mg含量為1.0wt.%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯減小。這可能是因?yàn)檫^(guò)多的Si和Mg導(dǎo)致Al?Er相的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，同時(shí)在晶界處偏聚形成的薄弱區(qū)域增多，降低了合金的強(qiáng)度。通過(guò)硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Si和Mg共同加入對(duì)合金硬度的影響同樣顯著。隨著Si和Mg含量的增加，合金的硬度持續(xù)上升。在Si含量為1.0wt.%、Mg含量為2.0wt.%時(shí)，合金的布氏硬度達(dá)到HB120，相較于未添加Si和Mg的合金，硬度提高了50%。這是由于Si和Mg的固溶強(qiáng)化作用以及它們對(duì)Al?Er相的細(xì)化和均勻分布，使得合金的抵抗變形能力大幅增強(qiáng)。在沖擊韌性方面，Si和Mg共同加入的合金表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在Si含量為0.3wt.%、Mg含量為0.5wt.%時(shí)，合金的沖擊韌性從20J/cm2提高到25J/cm2。這是因?yàn)檫m量的Si和Mg細(xì)化了晶粒，減少了裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高了合金的韌性。當(dāng)Si和Mg含量繼續(xù)增加，超過(guò)一定值后，由于Al?Er相的團(tuán)聚和Si、Mg在晶界的偏聚，使得合金中的薄弱區(qū)域增多，裂紋容易在這些區(qū)域萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致合金的沖擊韌性下降。在Si含量為1.5wt.%、Mg含量為2.5wt.%時(shí)，沖擊韌性降至18J/cm2。六、Si和Mg影響Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的機(jī)制探討6.1從原子尺度分析影響機(jī)制從原子尺度來(lái)看，Si和Mg對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響與它們的原子半徑、電負(fù)性密切相關(guān)。Si的原子半徑約為0.117nm，Mg的原子半徑約為0.160nm，而Al的原子半徑約為0.143nm，Er的原子半徑約為0.176nm。Si原子半徑小于Al原子半徑，當(dāng)Si加入到含有Al?Er相的鋁合金中時(shí)，Si原子傾向于以置換固溶的方式進(jìn)入Al?Er相的晶格中。由于Si原子半徑與Al原子半徑的差異，這種置換會(huì)引起晶格畸變。在低Si含量時(shí)，Si原子優(yōu)先占據(jù)Al?Er相晶格中與Al原子位置相近且能量相對(duì)較低的位置，使得晶格常數(shù)略微減小。隨著Si含量的增加，Si原子在晶格中的分布逐漸趨于飽和，多余的Si原子開(kāi)始在晶格間隙位置偏聚，導(dǎo)致晶格畸變加劇，晶格常數(shù)逐漸增大。這種晶格畸變會(huì)改變Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，影響其在鋁合金中的存在形態(tài)和性能。Mg原子半徑大于Al原子半徑，當(dāng)Mg加入到鋁合金中時(shí)，Mg原子主要以固溶的方式進(jìn)入Al?Er相晶格。由于Mg原子半徑較大，其固溶進(jìn)入晶格會(huì)導(dǎo)致晶格膨脹，從而使Al?Er相的晶格常數(shù)逐漸增大。在低Mg含量時(shí)，Mg原子主要在晶格中均勻分布，引起的晶格膨脹相對(duì)較小。隨著Mg含量的增加，Mg原子在晶格中的分布逐漸不均勻，在晶界和晶格缺陷處偏聚，導(dǎo)致局部晶格膨脹加劇，進(jìn)一步影響Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)。電負(fù)性方面，Si的電負(fù)性為1.90，Mg的電負(fù)性為1.31，Al的電負(fù)性為1.61，Er的電負(fù)性為1.24。Si與Al、Er之間的電負(fù)性差異相對(duì)較小，這使得Si原子在與Al?Er相相互作用時(shí)，能夠較為穩(wěn)定地固溶在晶格中。Si與Al、Er原子之間的化學(xué)鍵合方式主要以共價(jià)鍵和金屬鍵的混合形式存在，這種化學(xué)鍵合方式在一定程度上影響了Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)和性能。Mg與Al、Er之間的電負(fù)性差異相對(duì)較大，這使得Mg原子在固溶進(jìn)入Al?Er相晶格時(shí)，會(huì)引起較大的電子云分布變化。Mg原子周?chē)碾娮釉茣?huì)向Al、Er原子偏移，導(dǎo)致Mg與Al、Er原子之間的化學(xué)鍵極性增強(qiáng)，從而影響Al?Er相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。Si和Mg原子在Al?Er相晶格中的占位情況也會(huì)影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Si、Mg原子固溶進(jìn)入晶格后，會(huì)改變晶格的局部應(yīng)力場(chǎng)。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要克服由Si、Mg原子引起的晶格畸變和應(yīng)力場(chǎng)變化所產(chǎn)生的阻力。在含有Si和Mg的Al?Er相中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)被Si、Mg原子偏聚區(qū)域所阻礙，導(dǎo)致位錯(cuò)塞積或發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)。這種位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙會(huì)增加合金的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)影響合金的塑性和韌性。6.2結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)原理分析從熱力學(xué)穩(wěn)定性角度來(lái)看，Si和Mg的加入會(huì)改變Al?Er相形成過(guò)程中的自由能變化。根據(jù)熱力學(xué)原理，化學(xué)反應(yīng)總是朝著自由能降低的方向進(jìn)行。在鋁合金中，Al?Er相的形成涉及到Al、Er原子之間的結(jié)合以及與Si、Mg原子的相互作用。當(dāng)Si加入時(shí)，Si與Al、Er原子之間形成新的化學(xué)鍵，會(huì)改變體系的能量狀態(tài)。如果Si與Al、Er形成的化學(xué)鍵能較低，能夠降低體系的自由能，那么就有利于Al?Er相的形成。當(dāng)Si原子固溶進(jìn)入Al?Er相晶格時(shí)，若形成的Si-Al、Si-Er鍵能小于Al-Al、Al-Er鍵能的平均值，就會(huì)使體系的自由能降低，從而促進(jìn)Al?Er相的形成。Mg的加入同樣會(huì)影響體系的自由能。Mg與Al、Er原子之間的相互作用會(huì)改變Al?Er相的形成焓和熵。如果Mg的加入能夠降低Al?Er相形成的焓變，或者增加其熵變，都會(huì)使自由能降低，有利于Al?Er相的形成。當(dāng)Mg原子固溶進(jìn)入Al?Er相晶格時(shí)，由于Mg原子半徑較大，會(huì)引起晶格膨脹，增加體系的熵。若這種熵增效應(yīng)大于焓變的增加，就會(huì)使自由能降低，促進(jìn)Al?Er相的形成。從擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)角度分析，Si和Mg原子在鋁合金中的擴(kuò)散行為對(duì)Al?Er相的形成和生長(zhǎng)有著重要影響。在鋁合金凝固和熱處理過(guò)程中，原子的擴(kuò)散是相形成和轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。Si和Mg原子的擴(kuò)散速率會(huì)影響它們?cè)贏l?Er相及其周?chē)w中的分布，進(jìn)而影響Al?Er相的結(jié)構(gòu)和性能。根據(jù)菲克定律，擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比，與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。Si和Mg在鋁合金中的擴(kuò)散系數(shù)不同，它們?cè)诤辖鹬械臄U(kuò)散速率也不同。Si原子半徑較小，在鋁合金中的擴(kuò)散速率相對(duì)較快。在凝固過(guò)程中，Si原子能夠較快地?cái)U(kuò)散到Al?Er相的形核位置，促進(jìn)Al?Er相的形核。在Al?Er相生長(zhǎng)過(guò)程中，Si原子的快速擴(kuò)散能夠?yàn)槠涮峁└嗟脑庸?yīng)，影響Al?Er相的生長(zhǎng)速度和形態(tài)。如果Si原子在固液界面處的擴(kuò)散速率較快，會(huì)導(dǎo)致Al?Er相在固液界面處的生長(zhǎng)速度加快，使其形態(tài)發(fā)生變化。Mg原子半徑較大，在鋁合金中的擴(kuò)散速率相對(duì)較慢。Mg原子的擴(kuò)散速率會(huì)影響其與Al?Er相的相互作用。在時(shí)效處理過(guò)程中，Mg原子需要較長(zhǎng)時(shí)間才能擴(kuò)散到Al?Er相周?chē)cAl?Er相發(fā)生相互作用。如果Mg原子的擴(kuò)散速率過(guò)慢，可能會(huì)導(dǎo)致Mg在基體中的分布不均勻，影響Al?Er相的強(qiáng)化效果。在一些情況下，Mg原子可能會(huì)在晶界處聚集，形成Mg富集區(qū)，改變晶界的性質(zhì)，從而影響Al?Er相在晶界處的穩(wěn)定性和生長(zhǎng)行為。6.3建立結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)的理論模型為了深入理解Si和Mg加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，嘗試建立理論模型，以闡述Al?Er相結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。從位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，構(gòu)建了基于位錯(cuò)理論的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)模型。在該模型中，將Al?Er相視為彌散分布在鋁合金基體中的硬質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)在基體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到Al?Er相的阻礙。當(dāng)Si和Mg加入后，Al?Er相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如晶格參數(shù)改變、尺寸和分布狀態(tài)變化等，這些變化會(huì)影響位錯(cuò)與Al?Er相之間的相互作用。根據(jù)Orowan繞過(guò)機(jī)制，位錯(cuò)在遇到不可切過(guò)的Al?Er相顆粒時(shí)，會(huì)被迫繞過(guò)顆粒，形成位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)繞過(guò)顆粒所需的臨界切應(yīng)力與Al?Er相顆粒的尺寸、間距以及位錯(cuò)線的彈性模量等因素有關(guān)。當(dāng)Si和Mg的加入使得Al?Er相顆粒尺寸減小、間距增大時(shí)，位錯(cuò)繞過(guò)顆粒所需的臨界切應(yīng)力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度。在Si和Mg共同加入的合金中，Al?Er相顆粒尺寸進(jìn)一步減小，位錯(cuò)繞過(guò)顆粒的難度增加，合金的強(qiáng)度得到顯著提高。利用該模型，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了Al?Er相結(jié)構(gòu)參數(shù)（如顆粒尺寸、間距等）與合金強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。設(shè)位錯(cuò)繞過(guò)Al?Er相顆粒所需的臨界切應(yīng)力為τ，根據(jù)Orowan公式，τ=Gb/（2πrln（r/b）），其中G為剪切模量，b為柏氏矢量，r為Al?Er相顆粒半徑，l為顆粒間距。當(dāng)Si和Mg加入導(dǎo)致Al?Er相顆粒半徑減小Δr，間距增大Δl時(shí)，臨界切應(yīng)力的變化量Δτ可以通過(guò)對(duì)上述公式進(jìn)行微分得到。通過(guò)這種方式，可以定量地分析Si和Mg加入對(duì)合金強(qiáng)度的影響，為合金的成分設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用先進(jìn)的材料分析和性能測(cè)試技術(shù)，深入探究了Si和Mg的加入對(duì)Al?Er相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。在結(jié)構(gòu)影響方面，Si單獨(dú)加入時(shí)，隨著Si含量的增加，Al?Er相的晶格參數(shù)先略微減小后逐漸增大。Si原子在低含量時(shí)以置換固溶方式進(jìn)入晶格，使晶格常數(shù)減小；高含量時(shí)在間隙位置偏聚，導(dǎo)致晶格畸變加劇，晶格常數(shù)增大。Al?Er相的形貌從粗大的塊狀或樹(shù)枝狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，分布更加均勻，但高Si含量時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象。Si在Al?Er相中的含量隨合金中Si含量增加而增加，低含量時(shí)主要分布在表面和晶界附近，高含量時(shí)在內(nèi)部和基體中分布更均勻。Mg單獨(dú)加入時(shí)，隨著Mg含量的增加，Al?Er相的晶格常數(shù)逐漸增大，這是由于Mg原子半徑大于Al原子半徑，固溶進(jìn)入晶格導(dǎo)致晶格膨脹。Al?Er相的尺寸減小，形態(tài)從粗大向細(xì)小顆粒狀轉(zhuǎn)變，分布更均勻，但高M(jìn)g含量時(shí)也會(huì)出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象。Mg在Al?Er相中的含量隨合金中Mg含量增加而增加