论文总字数：15483字

摘 要

旋凝法是一种新型的快速凝固技术，是将熔融态合金喷射到旋转的铜辊上来制备纳米晶、非晶带材。本文通过旋凝法制备出5083铝合金薄带。光学显微镜观察显示5083铝合金薄带具有细晶组织。透射电镜分析显示晶粒内具有高的位错密度，几乎没有析出相，指出绝大部分合金元素处于固溶状态。旋凝5083铝合金薄带的显微硬度约101HV（987MPa），较高的硬度归因于细小晶粒和高的位错密度。对旋凝态5083Al合金薄带进行压下量50%的冷轧，透射电镜分析指出位错密度进一步提高，导致显微硬度增加到146HV（1429MPa）。

关键词：旋凝；5083铝合金；微观结构；力学性能

Abstract

As a new type of rapid solidification technology, Melt spinning is to spray molten alloy onto the rotating copper roller to prepare nanocrystalline and amorphous strip.In this paper, Preparation of 5083 aluminum alloy by the melt spinning.The results of optical microscope show that 5083 aluminum alloy thin strip has fine grain structure.TEM analysis showed that there was a high dislocation density and almost no precipitates in the grains, indicating that most of the alloy elements were in solid solution state.The microhardness of 5083 Al alloy strip is about 101hv (987MPa). The higher hardness is attributed to fine grains and high dislocation density.The spinning 5083al alloy strip was cold rolled by 50% reduction,TEM analysis showed that the dislocation density was further increased, resulting in the increase of microhardness to 146hv (1429mpa).

Keywords: 5083 aluminum alloys；Melt spinning；Microstructure；Mechanical property

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2 材料强化的几种机理 2

1.2.1 固溶强化 2

1.2.2 弥散强化 2

1.2.3 细晶强化 2

1.2.4 位错强化 2

1.3铝合金材料概述 3

1.4微制造技术在铝合金中的应用 4

1.4.1超音速气体雾化法 4

1.4.2旋凝法 4

1.5旋凝法发展现状 5

1.6本课题研究的目的、内容和意义 6

1.6.1研究目的和意义 6

1.6.2研究内容 6

1.7本课题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响 6

第2章 实验及测试方法 7

2.1实验材料及工艺流程 7

2.1.1原材料成分 7

2.1.2工艺路线 7

2.2实验方法 8

2.2.1旋凝实验 8

2.2.2轧制实验 10

2.3分析测试方法 11

2.3.1光学显微镜分析 11

2.3.2透射电镜分析 11

2.4性能测试 11

2.4.1维氏显微硬度测定 11

2.5 本章小结 11

第3章 旋凝法制备5083铝合金及其轧制处理 12

3.1引言 12

3.2实验过程 12

3.3比较旋凝态与旋凝 轧制态的微观组织 13

3.4比较旋凝态与旋凝 轧制态的显微维氏硬度 16

3.5实验结果分析与讨论 18

结 论 19

参考文献 20

致 谢 22

附录 23

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

科学技术的发展需要更加良好的材料。在一些高性能、高精度、快速制备材料的领域，传统的铸造方法无法满足现有的要求，一种新的铸造方法开始出现，引起了人们的关注。

随着航天工业、国防工业、生物工程、微机械工业和现代高精度医学的发展，对精密和微小零件的需求日益增加。微零件和相应微器件的结构形状、材料、尺寸和表面质量都非常精确，这就对材料的理化性能、结构功能和质量可靠性提出了越来越高的要求[1]。

近20年来，微制造越来越受到人们的关注。制造产品包括微机械系统、微医疗器械系统、微小反应堆、微燃料电池等，微薄片零件是构成这些微系统的常见零件。微薄带零件是指厚度在几十微米到几百微米、长宽几毫米的平面零件，如微筛（用于过滤）、微手术刀、微弹簧、微齿轮等，许多微薄带零件需要承受高载荷[2]。使用高强铝合金制备的带材具有重要意义，纳米晶/超细晶材料铝合金以低密度和高强度作为极佳的微薄带零件材料广受瞩目[3]。

对于应用广泛的5083合金来说，传统铸造工艺会在合金中形成大量初生析出相，且这些初生析出相也比较粗大，难以通过热处理和热加工而进行固溶，因而材料各方面性能都会受到负面影响。目前，通过现有的RS/PM工艺和高压气体雾化制备的精细晶体结构的冷却速度不足以完全溶解基体中的合金元素，从而减少了块体材料中纳米沉淀的数量[4]，因此有必要选取一种较其相比冷却速度更高的快速凝固方式使得合金元素充分固溶。电沉积和旋凝（又称甩带）是制备高强度带材常用的两种方法，然而电沉积不仅沉积速率低，而且对于多元合金带材而言很难精确控制成分[5]；旋凝能够克服这两个缺点，是制备高强度带材的理想方法。

在具有足够高的过冷度的同时，可以直接制备出晶粒为纳米级别的晶粒，使用旋凝法便是获得这种材料的一种较好的方式。使用旋凝法制备铝合金薄带含有相对较高的位错密度，且相对于粗晶合金具有更高的显微硬度，这对我们制备高强度带材有着重要意义[6]。

1.2 材料强化的几种机理

1.2.1 固溶强化

当其他金属固溶在基体金属中时，就产生了固溶体，固溶体主要分为了两类：置换式固溶体和间隙式固溶体，置换指其他金属替换了基体金属的位置，占据了基体金属的晶格，间隙指其他金属位于基体金属的间隙中，这两种方式由于基体金属和其他金属原子大小不同，内部应力场畸变，使得晶格也发生畸变，阻碍了位错的运动，金属不能发生弹性形变，强度上升。

1.2.2 弥散强化

弥散强化是指金属基体中弥散分布的一些细小的，稳定性好的第二相颗粒的附近产生了应力场，这些“应力场”通过阻碍位错的运动，使位错发生缠结，提高了基体的强度，位错缠结的解释是共格理论，微粒与基体金属处于共格和半共格状态下，弹性畸变会非常高，强度和硬度同时提高。材料不仅获得了高强度，还有良好的塑韧性，此外，与基体金属相比，弥散相通常只占极少的体积分数，因此基体金属的物理和化学性质不会发生明显变化，这优于固溶强化。

1.2.3 细晶强化

多晶体材料中，当晶粒尺寸较小时，两晶粒之间的晶界会产生很大的夹角，这种大晶界角会导致当其中一个晶粒发生运动时，由于晶界角过大，力难以继续传递，使得位错发生缠结，提高了基体强度。而当晶粒尺寸到达纳米级后，这种效应会更为显著，是由于纳米晶内的位错密度不高，降低了晶界效应。

1.2.4 加工硬化

材料经过冷加工后，冷变形使得材料内部的晶粒被压扁、拉长，晶粒的这种形变使得晶体内部的位错发生缠结，产生了应力场，有残余应力。这种变形会阻碍金属的弹性形变，在提高金属的强度的同时降低了塑韧性。在冷加工过程中弥散强化和固溶强化的效果也会有所体现。共同的解释是位错理论，位错密度升高导致材料的硬度上升。

1.3铝合金材料概述

铝是银白色的轻质金属、较为柔软、无磁性、延展性良好。作为地壳中含量最丰富的金属元素，存在于地球各处。

铝合金作为一种良好的有色金属结构材料，目前广泛应用于各种工业领域，随着工业的迅速发展, 人们需求越来越多的铝合金结构材料, 加深了铝合金的研究。铝合金的高强度与低密度的组合更是理想的合金材料。当前, 合金中应用最多的就是铝合金[7，8]。

5083铝合金属于铝-镁系, 该合金密度低、塑性好、抗蚀性好且有一定的抗拉强度,其成分表如表1-1所示，使用5083铝合金的原因是其具有良好的焊接性和耐蚀性，非常适合应用于微制造领域[9]。且5083铝合金应用广泛，是合适的研究对象。

表1-1 5083铝合金化学成分(质量分数)%[10]

1.4微制造技术在铝合金中的应用

微制造技术所需要的的原材料往往由快速凝固技术制备，快速凝固技术的特点是其可以使合金熔体快速冷却，合金熔体会获得较大的初始过冷度，更高的形核率，并在这一过程中达到较高的凝固速度，使得合金获得细小均匀且性能良好的的凝固组织。快速凝固技术可分为两大种类：其中一种是在熔融合金冷凝时增大传热速率，以增大冷凝过程中的冷却速率，使熔体的形核时间非常短，只可以在低温度下发生结晶过程，合金凝固时的过冷度以及冷凝速率都很高，称为急速冷却凝固技术；另一种是为金属提供均匀形核的冷却环境，使合金具有大的过冷度，以提高合金冷凝速度，称为大过冷技术。凝固速度太快使得运用快速凝固技术生成的晶体很难达到固液平衡状态，冷却初期形成的晶核具有过冷度高、生长快的特点，因此与传统合金相比，快速凝固技术形成的最终材料具有不同的结构特征[11]。

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