合金热力学综述.doc

Al—Mg—Mn—Zr—Er合金组元相互作用与相变热力学研究 摘要 合金热力学性质是生产应用的理论研究基础，是材料显微结构和性能差异的 因素之一，具有重要的理论意义和实际价值。因此有必要借助于理论计算来预测 合金的热力学性质。但目前对稀土多元合金的热力学实验数据测定有限，尤其是三元及多元合金系统的热力学数据比较缺乏，因此有必要借助于理论计算来预测 合金的热力学性质，合金的生成焓是重要的热力学数据之一。 稀土元素指的是在元素周期表中镧系的 15 位元素再加上钪钇等元素，他们 比较特殊，除尺寸因素之外，还具有特殊的原子和离子状态的电子组态,它们在自然界中可以共存。在五系铝合金中添加稀土元素 Er 和过渡元素 Zr 后具有独特的物理和化学性质，合金的组织与性能均有明显的的改善，这就与其合金元素的相互作用有关。 关键词：合金热力学 稀土元素 Al—Mg—Mn—Zr—Er合金 1 稀土元素在铝合金中的作用 1.1稀土元素的基本性质和结构特点 稀土元素指的是在元素周期表中镧系的 15 位元素再加上钪钇等元素，他们比较特殊，除尺寸因素之外，还具有特殊的原子和离子状态的电子组态,它们在自然界中可以共存。Gschneidner 和 Calderwood[1]给出了稀土金属的高温晶体结构和点阵常数,298K 及以下温度的晶体结构和相关的性质,稀土金属的相转变温度以及熔点温度,稀土金属的沸点及潜热等数据。 除钪以外的稀土元素按其物理化学性质的微小差别和稀土矿物的形成特点 以及分离工艺的要求，把他们分成轻稀土和重稀土两类。以钆为界，钆以前的镧、铈、镨、钕、钷, 钐和铕 7 个元素为轻稀土或铈组稀土元素；钆和钆以后的铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇等 9 个元素为重稀土或钇组稀土元素。因为钇的原子半径在重稀土元素范围内，化学性质又和重稀土元素相似，且在自然界常常与重稀土共生共存，所以归为重稀土。 稀土元素位于周期表中第三副族（IIIB 族），而且镧及其后面的 14 种元素 （57～71 号）位于周期表中的同一族系，这 15 种元素性质相似。同属于 IIIB 族的钇(39号)的原子半径接近于镧,而且钇位于镧系元素离子半径递减顺序的中间位置, 因而钇和镧系元素的化学性质非常近似。稀土元素所处的这种特殊周期表位置使它们的许多性质(如电子能级,离子半径等)只呈现微小而近乎连续的变化。 稀土元素的最外两层的电子组态基本相似，主量子数小的 4f 电子越过主量子数大的 5s5p 电子而先失去。如果 5d 轨道上有电子，4f 电子的能级就会大大降低，但此处 5d 轨道上没有电子填充。稀土元素是典型的金属元素，在化学反应中表现出典型的金属性质，易失去三个电子，即两个最外层的电子和一个 f 电子，呈正三价，他们的金属性仅次于碱金属和碱土金属，比其他金属元素活泼。稀土能和非金属形成正常价化合物，也能和许多金属元素形成金属间化合物，且形成的金属间化合物种类繁多。 稀土元素具有特殊的性质,添加少量的稀土元素可以极大的影响材料的组织 与性能。目前国际上把稀土元素誉为新技术革命的战略元素、高技术的生长点、新材料的宝库[2]。 稀土与合金元素之间相互作用 稀土元素在铝及其合金中具有很多积极的作用,主要表现在 3 个方面:(1)变质作用：加入适量的稀土元素,能够有效的减小铝合金的枝晶间距,细化铸态晶粒(2)净化作用：由于稀土元素具有很高的化学活泼性,与 H2、Fe、S 等杂质元素具有强烈的化学亲和力,可以和各种杂质元素形成化合物,因而消除了 H2、Fe、S等有害杂质元素的影响 (3)微合金化作用:稀土元素与铝以及合金元素能发生微合金化作用,对铝合金性能起到一定的改性作用。 稀土在不同的合金体系中所起的作用是不相同的。稀土在合金中所起的作用 还与具体的温度、成分、近年来我国稀土铝合金的研究、开发和应用发展很快。迄今为止,稀土铝合金的研究往往集中在几种稀土如 La、Ce、Y、Sc 及混合稀土在铝合金中的变质及净化作用方面,对其它应用方面特别是强韧化、焊接及耐蚀方面的作用则很少进行研究。事实上,国外特别是俄罗斯早在 20 世纪 70 年代初期就发现了 Sc 在铝合金中的积极作用,并对其进行了系列的研究,并由此开发了一系列先进的含 Sc 铝合金如 01515, 01523, 01535, 01545, 01570 和0157, 改善了锻造铝镁合金的综合性能,并且扩大了其应用领域。但是 Sc 战略性元素,价格昂贵。因此,寻找一种有效替代钪的稀土元素是近年来的研究热点[3]。 2 稀土铝合金热力学性质 2.1纯组元的热力学性质 纯组元 i 的 Gibbs 自由能均以其在 298.15K 下稳定态的焓(HSER)为标准参考态来表示： 上式中参数 a,b...