AL-Mg-SI-Cu合金凝固與時(shí)效過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變的定量表征.pdf

1、6XXX系列Al-Mg-Si合金由于其優(yōu)異的抗腐蝕性、良好的可加工性以及時(shí)效硬化后的高比強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天及建筑等領(lǐng)域。其極低的回收使用成本和對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的突出貢獻(xiàn)使Al-Mg-Si合金在能源與資源逐漸耗竭的背景下尤為重要。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)Cu元素的添加能提高Al-Mg-Si合金的時(shí)效硬化效果，但其原因目前還未準(zhǔn)確闡明。材料的力學(xué)性能是由其微觀結(jié)構(gòu)決定的，因此本研究旨在從微觀結(jié)構(gòu)角度，研究Cu元素對(duì)鋁合金析出過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)演變

2、的影響。
　　本研究主要采用透射電子顯微術(shù)，結(jié)合掃描電子顯微術(shù)、三維原子探針、硬度測(cè)試及X射線衍射等表征技術(shù)來(lái)研究材料微觀結(jié)構(gòu)。首先對(duì)兩個(gè)分別不含Cu及含0.1 wt.％ Cu的6005合金在時(shí)效硬化過(guò)程中的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的比較研究，發(fā)現(xiàn)了微量Cu元素添加對(duì)時(shí)效析出序列的顯著影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)一個(gè)6111Al-Mg-Si-Cu合金在凝固、固溶、時(shí)效早中晚期全過(guò)程中的顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能演變進(jìn)行了詳盡的研究，并對(duì)Cu在

3、整個(gè)材料制備過(guò)程中的作用機(jī)理做了系統(tǒng)地闡述。本工作得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)比較兩個(gè)6005合金，發(fā)現(xiàn)微量Cu元素的添加顯著地改變合金在150℃時(shí)效硬化過(guò)程中的析出序列。在含Cu合金中發(fā)現(xiàn)了一種沿{111}Al面生長(zhǎng)的片狀G.P.區(qū)。由于Cu的添加，合金欠時(shí)效階段的析出速率明顯加快。而過(guò)時(shí)效階段由于含Cu的板條狀Q'及Q相的生成，吸收了Mg和Si溶質(zhì)元素，從而減少了脆性β和Si顆粒的生成，導(dǎo)致其硬度高于經(jīng)相同熱處理的無(wú)C

4、u合金。
　　(2)在6111合金的凝固過(guò)程中，除基體相α-Al外，先后生成了1.14±0.06 vol.％的具有樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)的含Cu的Q相顆粒和0.65±0.33 vol.％的狹長(zhǎng)葉片狀Si顆粒。研究發(fā)現(xiàn)均勻分布的Q相顆粒傾向于沿凝固方向生長(zhǎng)，與基體之間存在一種新的不存在于時(shí)效結(jié)構(gòu)中的取向關(guān)系。而Si顆粒傾向于在晶界處富集，并通過(guò)在內(nèi)部形成孿晶的方式來(lái)降低其形核能。Q相顆粒在固溶過(guò)程中能迅速溶解，有利于在時(shí)效過(guò)程中形成均勻的晶內(nèi)結(jié)

5、構(gòu)，而Si顆粒在晶界處的聚集則導(dǎo)致了過(guò)時(shí)效階段Si析出相在晶界處的重新出現(xiàn)以及無(wú)析出區(qū)（Precipitate-freezones）的形成。此外，通過(guò)對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行基于Scheil模型的熱力學(xué)模擬，得到了與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值相吻合的各相體積分?jǐn)?shù)，各相的凝固行為也得到合理的解釋。
　　(3)6111合金在175℃的時(shí)效析出序列為:過(guò)飽和固溶體→原子團(tuán)簇→G.P.區(qū)→β"+C→Q+Si。研究發(fā)現(xiàn)Cu存在于除Si相以外的整個(gè)析出序列中。本工作第

6、一次發(fā)現(xiàn)了Al-Mg-Si-Cu合金欠時(shí)效階段的G.P.區(qū)具有體心四方晶格，晶胞參數(shù)為a=b=0.296nm，c=0.405nm，與基體的晶格錯(cuò)配度為3.09％。在峰時(shí)效階段及稍后階段，合金中主要存在β"析出相，并有少量C析出相。通過(guò)高角環(huán)形暗場(chǎng)-掃描透射顯微技術(shù)，觀察到Cu存在于β"和C的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。其中Cu占據(jù)β"單胞中的Si3和Mg1位置，并優(yōu)先占據(jù)每對(duì)Si3原子中的其中一個(gè)位置。通過(guò)三維原子探針技術(shù)得出的β"相成分為28.6 at

7、.％Al-38.7 at.％ Mg-26.5 at.％ Si-5.17 at.％ Cu，該成分表明含Cu合金中的β"相的Mg1和Si3位置主要被Al和Cu替代，這一結(jié)果對(duì)Al-Mg-Si-Cu合金成分設(shè)計(jì)有重大指導(dǎo)作用。研究還發(fā)現(xiàn)C相和基體間存在上下兩種不同的界面，上界面的原子排列為f.c.c.型，晶格錯(cuò)配度很小，下界面近似b.c.c.型，晶格錯(cuò)配度很大，這種界面結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)析出硬化效應(yīng)。
　　(4)本研究在研究方法上做出了以下

8、創(chuàng)新:建立了一種精確模擬Al合金中的含12種等效取向的析出相的復(fù)雜衍射譜的方法并成功應(yīng)用與Ni-Ti形狀記憶合金等體系;通過(guò)三維原子探針與高分辨透射電子顯微圖片的結(jié)合第一次定量測(cè)量了欠時(shí)效6111合金中原子團(tuán)簇及G.P.區(qū)的體積分?jǐn)?shù);結(jié)合會(huì)聚束電子衍射及明場(chǎng)像圖片等精確測(cè)定了6111合金時(shí)效過(guò)程中板條狀/棒狀Q相納米粒子的體積分?jǐn)?shù);建立了一套測(cè)定各種尺度析出相體積分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)方法，由此對(duì)6111合金制備全過(guò)程中各尺度析出物的體積分?jǐn)?shù)演變進(jìn)