汽車車身用Al-Mg-Si-Cu合金中析出相演變和熱處理工藝研究.pdf

1、Al-Mg-Si-Cu合金由于具有中高等強度，良好的成形性及耐蝕性，且焊接性好，烘烤后表面質(zhì)量高，熱處理強化效應(yīng)明顯，是目前汽車車身輕量化的關(guān)鍵材料，廣泛用于汽車車身的覆蓋件，如車頂蓋，后行李箱蓋板，引擎蓋及車門等。該合金主要通過熱處理過程中形成一系列的具有納米尺寸且彌散分布的析出相使合金獲得強化，而理解這些析出相在熱處理過程中的演變機制及其與合金性能的本征關(guān)系對于提高合金的性能具有重要意義。此外Al-Mg-Si-Cu合金應(yīng)用在汽車車身

2、上，需要使合金同時具有良好的成形性和烘烤硬化性，而達(dá)到這一性能要求需要在深入理解析出相演變機制的基礎(chǔ)上對合金的成分和熱處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本文以商用的AA6022鋁合金為基礎(chǔ)合金，設(shè)計了一系列不同Mg/Si比和Cu含量的Al-Mg-Si-Cu合金，主要采用透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM）、原子分辨率的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、三維原子探針（3DAP）、硬度測試、拉伸測試、DS

3、C熱分析，結(jié)合第一性原理計算和蒙特卡洛模擬，系統(tǒng)的研究了Al-Mg-Si-Cu合金中析出相的結(jié)構(gòu)和成分演變機制；合金成分對合金自然時效和人工時效過程中團簇和析出相的影響規(guī)律；探索預(yù)處理工藝對合金自然時效和烘烤硬化性的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①Al-Mg-Si-Cu合金180oC人工時效初期及峰值階段形成的析出相（包括β″， Q″和L相）基本都為原子非周期性排列的無序結(jié)構(gòu)析出相，這些無序析出相的內(nèi)部分別包含β″，Q′和C單胞

4、或亞結(jié)構(gòu)。其中Cu cluster-likezones是構(gòu)成Al-Mg-Si-Cu合金中含Cu析出相的穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)單元，對提高析出相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了重要作用。Cu cluster-likezones在析出相內(nèi)擴散困難是導(dǎo)致析出相出現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)的根本原因。②合金時效過程中，無序結(jié)構(gòu)的析出相會通過一系列有序化過程逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛭龀鱿?，其中β″相會首先通過Cu原子的進(jìn)入和Cu cluster-likezones的形成先轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)Q″相，Q″

5、相再通過有序化過程轉(zhuǎn)變?yōu)镼′相。Q″相的有序化主要包括Cu cluster-likezones的形成，Si網(wǎng)格的有序化和Cu網(wǎng)格的有序化三個階段。而L相的有序化和轉(zhuǎn)變過程非常緩慢，相比于Q′相，L相更容易以無序結(jié)構(gòu)存在，且L相具有較強的強化能力和良好的熱穩(wěn)定性，可以有效提高合金的強度和熱穩(wěn)定性。在長期過時效后，所有的析出相（包括 Q′，L/C相）都將轉(zhuǎn)變?yōu)?Q平衡相。Al-Mg-Si-Cu合金最新的析出序列應(yīng)為SSSS→原子團簇→GP區(qū)

6、→β″, Q″, L/C→Q′, L/C→Q, Si。時效過程中伴隨著析出相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，析出相內(nèi)的Mg，Si和Cu原子含量逐漸升高，而Al原子含量逐漸降低。③Al-Mg-Si-Cu合金的性能主要通過同時調(diào)控合金的Mg/Si比和Cu含量來控制。在自然時效過程中，過剩 Si和 Cu都可以提高合金的自然時效硬化速率，由于Si原子在自然時效時團簇(1)的形成起到主導(dǎo)作用，因而Si原子促進(jìn)合金的自然時效硬化更為明顯。人工時效時，對于低 Cu合金，

7、過剩 Si合金的人工時效硬化效應(yīng)高于過剩Mg合金，且Mg/Si比為1時，合金峰值硬度最高；而對于高Cu合金，過剩Mg高Cu合金具有更高的時效析出動力學(xué)和熱穩(wěn)定性，這是由于Cu和Mg原子之間強烈的相互作用使原子團簇細(xì)化，且過剩Mg和Cu的添加可以促進(jìn)L相的形成，使合金具有良好的熱穩(wěn)定性。此外，在低Cu合金中自然時效的有害作用隨Mg/Si比的增大而增加，而在高Cu合金中，自然時效的有害作用與Mg/Si比無關(guān)。④新設(shè)計的過剩Mg高Cu合金與目

8、前商用的6022鋁合金相比，不僅具有較低的T4態(tài)屈服強度，而且在人工時效過程中具有更高的析出動力學(xué)，烘烤硬化性和熱穩(wěn)定性，且對耐蝕性影響不大，在汽車車身板的應(yīng)用上具有巨大潛力。⑤預(yù)時效在較大的溫度范圍內(nèi)（80oC-170oC）均能有效抑制合金的自然時效并提高合金的烘烤硬化性。預(yù)時效過程中形成的團簇(2)可以有效抑制自然時效過程中團簇(1)的形成，在人工時效時團簇(2)能夠很容易的轉(zhuǎn)化為β″相，促進(jìn)合金的烘烤硬化效應(yīng)。本研究中最佳的預(yù)時效

9、工藝為100oC-3h，該工藝在顯著提高合金烘烤硬化性的同時，使合金具有較低的 T4P態(tài)屈服強度。相比于預(yù)時效，中斷淬火工藝在抑制合金自然時效，提高烘烤硬化性的同時，可以大幅加速合金預(yù)處理的效率。本研究中最佳的中斷淬火工藝為100oC-45min，合金性能與預(yù)時效100 oC-3h合金相似，但預(yù)處理時間大幅縮短。但是中斷淬火工藝容易導(dǎo)致合金晶界附近出現(xiàn)粗大的淬火誘發(fā)第二相和晶間無析出帶，對合金的斷裂韌性造成不利影響。⑥預(yù)變形工藝雖然可以