AL-Mg-SI-Cu合金凝固與時效過程中微觀結構演變的定量表征.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效硬化后的高比強度，廣泛應用于汽車、航空航天及建筑等領域。其極低的回收使用成本和對燃油經(jīng)濟性的突出貢獻使Al-Mg-Si合金在能源與資源逐漸耗竭的背景下尤為重要。近年來的研究發(fā)現(xiàn)Cu元素的添加能提高Al-Mg-Si合金的時效硬化效果，但其原因目前還未準確闡明。材料的力學性能是由其微觀結構決定的，因此本研究旨在從微觀結構角度，研究Cu元素對鋁合金析出過程微觀結構演變

2、的影響。
　　本研究主要采用透射電子顯微術，結合掃描電子顯微術、三維原子探針、硬度測試及X射線衍射等表征技術來研究材料微觀結構。首先對兩個分別不含Cu及含0.1 wt.％ Cu的6005合金在時效硬化過程中的力學性能及微觀結構進行了系統(tǒng)的比較研究，發(fā)現(xiàn)了微量Cu元素添加對時效析出序列的顯著影響。在此基礎上，對一個6111Al-Mg-Si-Cu合金在凝固、固溶、時效早中晚期全過程中的顯微結構及力學性能演變進行了詳盡的研究，并對Cu在

3、整個材料制備過程中的作用機理做了系統(tǒng)地闡述。本工作得到的主要結論如下:
　　(1)通過比較兩個6005合金，發(fā)現(xiàn)微量Cu元素的添加顯著地改變合金在150℃時效硬化過程中的析出序列。在含Cu合金中發(fā)現(xiàn)了一種沿{111}Al面生長的片狀G.P.區(qū)。由于Cu的添加，合金欠時效階段的析出速率明顯加快。而過時效階段由于含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，導致其硬度高于經(jīng)相同熱處理的無C

4、u合金。
　　(2)在6111合金的凝固過程中，除基體相α-Al外，先后生成了1.14±0.06 vol.％的具有樹枝晶結構的含Cu的Q相顆粒和0.65±0.33 vol.％的狹長葉片狀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，與基體之間存在一種新的不存在于時效結構中的取向關系。而Si顆粒傾向于在晶界處富集，并通過在內(nèi)部形成孿晶的方式來降低其形核能。Q相顆粒在固溶過程中能迅速溶解，有利于在時效過程中形成均勻的晶內(nèi)結

5、構，而Si顆粒在晶界處的聚集則導致了過時效階段Si析出相在晶界處的重新出現(xiàn)以及無析出區(qū)（Precipitate-freezones）的形成。此外，通過對凝固過程進行基于Scheil模型的熱力學模擬，得到了與實驗測定值相吻合的各相體積分數(shù)，各相的凝固行為也得到合理的解釋。
　　(3)6111合金在175℃的時效析出序列為:過飽和固溶體→原子團簇→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，與基體的晶格錯配度為3.09％。在峰時效階段及稍后階段，合金中主要存在β"析出相，并有少量C析出相。通過高角環(huán)形暗場-掃描透射顯微技術，觀察到Cu存在于β"和C的結構當中。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Si3原子中的其中一個位置。通過三維原子探針技術得出的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，這一結果對Al-Mg-Si-Cu合金成分設計有重大指導作用。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，晶格錯配度很小，下界面近似b.c.c.型，晶格錯配度很大，這種界面結構有利于增強析出硬化效應。
　　(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雜衍射譜的方法并成功應用與Ni-Ti形狀記憶合金等體系;通過三維原子探針與高分辨透射電子顯微圖片的結合第一次定量測量了欠時效6111合金中原子團簇及G.P.區(qū)的體積分數(shù);結合會聚束電子衍射及明場像圖片等精確測定了6111合金時效過程中板條狀/棒狀Q相納米粒子的體積分數(shù);建立了一套測定各種尺度析出相體積分數(shù)的系統(tǒng)方法，由此對6111合金制備全過程中各尺度析出物的體積分數(shù)演變進