汽車用高性能鋁合金強(qiáng)化析出相的演變及調(diào)控.pdf

1、在原子尺度揭示硬化析出相結(jié)構(gòu)和成分的變化是理解和調(diào)控復(fù)雜多相合金微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，對(duì)開發(fā)高性能合金材料非常重要。本論文以各種先進(jìn)的電子顯微學(xué)方法和性能測(cè)試為手段，結(jié)合計(jì)算分析，以重要的汽車用時(shí)效強(qiáng)化鋁合金為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了鋁合金中硬化納米析出相的結(jié)構(gòu)演變及其與性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：
　　1.利用電子顯微學(xué)方法研究 Al-Si合金時(shí)效過(guò)程 Si顆粒界面處的析出情況，以及 Al-Si-Mg合金 Si顆粒球化處理對(duì)時(shí)效過(guò)程硬化

2、相析出的影響。退火過(guò)程中共晶硅顆粒上可以析出連續(xù)多重{111}[112]型納米孿晶，其有時(shí)具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如三重和四重孿晶，以及多晶材料不多見的封閉五重孿晶。延長(zhǎng) A356合金的球化處理時(shí)間對(duì)后續(xù)人工時(shí)效硬度響應(yīng)有不利影響，其本質(zhì)原因是 Mg元素偏聚降低了基體中用于形成強(qiáng)化相的Mg含量。
　　2.結(jié)合定量高分辨率電子顯微學(xué)、環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微學(xué)和計(jì)算分析建立了Al-Mg-Si-(Cu)合金中不同析出相在原子尺度的結(jié)構(gòu)演

3、變物理冶金圖像。本文的發(fā)現(xiàn)對(duì)揭示 Mg/Si含量比和Cu含量對(duì)Al-Mg-Si-Cu合金顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響非常重要，通過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)效工藝控制析出方式可以優(yōu)化合金性能。另外，本文提供的演變規(guī)律可以作為理解添加多余元素(如 Ag和過(guò)渡金屬)的Al-Mg-Si合金析出機(jī)制的基礎(chǔ)。
　　3.添加Cu會(huì)顯著提升Al-Mg-Si合金的早期時(shí)效硬化潛力和速率，即使Mg/Si比是2的Al-Mg-Si-Cu合金的時(shí)效動(dòng)力學(xué)也很快。通過(guò)優(yōu)化合金成

4、分配比，本文提出了一種新的用于制備汽車車身用Al-Mg-Si-Cu合金板材的成分范圍(Mg/Si含量比1~2)，既提高了鋁合金板材的加工成形性和烤漆后的強(qiáng)度，又保證了其使用過(guò)程中性能的穩(wěn)定。
　　4.結(jié)合形變和時(shí)效，提出一種調(diào)控鋁合金時(shí)效過(guò)程中納米析出相的新策略。通過(guò)控制軋制前合金元素的聚集和分布狀態(tài)以及后續(xù)時(shí)效工藝，可以使鋁合金強(qiáng)度顯著上升但塑性保持不變。通過(guò)控制冷軋前的化學(xué)狀態(tài)，比如合金元素的聚集和分布，可以調(diào)控后續(xù)時(shí)效過(guò)程的

5、析出，相對(duì)于T6峰值時(shí)效的Al-Mg-Si-Cu合金，改進(jìn)的工藝可以使塑性保持不變而強(qiáng)度提升30％。經(jīng)后續(xù)時(shí)效后，自然時(shí)效預(yù)處理的樣品中存在兩類析出相：離散分布的板條狀 Q"類型析出相以及尺寸更大且連續(xù)彎曲的析出相，后者成分接近Q'類型析出相。冷軋前短時(shí)間人工時(shí)效誘導(dǎo)的納米尺度共格顆粒（單斜β"相的GP區(qū)）能夠促使均勻細(xì)密 Q"類型析出相在后續(xù)時(shí)效過(guò)程的形成。本文提出的方案可以應(yīng)用到很多析出硬化的合金系統(tǒng)中，形變和時(shí)效結(jié)合的工藝極大地改

6、變了制備合金的腐蝕特性，合金不但具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗腐蝕性同時(shí)也得到了明顯改善。通過(guò)合理設(shè)計(jì)后續(xù)時(shí)效工藝，可以使硬度提高的同時(shí)導(dǎo)電率顯著提高。
　　5.利用顯微硬度測(cè)試、拉伸測(cè)試、熱分析和透射電鏡觀察研究了后續(xù)時(shí)效工藝對(duì)冷軋 Al-Mg-Si-Cu合金微觀結(jié)構(gòu)演變和力學(xué)性能的影響，揭示了變形合金時(shí)效時(shí)溶質(zhì)原子擴(kuò)散和缺陷退化交互作用的物理圖像。析出相和晶粒結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變具有溫度依賴性，三類溶質(zhì)原子偏聚過(guò)程會(huì)發(fā)生，包括位錯(cuò)亞胞界面偏聚

7、、基體析出和晶界偏聚。隨時(shí)效溫度提高，時(shí)效動(dòng)力學(xué)明顯加快。在70℃和120℃后續(xù)時(shí)效可以使合金硬度持續(xù)上升直到一個(gè)平臺(tái)，時(shí)效溫度高于150℃后，合金到達(dá)峰值后會(huì)發(fā)生明顯軟化。透射電鏡觀察和DSC分析揭示，冷軋合金時(shí)效析出特性與傳統(tǒng) T6時(shí)效過(guò)程顯著不同。70℃時(shí)效時(shí)溶質(zhì)原子參與了位錯(cuò)釋放和重組的過(guò)程并形成了位錯(cuò)胞晶面偏聚物，可以使強(qiáng)度和塑性同時(shí)升高，120℃以上時(shí)效時(shí)基體中析出大量板條相。調(diào)控同時(shí)發(fā)生的基體析出和位錯(cuò)胞界面偏聚可以優(yōu)化冷

8、軋Al-Mg-Si-Cu合金強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。當(dāng)時(shí)效溫度高于150℃時(shí)界析出會(huì)發(fā)生，強(qiáng)度和塑性明顯降低。在180℃時(shí)效后期晶界析出相(Q相和S相)幾乎耗盡了所有溶質(zhì)原子，晶粒內(nèi)部沒有位錯(cuò)胞偏聚物和板條狀析出相，這可能是溶質(zhì)原子擴(kuò)散受再結(jié)晶中晶界運(yùn)動(dòng)影響的結(jié)果。
　　6.析出硬化的Al-Mg-Si-Cu合金在六個(gè)不同狀態(tài)下軋制：四個(gè)不同時(shí)間的自然預(yù)時(shí)效(合金內(nèi)部形成不同的溶質(zhì)團(tuán)簇)，欠人工時(shí)效處理和峰值人工時(shí)效處理，然后進(jìn)行后續(xù)時(shí)效

9、處理。峰值人工時(shí)效預(yù)處理降低了合金的軋制性能，引起了肉眼可見的邊緣開裂。后續(xù)時(shí)效過(guò)程的溶質(zhì)再析出隨變形前溶質(zhì)狀態(tài)變化很大，溶質(zhì)原子再析出可以補(bǔ)償強(qiáng)度損失并減輕晶體缺陷(位錯(cuò)和晶界)對(duì)塑性的負(fù)面影響。相對(duì)于T6處理，自然時(shí)效和欠人工時(shí)效預(yù)處理的樣品經(jīng)后續(xù)時(shí)效后強(qiáng)度可以提升20-40%，峰值人工時(shí)效預(yù)處理的樣品強(qiáng)度可以提升40-50%，但塑性很小，欠人工時(shí)效預(yù)處理的樣品獲得了最優(yōu)的強(qiáng)度和塑性結(jié)合。軋制前的預(yù)時(shí)效對(duì)后續(xù)時(shí)效過(guò)程的析出反應(yīng)有很大

10、影響，自然時(shí)效預(yù)處理的樣品后續(xù)時(shí)效時(shí)析出反應(yīng)類型相似，其差別是每個(gè)析出反應(yīng)過(guò)程形成析出相的總量，峰值人工時(shí)效預(yù)處理的樣品后續(xù)時(shí)效不會(huì)發(fā)生明顯的析出反應(yīng)。后續(xù)時(shí)效后自然時(shí)效預(yù)處理的樣品中形成兩類析出相：離散的板條狀Q"相和位于位錯(cuò)胞界面長(zhǎng)且彎曲的析出相。人工時(shí)效預(yù)處理樣品中的析出相經(jīng)軋制后位于局部區(qū)域并在后續(xù)時(shí)效時(shí)重新變得有序，軋制前欠人工時(shí)效預(yù)處理樣品中的早期β"相經(jīng)后續(xù)時(shí)效轉(zhuǎn)變成細(xì)小且均勻分布的板條狀 Q"相。峰值時(shí)效預(yù)處理的樣品中軋