汽車用高性能鋁合金強化析出相的演變及調控.pdf

1、在原子尺度揭示硬化析出相結構和成分的變化是理解和調控復雜多相合金微觀結構的關鍵，對開發(fā)高性能合金材料非常重要。本論文以各種先進的電子顯微學方法和性能測試為手段，結合計算分析，以重要的汽車用時效強化鋁合金為研究對象，系統(tǒng)研究了鋁合金中硬化納米析出相的結構演變及其與性能之間的關系，主要結論如下：
　　1.利用電子顯微學方法研究 Al-Si合金時效過程 Si顆粒界面處的析出情況，以及 Al-Si-Mg合金 Si顆粒球化處理對時效過程硬化

2、相析出的影響。退火過程中共晶硅顆粒上可以析出連續(xù)多重{111}[112]型納米孿晶，其有時具有相當復雜的結構，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 A356合金的球化處理時間對后續(xù)人工時效硬度響應有不利影響，其本質原因是 Mg元素偏聚降低了基體中用于形成強化相的Mg含量。
　　2.結合定量高分辨率電子顯微學、環(huán)形暗場掃描透射電子顯微學和計算分析建立了Al-Mg-Si-(Cu)合金中不同析出相在原子尺度的結構演

3、變物理冶金圖像。本文的發(fā)現(xiàn)對揭示 Mg/Si含量比和Cu含量對Al-Mg-Si-Cu合金顯微結構和力學性能的影響非常重要，通過適當?shù)臅r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和過渡金屬)的Al-Mg-Si合金析出機制的基礎。
　　3.添加Cu會顯著提升Al-Mg-Si合金的早期時效硬化潛力和速率，即使Mg/Si比是2的Al-Mg-Si-Cu合金的時效動力學也很快。通過優(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度，又保證了其使用過程中性能的穩(wěn)定。
　　4.結合形變和時效，提出一種調控鋁合金時效過程中納米析出相的新策略。通過控制軋制前合金元素的聚集和分布狀態(tài)以及后續(xù)時效工藝，可以使鋁合金強度顯著上升但塑性保持不變。通過控制冷軋前的化學狀態(tài)，比如合金元素的聚集和分布，可以調控后續(xù)時效過程的

5、析出，相對于T6峰值時效的Al-Mg-Si-Cu合金，改進的工藝可以使塑性保持不變而強度提升30％。經后續(xù)時效后，自然時效預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。冷軋前短時間人工時效誘導的納米尺度共格顆粒（單斜β"相的GP區(qū)）能夠促使均勻細密 Q"類型析出相在后續(xù)時效過程的形成。本文提出的方案可以應用到很多析出硬化的合金系統(tǒng)中，形變和時效結合的工藝極大地改

6、變了制備合金的腐蝕特性，合金不但具有優(yōu)良的力學性能，其抗腐蝕性同時也得到了明顯改善。通過合理設計后續(xù)時效工藝，可以使硬度提高的同時導電率顯著提高。
　　5.利用顯微硬度測試、拉伸測試、熱分析和透射電鏡觀察研究了后續(xù)時效工藝對冷軋 Al-Mg-Si-Cu合金微觀結構演變和力學性能的影響，揭示了變形合金時效時溶質原子擴散和缺陷退化交互作用的物理圖像。析出相和晶粒結構的轉變具有溫度依賴性，三類溶質原子偏聚過程會發(fā)生，包括位錯亞胞界面偏聚

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

8、軋Al-Mg-Si-Cu合金強度和塑性的結合。當時效溫度高于150℃時界析出會發(fā)生，強度和塑性明顯降低。在180℃時效后期晶界析出相(Q相和S相)幾乎耗盡了所有溶質原子，晶粒內部沒有位錯胞偏聚物和板條狀析出相，這可能是溶質原子擴散受再結晶中晶界運動影響的結果。
　　6.析出硬化的Al-Mg-Si-Cu合金在六個不同狀態(tài)下軋制：四個不同時間的自然預時效(合金內部形成不同的溶質團簇)，欠人工時效處理和峰值人工時效處理，然后進行后續(xù)時效

9、處理。峰值人工時效預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)時效過程的溶質再析出隨變形前溶質狀態(tài)變化很大，溶質原子再析出可以補償強度損失并減輕晶體缺陷(位錯和晶界)對塑性的負面影響。相對于T6處理，自然時效和欠人工時效預處理的樣品經后續(xù)時效后強度可以提升20-40%，峰值人工時效預處理的樣品強度可以提升40-50%，但塑性很小，欠人工時效預處理的樣品獲得了最優(yōu)的強度和塑性結合。軋制前的預時效對后續(xù)時效過程的析出反應有很大

10、影響，自然時效預處理的樣品后續(xù)時效時析出反應類型相似，其差別是每個析出反應過程形成析出相的總量，峰值人工時效預處理的樣品后續(xù)時效不會發(fā)生明顯的析出反應。后續(xù)時效后自然時效預處理的樣品中形成兩類析出相：離散的板條狀Q"相和位于位錯胞界面長且彎曲的析出相。人工時效預處理樣品中的析出相經軋制后位于局部區(qū)域并在后續(xù)時效時重新變得有序，軋制前欠人工時效預處理樣品中的早期β"相經后續(xù)時效轉變成細小且均勻分布的板條狀 Q"相。峰值時效預處理的樣品中軋