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《中南大学》 2014年
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Al-Mg-Si-Cu合金凝固与时效过程中微观结构演变的定量表征

李凯  
【摘要】:摘要:6XXX系列Al-Mg-Si合金由于其优异的抗腐蚀性、良好的可加工性以及时效硬化后的高比强度,广泛应用于汽车、航空航天及建筑等领域。其极低的回收使用成本和对燃油经济性的突出贡献使Al-Mg-Si合金在能源与资源逐渐耗竭的背景下尤为重要。近年来的研究发现Cu元素的添加能提高Al-Mg-Si合金的时效硬化效果,但其原因目前还未准确阐明。材料的力学性能是由其微观结构决定的,因此本研究旨在从微观结构角度,研究Cu元素对铝合金析出过程微观结构演变的影响。 本研究主要采用透射电子显微术,结合扫描电子显微术、三维原子探针、硬度测试及X射线衍射等表征技术来研究材料微观结构。首先对两个分别不含Cu及含0.1wt.%Cu的6005合金在时效硬化过程中的力学性能及微观结构进行了系统的比较研究,发现了微量Cu元素添加对时效析出序列的显著影响。在此基础上,对一个6111Al-Mg-Si-Cu合金在凝固、固溶、时效早中晚期全过程中的显微结构及力学性能演变进行了详尽的研究,并对Cu在整个材料制备过程中的作用机理做了系统地阐述。本工作得到的主要结论如下: (1)通过比较两个6005合金,发现微量Cu元素的添加显著地改变合金在150℃时效硬化过程中的析出序列。在含Cu合金中发现了一种沿{111}Al面生长的片状G.P.区。由于Cu的添加,合金欠时效阶段的析出速率明显加快。而过时效阶段由于含Cu的板条状Q’及Q相的生成,吸收了Mg和Si溶质元素,从而减少了脆性p和Si颗粒的生成,导致其硬度高于经相同热处理的无Cu合金。 (2)在6111合金的凝固过程中,除基体相a-A1外,先后生成了1.14土0.06vo1.%的具有树枝晶结构的含Cu的Q相颗粒和0.65土0.33vo1.%的狭长叶片状Si颗粒。研究发现均匀分布的Q相颗粒倾向于沿凝固方向生长,与基体之间存在一种新的不存在于时效结构中的取向关系。而Si颗粒倾向于在晶界处富集,并通过在内部形成孪晶的方式来降低其形核能。Q相颗粒在固溶过程中能迅速溶解,有利于在时效过程中形成均匀的晶内结构,而Si颗粒在晶界处的聚集则导致了过时效阶段Si析出相在晶界处的重新出现以及无析出区(Precipitate-free zones)的形成。此外,通过对凝固过程进行基于Scheil模型的热力学模拟,得到了与实验测定值相吻合的各相体积分数,各相的凝固行为也得到合理的解释。 (3)6111合金在175℃的时效析出序列为:过饱和固溶体→原子团簇→G.P.区→β"+C→Q+Si。研究发现Cu存在于除Si相以外的整个析出序列中。本工作第一次发现了Al-Mg-Si-Cu合金欠时效阶段的G.P.区具有体心四方晶格,晶胞参数为a=b=0.296nm,c=0.405nm,与基体的晶格错配度为3.09%。在峰时效阶段及稍后阶段,合金中主要存在β”析出相,并有少量C析出相。通过高角环形暗场-扫描透射显微技术,观察到Cu存在于β”和C的结构当中。其中Cu占据β”单胞中的Si3和Mg1位置,并优先占据每对Si3原子中的其中 个位置。通过三维原子探针技术得出的β”相成分为28.6at.%Al-38.7at.%Mg-26.5at.%Si-5.17at.%Cu,该成分表明含Cu合金中的β”相的Mg1和Si3位置主要被A1和Cu替代,这一结果对Al-Mg-Si-Cu合金成分设计有重大指导作用。研究还发现C相和基体间存在上下两种不同的界面,上界面的原子排列为fc.c.型,晶格错配度很小,下界面近似b.c.c.型,晶格错配度很大,这种界面结构有利于增强析出硬化效应。 (4)本研究在研究方法上做出了以下创新:建立了一种精确模拟A1合金中的含12种等效取向的析出相的复杂衍射谱的方法并成功应用与Ni-Ti形状记忆合金等体系;通过三维原子探针与高分辨透射电子显微图片的结合第一次定量测量了欠时效6111合金中原子团簇及G.P.区的体积分数;结合会聚束电子衍射及明场像图片等精确测定了6111合金时效过程中板条状/棒状Q相纳米粒子的体积分数;建立了一套测定各种尺度析出相体积分数的系统方法,由此对6111合金制备全过程中各尺度析出物的体积分数演变进行了定量表征,为A1合金设计与显微结构模拟提供了宝贵的实验参考数据。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TG146.21

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【参考文献】
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