Al-Zn-Mg-(Cu)合金時(shí)效中納米析出相結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、與傳統(tǒng)鋼材相比,7000系(AlZnMg(Cu))鋁合金在一定的制備工藝和熱處理?xiàng)l件下可以達(dá)到普通鋼材的強(qiáng)度(600~800MPa),但重量只有普通鋼材的一半不到,是目前國產(chǎn)大飛機(jī)和高速列車等交通工具和國防裝備重要的輕量化材料。純鋁材料本身很軟、屈服強(qiáng)度只有60~100MPa左右。但加入少量的Zn、Mg、(Cu)合金元素(總量<10wt.%),經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理后,鋁基體中形成單個(gè)納米乃至幾十納米的細(xì)小的強(qiáng)化相顆粒。這些納米級(jí)析出相在外

2、載荷條件下,會(huì)阻礙鋁晶格中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),抵抗晶格發(fā)生塑形變形,從而大大提高了合金的強(qiáng)度。析出相強(qiáng)化是7000系合金主要的強(qiáng)化機(jī)制。然而,由于時(shí)效早期析出相的尺寸大都在單個(gè)納米左右,結(jié)構(gòu)表征技術(shù)難度很大。因此關(guān)于該類合金中重要析出相的結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律的問題至今尚未完全解決。隨著先進(jìn)電子顯微學(xué)技術(shù)的發(fā)展,該問題有望得到較徹底解決。
  本論文利用新一代球差矯正電鏡,結(jié)合定量高分辨電子顯微學(xué)、出射波函數(shù)重構(gòu)、Z襯度像等技術(shù),輔以第一性原理

3、計(jì)算,系統(tǒng)研究了η相區(qū)內(nèi)Al-Zn-Mg-(Cu)合金中納米析出相的原子結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律,并利用析出相的相變規(guī)律指導(dǎo)合金成分設(shè)計(jì)及熱處理工藝優(yōu)化,加深了對(duì)合金成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間相互關(guān)系的理解。
  論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論分述如下:
  利用傳統(tǒng)的高分辨電鏡結(jié)合電子衍射技術(shù),系統(tǒng)研究了7150合金在單級(jí)時(shí)效過程中析出相的演變,發(fā)現(xiàn)了η前驅(qū)相的存在,并確定了η前驅(qū)相的基本晶體學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù):六方結(jié)構(gòu),a=3d112Al=0

4、.496nm,c≈4d111Al,與基體的取向關(guān)系為(0001)ηp//{111}Al,[112?0]ηp//<112>Al,(101?0)ηp//(110)Al,勾勒出了η前驅(qū)相的三維形貌。
  利用先進(jìn)的原子成像技術(shù)(帶有image-corrected的球差矯正電鏡結(jié)合出射波函數(shù)重構(gòu)技術(shù),帶有probe-corrected的球差矯正電鏡結(jié)合Z襯度像)和定量電子顯微學(xué)測定了η前驅(qū)相的原子結(jié)構(gòu),并利用第一性原理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化:η前

5、驅(qū)相屬于六方晶系,空間群為P6?(No.174),晶體學(xué)參數(shù)為a=5.00?,c=9.27?。通過高分辨圖像實(shí)測結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)參數(shù)(即埋在鋁基體中被嚴(yán)重壓縮后的晶體學(xué)參數(shù))為a=b=4.96?,c=8.86?,α=β=90°,γ=120°。動(dòng)態(tài)化學(xué)計(jì)量式為Mg1-x(Zn,Cu)4-yAl1+x(0

6、代的情況下,其結(jié)構(gòu)可以順利地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的η相。但η前驅(qū)相有別于η相:η前驅(qū)相是強(qiáng)化相,而η相使合金變軟;η前驅(qū)相與Al基體保持半共格關(guān)系,具有固定的取向關(guān)系,而η相與Al基體之間失去了共格關(guān)系,并呈現(xiàn)多種取向關(guān)系;η前驅(qū)相與Al基體之間存在特定的界面結(jié)構(gòu),而η相沒有。
  利用先進(jìn)的原子成像技術(shù)研究了η前驅(qū)相的形核過程,從原子尺度闡述了η前驅(qū)相析出的整個(gè)相變過程。研究發(fā)現(xiàn),η前驅(qū)相直接成核于GPηp區(qū),屬于典型的動(dòng)態(tài)相變,在固定的

7、夾板結(jié)構(gòu)保護(hù)下GPηp區(qū)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是隨時(shí)變化的。GPηp區(qū)的形核從夾板結(jié)構(gòu)的形成開始,一直保持7層{111}Al的厚度不變,直到成熟的GPηp區(qū)結(jié)構(gòu)形成,再在析出相的一側(cè)或分別兩側(cè)富集溶質(zhì)原子形成新的夾板結(jié)構(gòu),演變?yōu)榫哂?0層{111}Al厚度的η前驅(qū)相的過渡態(tài),最后溶質(zhì)原子坍塌形成界面位錯(cuò),獲得成熟的η前驅(qū)相結(jié)構(gòu)。從原子尺度和析出相形貌兩方面展示了η前驅(qū)相的相變機(jī)制:GPηp區(qū)→η前驅(qū)相→η相,并從能量角度予以證明。
  利用先進(jìn)

8、的原子成像技術(shù)修正了η?相的原子結(jié)構(gòu)模型:三方晶系,空間群為P321(No.150),晶體學(xué)參數(shù)為a=4.96?,c=14.03?,動(dòng)態(tài)的化學(xué)計(jì)量式:Mg2Zn5-xAl2+x(x>0)。利用XRD技術(shù)及電鏡表征技術(shù),詳細(xì)表征了7N01合金過飽和固溶體的分解過程,肯定了文獻(xiàn)報(bào)道的η?相的析出序列:clusters(GPIzones)→GPIIzones(GPη?)→η?→η。盡管η?相的原子結(jié)構(gòu)模型得到確認(rèn),但η?相的原子結(jié)構(gòu)如何演變?yōu)?/p>

9、η相原子結(jié)構(gòu)仍然存在疑問。從目前的知識(shí)初步判斷,η?相結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行重大的改變才能過渡到η相結(jié)構(gòu),不排除η?相重溶再進(jìn)行原子的重排形成η相。
  在前面相變理解的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究合金成分對(duì)相變的影響,發(fā)現(xiàn)η相的形核路徑完全取決于合金中(Zn+Cu)/Mg原子比;利用相變與合金成分的關(guān)系指導(dǎo)合金化,改變(Zn+Cu)/Mg原子比實(shí)現(xiàn)晶界無析出帶可控;利用相變規(guī)律指導(dǎo)熱處理工藝,改善了傳統(tǒng)的回歸再時(shí)效處理工藝,利用改良后的工藝獲得了更加

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