Al-Zn-Mg-(Cu)合金時效中納米析出相結構及演變規(guī)律研究.pdf

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條件下可以達到普通鋼材的強度（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?shù)臅r效處理后，鋁基體中形成單個納米乃至幾十納米的細小的強化相顆粒。這些納米級析出相在外

2、載荷條件下，會阻礙鋁晶格中的位錯運動，抵抗晶格發(fā)生塑形變形，從而大大提高了合金的強度。析出相強化是7000系合金主要的強化機制。然而，由于時效早期析出相的尺寸大都在單個納米左右，結構表征技術難度很大。因此關于該類合金中重要析出相的結構及其演變規(guī)律的問題至今尚未完全解決。隨著先進電子顯微學技術的發(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，結合定量高分辨電子顯微學、出射波函數(shù)重構、Z襯度像等技術，輔以第一性原理

3、計算，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構及其演變規(guī)律，并利用析出相的相變規(guī)律指導合金成分設計及熱處理工藝優(yōu)化，加深了對合金成分-結構-工藝-性能之間相互關系的理解。
　　論文研究的主要內(nèi)容和結論分述如下：
　　利用傳統(tǒng)的高分辨電鏡結合電子衍射技術，系統(tǒng)研究了7150合金在單級時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)相的基本晶體學結構參數(shù)：六方結構，a=3d112Al=0

4、.496nm，c≈4d111Al，與基體的取向關系為(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。
　　利用先進的原子成像技術（帶有image-corrected的球差矯正電鏡結合出射波函數(shù)重構技術，帶有probe-corrected的球差矯正電鏡結合Z襯度像）和定量電子顯微學測定了η前驅(qū)相的原子結構，并利用第一性原理對結構進行優(yōu)化：η前

5、驅(qū)相屬于六方晶系，空間群為P6?(No.174)，晶體學參數(shù)為a=5.00?，c=9.27?。通過高分辨圖像實測結構的晶體學參數(shù)（即埋在鋁基體中被嚴重壓縮后的晶體學參數(shù)）為a=b=4.96?，c=8.86?，α=β=90°，γ=120°。動態(tài)化學計量式為Mg1-x(Zn,Cu)4-yAl1+x(0

6、代的情況下，其結構可以順利地轉(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基體保持半共格關系，具有固定的取向關系，而η相與Al基體之間失去了共格關系，并呈現(xiàn)多種取向關系；η前驅(qū)相與Al基體之間存在特定的界面結構，而η相沒有。
　　利用先進的原子成像技術研究了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)，屬于典型的動態(tài)相變，在固定的

7、夾板結構保護下GPηp區(qū)結構細節(jié)是隨時變化的。GPηp區(qū)的形核從夾板結構的形成開始，一直保持7層{111}Al的厚度不變，直到成熟的GPηp區(qū)結構形成，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構，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，獲得成熟的η前驅(qū)相結構。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

8、的原子成像技術修正了η?相的原子結構模型：三方晶系，空間群為P321(No.150)，晶體學參數(shù)為a=4.96?，c=14.03?，動態(tài)的化學計量式：Mg2Zn5-xAl2+x（x>0）。利用XRD技術及電鏡表征技術，詳細表征了7N01合金過飽和固溶體的分解過程，肯定了文獻報道的η?相的析出序列：clusters(GPIzones)→GPIIzones(GPη?)→η?→η。盡管η?相的原子結構模型得到確認，但η?相的原子結構如何演變?yōu)?/p>

9、η相原子結構仍然存在疑問。從目前的知識初步判斷，η?相結構需要進行重大的改變才能過渡到η相結構，不排除η?相重溶再進行原子的重排形成η相。
　　在前面相變理解的基礎上，系統(tǒng)研究合金成分對相變的影響，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系指導合金化，改變(Zn+Cu)/Mg原子比實現(xiàn)晶界無析出帶可控；利用相變規(guī)律指導熱處理工藝，改善了傳統(tǒng)的回歸再時效處理工藝，利用改良后的工藝獲得了更加