高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形納米晶Al-Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能.pdf

1、大塑性變形(SPD)是目前來(lái)說(shuō)唯一可以生產(chǎn)塊體亞微米、納米結(jié)構(gòu)材料的加工方法。高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)是大塑性變形中細(xì)化晶粒能力最強(qiáng)的技術(shù)，能制備出晶粒尺寸小于100 nm的納米結(jié)構(gòu)材料，是SPD中最有前途的技術(shù)之一。作為一種重要的不可熱處理合金，Al-Mg鋁合金(5xxx系列)是迄今為止在低溫儲(chǔ)罐、鋁墻板、照明產(chǎn)品、內(nèi)存磁盤基板、船用發(fā)動(dòng)機(jī)部件等方面應(yīng)用最廣泛的鋁合金材料。同時(shí)，由于鋁鎂鋁合金與2xxx系列和7xxx系列鋁合金相比，耐腐蝕性

2、好、可再生能力更強(qiáng)、密度更低且成本更低，已被廣泛用于車身內(nèi)部面板等汽車部件。最近的研究表明，以鎂為主要添加元素的SPD Al-Mg鋁合金，其性能如加工硬化速率、熱穩(wěn)定性、位錯(cuò)增殖能力、晶粒細(xì)化均得以提高，從而可提高合金的強(qiáng)度和塑韌性。因此，研究高壓扭轉(zhuǎn)變形鋁鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有十分重要的意義。
　　本文以三種二元Al-Mg(0.5％，1.0％，2.5％Mg，質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金和一種商業(yè)AA5182(Al-4.1Mg-0.35

3、Mn-0.13 Si-0.32Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形，通過(guò)測(cè)試變形前后的硬度、強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能，結(jié)合透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)以及X射線衍射(XRD)等微觀分析手段，分析變形后合金的位錯(cuò)、晶界、層錯(cuò)和孿晶等微觀結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1)對(duì)尺寸小于100 nm的晶粒，晶內(nèi)無(wú)位錯(cuò)，其晶界清晰平直;而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由幾個(gè)亞晶或位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)組成

4、，局部位錯(cuò)密度可高達(dá)1017m-2，這些位錯(cuò)往往以位錯(cuò)偶和位錯(cuò)環(huán)的形式出現(xiàn)。
　　(2)用HRTEM觀察到了小角度及大角度非平衡晶界、小角度平衡晶界和大角度Σ9平衡晶界等不同的晶界結(jié)構(gòu)，分析了局部高密度位錯(cuò)、位錯(cuò)胞和非平衡晶界等在晶粒細(xì)化過(guò)程中的作用，提出了高壓扭轉(zhuǎn)Al-Mg合金的晶粒細(xì)化機(jī)制。
　　(3)首次在高壓扭轉(zhuǎn)Al-Mg合金中用HRTEM同時(shí)觀察到由0°純螺型和60°混合全位錯(cuò)分解為部分位錯(cuò)而形成層錯(cuò)的位錯(cuò)擴(kuò)展方式

5、，其中0°純螺型全位錯(cuò)分解為兩個(gè)30° Shockley部分位錯(cuò)，60°混合位錯(cuò)分解為90°和30° Shockley部分位錯(cuò)，所形成層錯(cuò)的寬度為3-5 nm。
　　(4)用HRTEM觀察到了一些特殊的層錯(cuò)和孿晶，如由4層層錯(cuò)疊加而形成的厚度為1nm的特殊納米孿晶，證實(shí)了Yamakov等人分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)到的均質(zhì)形核和長(zhǎng)大的孿生機(jī)制;在晶粒尺寸20-50 nm晶粒內(nèi)，經(jīng)常存在密度極高的納米孿晶和層錯(cuò)，局部密度高達(dá)1016-101

6、8 m-2，厚度僅為0.2-1 nm，證實(shí)了Yamakov等人分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)的非均質(zhì)形核和長(zhǎng)大的孿生機(jī)制。依據(jù)經(jīng)典位錯(cuò)理論和晶界發(fā)射部分位錯(cuò)的機(jī)制，提出了描述超細(xì)晶面心立方金屬和合金中層錯(cuò)和形變孿晶形核長(zhǎng)大的公式模型。
　　(5)高分辨透射電鏡觀察表明，在不同滑移面上的層錯(cuò)相交時(shí)，形成層錯(cuò)而產(chǎn)生的拖曳部分位錯(cuò)相遇可反應(yīng)生成壓桿位錯(cuò)和Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖。
　　(6)高壓扭轉(zhuǎn)變形后，Al-Mg合金的晶粒尺寸隨

7、著Mg含量的增大而減小，TEM暗場(chǎng)像測(cè)得晶粒尺寸范圍為265 nm到71 nm，已達(dá)納米量級(jí);HPT后Al-Mg合金的強(qiáng)度和硬度隨Mg含量的增大明顯提高，分別是未變形試樣的3-4倍和3-6倍，其中AA5182的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度最大，分別達(dá)到690MPa和800MPa。但是，隨Mg含量的增大，HPT變形后的Al-Mg合金伸長(zhǎng)率明顯下降，高壓扭轉(zhuǎn)Al-0.5Mg合金的伸長(zhǎng)率為16％，其它HPT合金的伸長(zhǎng)率均小于5％。
　　(7)