AlCuMg合金析出相微結(jié)構(gòu)與工藝及性能的關(guān)系研究.pdf

1、Al-Cu-Mg合金是航天航空用主要結(jié)構(gòu)材料之一，其強(qiáng)化的主要原因在于Al基體中形成的強(qiáng)化析出相。為了提高Al-Cu-Mg合金的綜合力學(xué)性能，即較高的強(qiáng)度和較高的韌性，就要獲得相應(yīng)形態(tài)的析出相。因此，認(rèn)識析出相的結(jié)構(gòu)、種類、形貌、尺寸、分布、析出相與位錯(cuò)、不同種類析出相之間的相互聯(lián)系，以及析出相形態(tài)隨時(shí)效條件的演化規(guī)律等析出相的形態(tài)特征，就成了調(diào)控合金性能的重要途徑。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對此已經(jīng)作了大量的工作和報(bào)道，并得到了很大進(jìn)展，但仍

2、然存在一些問題有待闡明和澄清。針對該領(lǐng)域存在的一些典型科學(xué)問題，本論文通過調(diào)節(jié)熱處理工藝，采用不同的性能表征手段，和先進(jìn)的原子分辨率透射電鏡(TEM)和掃描透射電鏡(STEM)技術(shù)，結(jié)合第一原理計(jì)算技術(shù)，對目標(biāo)Al-Cu-Mg合金的工藝、性能和微觀組織結(jié)構(gòu)，以及它們間的本征關(guān)系，展開了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和細(xì)致的分析、理解研究，獲得了一些有意義的結(jié)果。論文獲得的主要結(jié)果如下:
　　(1)從對AA2024合金180℃單級時(shí)效析出規(guī)律的觀察

3、表明，合金中主要有兩種系列的強(qiáng)化析出相，即S相和GPB區(qū)，以及它們的亞穩(wěn)前驅(qū)體。其中S相是一種板條狀相，它的基本位向關(guān)系為[100]S//[100]Al，[010]S//[021]Al，[001]S//[012]Al。本文實(shí)驗(yàn)觀察表明，S相可環(huán)繞<100>S軸作出小角度調(diào)整旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到應(yīng)變能降低的狀態(tài)。在其轉(zhuǎn)動過程會伴隨晶格常數(shù)，形貌和界面的變化。S相的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象與時(shí)效條件有關(guān)，時(shí)效時(shí)間越長，溫度越高，越容易觀察到轉(zhuǎn)動的S相，且轉(zhuǎn)動與否與

4、析出相尺寸無關(guān)。由于轉(zhuǎn)動S相通常需要較高的時(shí)效溫度或較長的時(shí)效時(shí)間才能形成，且常常尺寸過大而對合金的硬度貢獻(xiàn)有限。此外，S相既可以獨(dú)立形核，也可以在第二相界面處形核，后者形核的S相形貌像比同條件下獨(dú)立形核的S相多為柱狀。
　　(2)在較高的溫度下或較低溫度但較長時(shí)間的時(shí)效時(shí)間內(nèi)，GPB區(qū)作為另外一種主要析出相，可以與S相同時(shí)形成，也可以圍繞S相伴隨著其進(jìn)一步長大而慢慢形成，在長時(shí)間時(shí)效以后又會消失。GPB區(qū)為一維針狀晶體，在其橫截

5、面內(nèi)無周期結(jié)構(gòu)。
　　(3)在180℃時(shí)效初期可在合金中觀察到大量的第二相和位錯(cuò)缺陷。其中第二相與Al基體的界面可為S相提供形核質(zhì)點(diǎn)。同時(shí)，過去人們將在時(shí)效早期的鋁合金中形成的位錯(cuò)缺陷認(rèn)為是“位錯(cuò)圈”，本文通過對合金中位錯(cuò)的一系列TEM衍襯像分析，得出AA2024合金中形成的位錯(cuò)實(shí)為蜷線位錯(cuò)，它的形成與S相(早期的)和Al基體界面匹配性差以及溶質(zhì)原子偏聚有關(guān)。
　　(4)不同溫度、不同時(shí)間時(shí)效樣品的TEM觀察結(jié)果表明，S相的

6、形核和生長具有很強(qiáng)的各向異性和受溫度影響的特征，同時(shí)伴隨低維相轉(zhuǎn)變。因?yàn)镾相具有正交的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其生長具有各向異性特征。但特別的是，由于S相的厚度生長需要經(jīng)過其前驅(qū)相GPS2-Ⅱ才能實(shí)現(xiàn)，又因?yàn)樵谳^高溫度(＞180℃)下，GPS2-Ⅱ沿寬度方向的生長被在其兩端快速形成的GPB單元阻擋，所以高溫下S相的平均寬長比要明顯小于其低溫下的平均寬長比。同時(shí)，我們的研究還顯示盡管GPB單元和S相能成一個(gè)GPB-S或GPB-GPS2-Ⅱ復(fù)合體，

7、但GPB區(qū)并不能直接轉(zhuǎn)變成S相，反之也一樣。
　　(5)在理解合金單級時(shí)效硬化規(guī)律的基礎(chǔ)上，為提高合金的強(qiáng)度和韌性，本文探討了多級時(shí)效(T6I4和T6I6時(shí)效)對合金的性能和顯微組織影響規(guī)律。研究表明，相對于T6處理，T6I4和T6I6增加了一個(gè)中斷時(shí)效，在這個(gè)過程中合金中不能析出更多的強(qiáng)化相（S相和GPB區(qū)）。與T6條件相比，T6I4可使合金獲得較好的韌性，源于合金中形成了原子團(tuán)簇。而在接下來的再時(shí)效過程中合金中也沒有更多S相形