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原文传递汽车用高性能铝合金强化析出相的演变及调控

论文题名：	汽车用高性能铝合金强化析出相的演变及调控
关键词：	汽车用铝合金;强化析出相;电子显微学;第一性原理计算;力学性能
摘要：	在原子尺度揭示硬化析出相结构和成分的变化是理解和调控复杂多相合金微观结构的关键，对开发高性能合金材料非常重要。本论文以各种先进的电子显微学方法和性能测试为手段，结合计算分析，以重要的汽车用时效强化铝合金为研究对象，系统研究了铝合金中硬化纳米析出相的结构演变及其与性能之间的关系，主要结论如下：　　1.利用电子显微学方法研究 Al-Si合金时效过程 Si颗粒界面处的析出情况，以及 Al-Si-Mg合金 Si颗粒球化处理对时效过程硬化相析出的影响。退火过程中共晶硅颗粒上可以析出连续多重{111}[112]型纳米孪晶，其有时具有相当复杂的结构，比如三重和四重孪晶，以及多晶材料不多见的封闭五重孪晶。延长 A356合金的球化处理时间对后续人工时效硬度响应有不利影响，其本质原因是 Mg元素偏聚降低了基体中用于形成强化相的Mg含量。　　2.结合定量高分辨率电子显微学、环形暗场扫描透射电子显微学和计算分析建立了Al-Mg-Si-(Cu)合金中不同析出相在原子尺度的结构演变物理冶金图像。本文的发现对揭示 Mg/Si含量比和Cu含量对Al-Mg-Si-Cu合金显微结构和力学性能的影响非常重要，通过适当的时效工艺控制析出方式可以优化合金性能。另外，本文提供的演变规律可以作为理解添加多余元素(如 Ag和过渡金属)的Al-Mg-Si合金析出机制的基础。　　3.添加Cu会显著提升Al-Mg-Si合金的早期时效硬化潜力和速率，即使Mg/Si比是2的Al-Mg-Si-Cu合金的时效动力学也很快。通过优化合金成分配比，本文提出了一种新的用于制备汽车车身用Al-Mg-Si-Cu合金板材的成分范围(Mg/Si含量比1~2)，既提高了铝合金板材的加工成形性和烤漆后的强度，又保证了其使用过程中性能的稳定。　　4.结合形变和时效，提出一种调控铝合金时效过程中纳米析出相的新策略。通过控制轧制前合金元素的聚集和分布状态以及后续时效工艺，可以使铝合金强度显著上升但塑性保持不变。通过控制冷轧前的化学状态，比如合金元素的聚集和分布，可以调控后续时效过程的析出，相对于T6峰值时效的Al-Mg-Si-Cu合金，改进的工艺可以使塑性保持不变而强度提升30％。经后续时效后，自然时效预处理的样品中存在两类析出相：离散分布的板条状 Q"类型析出相以及尺寸更大且连续弯曲的析出相，后者成分接近Q'类型析出相。冷轧前短时间人工时效诱导的纳米尺度共格颗粒（单斜β"相的GP区）能够促使均匀细密 Q"类型析出相在后续时效过程的形成。本文提出的方案可以应用到很多析出硬化的合金系统中，形变和时效结合的工艺极大地改变了制备合金的腐蚀特性，合金不但具有优良的力学性能，其抗腐蚀性同时也得到了明显改善。通过合理设计后续时效工艺，可以使硬度提高的同时导电率显著提高。　　5.利用显微硬度测试、拉伸测试、热分析和透射电镜观察研究了后续时效工艺对冷轧 Al-Mg-Si-Cu合金微观结构演变和力学性能的影响，揭示了变形合金时效时溶质原子扩散和缺陷退化交互作用的物理图像。析出相和晶粒结构的转变具有温度依赖性，三类溶质原子偏聚过程会发生，包括位错亚胞界面偏聚、基体析出和晶界偏聚。随时效温度提高，时效动力学明显加快。在70℃和120℃后续时效可以使合金硬度持续上升直到一个平台，时效温度高于150℃后，合金到达峰值后会发生明显软化。透射电镜观察和DSC分析揭示，冷轧合金时效析出特性与传统 T6时效过程显著不同。70℃时效时溶质原子参与了位错释放和重组的过程并形成了位错胞晶面偏聚物，可以使强度和塑性同时升高，120℃以上时效时基体中析出大量板条相。调控同时发生的基体析出和位错胞界面偏聚可以优化冷轧Al-Mg-Si-Cu合金强度和塑性的结合。当时效温度高于150℃时界析出会发生，强度和塑性明显降低。在180℃时效后期晶界析出相(Q相和S相)几乎耗尽了所有溶质原子，晶粒内部没有位错胞偏聚物和板条状析出相，这可能是溶质原子扩散受再结晶中晶界运动影响的结果。　　6.析出硬化的Al-Mg-Si-Cu合金在六个不同状态下轧制：四个不同时间的自然预时效(合金内部形成不同的溶质团簇)，欠人工时效处理和峰值人工时效处理，然后进行后续时效处理。峰值人工时效预处理降低了合金的轧制性能，引起了肉眼可见的边缘开裂。后续时效过程的溶质再析出随变形前溶质状态变化很大，溶质原子再析出可以补偿强度损失并减轻晶体缺陷(位错和晶界)对塑性的负面影响。相对于T6处理，自然时效和欠人工时效预处理的样品经后续时效后强度可以提升20-40%，峰值人工时效预处理的样品强度可以提升40-50%，但塑性很小，欠人工时效预处理的样品获得了最优的强度和塑性结合。轧制前的预时效对后续时效过程的析出反应有很大影响，自然时效预处理的样品后续时效时析出反应类型相似，其差别是每个析出反应过程形成析出相的总量，峰值人工时效预处理的样品后续时效不会发生明显的析出反应。后续时效后自然时效预处理的样品中形成两类析出相：离散的板条状Q"相和位于位错胞界面长且弯曲的析出相。人工时效预处理样品中的析出相经轧制后位于局部区域并在后续时效时重新变得有序，轧制前欠人工时效预处理样品中的早期β"相经后续时效转变成细小且均匀分布的板条状 Q"相。峰值时效预处理的样品中轧制前含有单斜的β"相，轧制后析出相仍存在，但有序性显著损失，经后续时效，铝基体处于高应变状态且Q'类型的析出相仍被大量位错包围。
作者：	刘春辉
专业：	材料科学与工程
导师：	陈江华
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文