论文部分内容阅读
Al-Mg合金由于耐蚀性好、力学性能优良、成型加工性能良好等特点,在航空航天、交通运输等领域得到了广泛应用。随着科技进步与现代化工业的发展,对Al-Mg合金的强度也提出了更高的要求。大塑性变形(SPD)技术是细化晶粒的有效方法,其中高压扭转(HPT)技术的细化晶粒能力最强,可将块体金属材料的晶粒直接细化至纳米级,并在基体中引入高密度的晶体缺陷,从而使合金的强度、硬度显著提高。然而,超细晶/纳米晶材料由于内部存在较高的热焓量,在受热时容易发生结构失稳,从而失去优异的机械性能或理化性能。因此,研究高压扭转Al-Mg合金的微观结构与热稳定性具有重要的实际意义。本文以商业纯铝、三种二元Al-Mg合金和一种商用AA5182合金为研究对象,利用高压扭转技术对其进行塑性变形,结合金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等方法,对HPT纯铝和Al-Mg合金的微观结构与显微硬度进行了研究。利用HRTEM对HPT纯铝和Al-Mg合金中的位错滑移、位错锁、特殊纳米结构进行了深入的研究。通过等温退火与等时退火实验,结合XRD、TEM、显微硬度等分析测试手段,研究了HPT Al-Mg合金的热稳定性。所得结果总结如下:(1)高压扭转变形显著细化了纯铝和Al-Mg合金的晶粒,并在基体中引入了高密度的位错、层错等晶体缺陷。TEM分析表明,随着Mg含量从0增加至4.1%,HPT合金的晶粒尺寸由374 nm逐渐减小至84 nm。HPT纯铝和Al-Mg合金中的位错经常以位错线、位错墙和位错胞的形态出现,且随着Mg含量的增加,位错密度逐渐增大,XRD测得HPT Al-Mg合金中的位错密度为1014m-2量级,而HRTEM测得其局部位错密度高达1017m-2。通过HRTEM在HPT Al-Mg合金中观察到宽度为5~15 nm、局部密度为1015 m-2的层错,证明了在HPT Al-Mg合金中,存在由晶界发射不全位错而形成层错的变形机制。(2)高压扭转变形显著提高了纯铝和Al-Mg合金的硬度,HPT纯铝和Al-Mg合金试样的硬度约为未变形试样的2~4倍,且随着Mg含量的增加,HPT Al-Mg合金硬度逐渐升高。(3)通过HRTEM在HPT纯铝和AA5182合金的{001}晶面上观察到局部高密度的位错,表明在高压扭转过程中发生了位错的{001}面滑移。HRTEM分析表明HPT纯铝中同时存在70.53°的1/6<110>型L-C位错锁和109.47°的1/3<110>型位错锁。高压扭转变形在基体中引入高密度的晶体缺陷,使晶体产生严重的错排面,迫使位错锁沿着(001)立方体平面的<110>方向运动,从而发动了位错的{001}面滑移。同时,利用HRTEM观察到HPT AA5182合金中存在密度极高的六边形特殊纳米结构,结合Yamakov等的分子动力学模拟,提出了这种特殊纳米结构的形成过程。(4)等时退火和等温退火研究表明,温度是影响HPT Al-Mg合金再结晶与晶粒长大的最关键因素,而退火温度和退火时间对HPT Al-Mg合金的回复过程均有重要的决定性作用,且随着Mg含量升高,HPT Al-Mg合金的热稳定性逐渐降低。随着退火温度的升高,HPT Al-Mg合金依次发生回复、再结晶和晶粒长大,晶粒尺寸逐渐增大,硬度逐渐降低。随着退火时间的延长,合金的晶粒尺寸逐渐增大,显微硬度逐渐降低,但硬度下降的速度逐渐减小。(5)HPT AA5182合金在195°C退火30 min后出现退火强化现象,合金硬度从195 HV升高至197 HV,退火强化的机理为晶界位错源抑制强化,该现象与退火温度和应变累积量密切相关。