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Al-Mg-Si-Cu合金由于具有中高等强度,良好的成形性及耐蚀性,且焊接性好,烘烤后表面质量高,热处理强化效应明显,是目前汽车车身轻量化的关键材料,广泛用于汽车车身的覆盖件,如车顶盖,后行李箱盖板,引擎盖及车门等。该合金主要通过热处理过程中形成一系列的具有纳米尺寸且弥散分布的析出相使合金获得强化,而理解这些析出相在热处理过程中的演变机制及其与合金性能的本征关系对于提高合金的性能具有重要意义。此外Al-Mg-Si-Cu合金应用在汽车车身上,需要使合金同时具有良好的成形性和烘烤硬化性,而达到这一性能要求需要在深入理解析出相演变机制的基础上对合金的成分和热处理工艺进行进一步优化。本研究以商用的AA6022铝合金为基础合金,设计了一系列不同Mg/Si比和Cu含量的Al-Mg-Si-Cu合金,主要采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、原子分辨率的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、三维原子探针(3DAP)、硬度测试、拉伸测试、DSC热分析,结合第一性原理计算和蒙特卡洛模拟,系统的研究了(1)Al-Mg-Si-Cu合金中析出相的结构和成分演变机制;(2)合金成分对合金自然时效和人工时效过程中团簇和析出相的影响规律;(3)探索预处理工艺对合金自然时效和烘烤硬化性的影响,主要结论包括:(1)Al-Mg-Si-Cu合金180oC人工时效初期及峰值阶段形成的析出相(包括β″,Q″和L相)基本都为原子非周期性排列的无序结构析出相,这些无序析出相的内部分别包含β″,Q′和C单胞或亚结构。其中Cu cluster-like zones是构成Al-Mg-Si-Cu合金中含Cu析出相的稳定亚结构单元,对提高析出相的结构稳定性起到了重要作用。Cu cluster-like zones在析出相内扩散困难是导致析出相出现无序结构的根本原因。(2)合金时效过程中,无序结构的析出相会通过一系列有序化过程逐步转变为有序析出相,其中β″相会首先通过Cu原子的进入和Cu cluster-like zones的形成先转变为无序结构Q″相,Q″相再通过有序化过程转变为Q′相。Q″相的有序化主要包括Cu cluster-like zones的形成,Si网格的有序化和Cu网格的有序化三个阶段。而L相的有序化和转变过程非常缓慢,相比于Q′相,L相更容易以无序结构存在,且L相具有较强的强化能力和良好的热稳定性,可以有效提高合金的强度和热稳定性。在长期过时效后,所有的析出相(包括Q′,L/C相)都将转变为Q平衡相。Al-Mg-Si-Cu合金最新的析出序列应为SSSS→原子团簇→GP区→β″,Q″,L/C→Q′,L/C→Q,Si。时效过程中伴随着析出相的结构转变,析出相内的Mg,Si和Cu原子含量逐渐升高,而Al原子含量逐渐降低。(3)Al-Mg-Si-Cu合金的性能主要通过同时调控合金的Mg/Si比和Cu含量来控制。在自然时效过程中,过剩Si和Cu都可以提高合金的自然时效硬化速率,由于Si原子在自然时效时团簇(1)的形成起到主导作用,因而Si原子促进合金的自然时效硬化更为明显。人工时效时,对于低Cu合金,过剩Si合金的人工时效硬化效应高于过剩Mg合金,且Mg/Si比为1时,合金峰值硬度最高;而对于高Cu合金,过剩Mg高Cu合金具有更高的时效析出动力学和热稳定性,这是由于Cu和Mg原子之间强烈的相互作用使原子团簇细化,且过剩Mg和Cu的添加可以促进L相的形成,使合金具有良好的热稳定性。此外,在低Cu合金中自然时效的有害作用随Mg/Si比的增大而增加,而在高Cu合金中,自然时效的有害作用与Mg/Si比无关。(4)新设计的过剩Mg高Cu合金与目前商用的6022铝合金相比,不仅具有较低的T4态屈服强度,而且在人工时效过程中具有更高的析出动力学,烘烤硬化性和热稳定性,且对耐蚀性影响不大,在汽车车身板的应用上具有巨大潜力。(5)预时效在较大的温度范围内(80oC-170oC)均能有效抑制合金的自然时效并提高合金的烘烤硬化性。预时效过程中形成的团簇(2)可以有效抑制自然时效过程中团簇(1)的形成,在人工时效时团簇(2)能够很容易的转化为β″相,促进合金的烘烤硬化效应。本研究中最佳的预时效工艺为100oC-3h,该工艺在显著提高合金烘烤硬化性的同时,使合金具有较低的T4P态屈服强度。相比于预时效,中断淬火工艺在抑制合金自然时效,提高烘烤硬化性的同时,可以大幅加速合金预处理的效率。本研究中最佳的中断淬火工艺为100oC-45min,合金性能与预时效100oC-3h合金相似,但预处理时间大幅缩短。但是中断淬火工艺容易导致合金晶界附近出现粗大的淬火诱发第二相和晶间无析出带,对合金的断裂韧性造成不利影响。(6)预变形工艺虽然可以通过形成位错抑制合金的自然时效,并促进β″相的非均匀形核,但是其在T4态会产生加工硬化现象,损害合金的成形性。新开发的高温预变形工艺可以有效解决预变形工艺T4态硬度高的问题,并进一步提高合金的烘烤硬化效应。