超细晶Al-Mg-Si-(Cu)铝合金的时效析出行为及力学性能

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Al-Mg-Si-(Cu)铝合金作为可热处理强化的合金,具有良好的强度、耐蚀性、成形性和可焊接性,应用极为广泛。大塑性变形(SPD)是目前唯一可以生产块体亚微米、纳米结构材料的加工方法,其中等通道角挤压技术(Equal Channel Angular Pressing-ECAP)是最容易获得商业化生产超细晶(UFG)结构的材料,最具有应用前景。时效析出是铝合金众多强化机制中最为有效的手段之一,因此,研究超细晶Al-Mg-Si-(Cu)合金的时效析出行为及力学性能具有重要意义。  本文以Al-Mg-Si-(Cu)铝合金(6013和6061)为研究对象,将时效处理和4道次ECAP结合起来。通过测试分析不同状态下Al-Mg-Si-(Cu)合金的强度、伸长率、硬度和电导率等力学性能和物理性能;采用差示扫描量热法(DSC)和热力学计算对不同处理态合金的时效析出行为进行了分析;利用金相分析、透镜电镜分析以及X射线衍射等分析测试方法来表征其微观结构。  根据DSC实验结果,利用热力学计算得到了不同处理态6013合金在随后的加热过程中各析出相的析出激活能,析出体积转变量f与温度T的关系以及随时间t的转变率df/dt,结合时效硬度和电导率反映出人工时效析出过程。6013合金在191℃时效过程中的主要析出序列为:Mg、 Si原子富集→GP区→β"相(亚稳相)→β相(亚稳相)→β相(稳定相),且计算出析出激活能分别为25.40、31.73、46.91和88.02kJ/mol。对比固溶态和170℃动态时效ECAP4道次6013合金在随后加热过程中各亚稳相析出,发现ECAP后的析出相的激活能大于固溶态的析出相的激活能,使得DSC加热过程中析出相析出变得更加困难。  大塑性变形可能极大的提高材料的强度但同时也会导致塑性下降。但是,结合4道次ECAP和合适的固溶时效工艺能够明显提高强度,且塑性下降较小甚至有可能会提高。通过拉伸实验得出:动态时效ECAP后6013铝合金的抗拉强度和屈服强度明显提高,分别是固溶态的1-2倍和2-4倍,其中170℃ECAP合金的抗拉强度和屈服强度最大,分别达到356MPa和316MPa,而ECAP和固溶态的伸长率均约为20%;170℃预时效1h+室温ECAP后的6061铝合金的的抗拉强度和屈服强度最大,分别是427MPa和327MPa,是T6态的1.16倍和1.57倍,伸长率从23%降到了17%。  通过分析XRD射线衍射图,计算出ECAP4道次后的Al-Mg-Si-(Cu)合金的平均晶粒尺寸、平均晶格应变和位错密度。ECAP后平均位错位错密度在0.248×1014m-2~1.757×1014 m-2之间。TEM测得的170℃ECAP4道次后6061合金的晶粒尺寸约为191 nm,而XRD测得的191℃ECAP后的晶粒尺寸约为173 nm。  光学显微镜和透射电镜分析显示,ECAP后合金晶粒尺寸变小,出现大量的剪切带,位错密度分布不均匀。HRTEM测得ECAP样品中的局部位错密度高达2.18×1017m-2,比XRD测得的平均位错密度高3个数量级。  根据XRD测得的微观结构参数,定量分析了各种强化机制对强度的贡献。计算结果表明,时效析出相强化是超细晶铝合金中最重要的强化机制。例如,191℃×4h预时效+110℃ECAP4道次后的6013合金中,细晶强化贡献了57MPa的强度,占18%;位错强化贡献了44MPa的强度,占14%;时效析出相强化贡献了202MPa的强度,占63%。HRTEM分析发现,该试样中存在尺寸约为4nm的细小球形β"相,表明合金处于峰时效状态,证实了时效析出相强化是超细晶铝合金中的主要强化机制。
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