论文部分内容阅读
5000系铝合金以Mg为主要合金元素,其强度高、耐腐蚀性好、加工性能优良,因此被广泛应用于飞机、汽车及船舶的生产制造。然而由于Al-Mg合金的时效效果差,难以通过热处理手段进一步提高其强度,往往需要通过塑性变形等其它方法提高其力学性能。利用大塑性变形（SPD）工艺制备的合金晶粒细小、位错密度高、含有大量的大角度晶界,部分研究者更是通过控制大塑性变形参数获得了双峰组织,可同时明显提高合金的强度和塑性。最近有研究指出,大塑性变形会诱导合金元素向非平衡晶界处聚集,使合金强化。可见,大塑性变形具有传统变形无法比拟的优点。但是,大塑性变形的微观结构及其与性能之间的关系,还存在很多问题需要进一步研究澄清。因此,研究高压扭转（HPT）大塑性变形Al-Mg合金的晶界结构和晶界偏析及其对性能的影响,具有重要意义。本文主要以挪威铝业公司生产的铸态Al-Mg二元合金为原材料,对其进行均匀化和高压扭转处理。1)通过X射线衍射（XRD）图谱计算不同Mg含量HPT Al-Mg二元合金的平均晶粒大小、微观应变、位错密度和点阵常数等微观结构参数,分析Mg元素含量对微观结构参数的影响;通过公式计算了HPT Al-Mg二元合金的层错能并在Mohamed的研究基础上得出其层错能与晶粒尺寸的定量关系;分析并探讨了HPT Al-Mg二元合金的动态再结晶过程;2)通过高分辨透镜（HRTEM）和电子背散射衍射（EBSD）研究了HPTAl-Mg二元合金的晶粒大小、晶界分布（包括大小角度晶界和重位点阵晶界分布）、晶粒取向差等;同时利用高角环形暗场扫描透射显微镜（HAADF-STEM）和能谱仪（EDX）分析了HPT Al-Mg二元合金晶界处的Mg元素分布状况;3)通过测量Al–Mg二元合金高压扭转前后的维氏硬度,分析了等效应变对硬度的影响;同时将测得硬度数据与强度进行对比和拟合,验证了硬度与强度的关系;最后系统的分析了强化机制对高压扭转Al–Mg二元合金硬度的贡献。获得的主要结论有:（1）XRD相关计算结果表明:Mg含量对HPT Al-Mg二元合金的微观结构参数有重要影响。随着Mg含量的增加,合金的平均晶粒尺寸减小,位错密度和点阵常数增加,HPT处理在Al-Mg二元合金中引入了晶格畸变。（2）在高压扭转条件一定的情况下,HPT Al-Mg二元合金的层错能只与Mg含量密切相关,即Mg含量越高,层错能越低。通过公式计算得到HPT Al-0.5Mg合金的层错能为132±20mJ/m2,HPT Al-4.1Mg合金的层错能为59±9mJ/m2,从计算结果中可以发现Mg的质量分数增加3.6%,层错能降低了约73mJ/m2。（3）在Mohamed的研究基础上通过线性拟合计算,得到了HPTAl-Mg二元合金的层错能γ与晶粒尺寸d之间存在d=3938×b×（γ/Gb）0.65的关系式（式中G为剪切模量,b为伯氏矢量）。可见,层错能大小决定了Al-Mg二元合金HPT变形后的晶粒尺寸,层错能越小,变形后的晶粒尺寸越小。基于上述结果,探讨了HPT Al-Mg二元合金的动态再结晶过程。（4）通过HRTEM在HPT Al-Mg二元合金中观察到了晶粒取向差为7°的小角度平衡晶界,其（11—1）面上的位错密度约为1.7×1017。同时在[1—10]晶带轴下观察到了晶粒取向差为21.5°的大角度晶界,该晶界在（111）和（11—1）面上存在大量位错,可认为是一种非平衡晶界。（5）EBSD结果表明:Mg含量越高,高压扭转Al–Mg二元合金的晶粒尺寸越小,组织越均匀并且大角度晶界比例会明显提高。如Al–0.5Mg合金高压扭转10圈后平均晶粒尺寸为87.21nm,其中晶粒尺寸小于100nm的晶粒约为83%,大角度晶界比例约为78.9%。Al–4.1Mg合金高压扭转10圈后平均晶粒尺寸为35.66nm,其中晶粒尺寸小于100nm的晶粒约为99.73%,大角度晶界比例约为95%。（6）HAADF-STEM和EDX结果表明,HPT Al–Mg二元合金中存在明显的Mg原子晶界偏析。HPT Al–0.5Mg和Al–4.1Mg合金基体中Mg原子分数分别为0.55%和4.53%,而相应的晶界处Mg原子分数高达2.77%和10.07%,比基体高出了2.22%和5.54%。基于试验结果,分析了HPT Al-Mg二元合金中晶界偏析形成的原因。（7）硬度测量结果表明:HPT Al–Mg二元合金的硬度分布与等效应变有关。在试样中心,由于等效应变低,所以测得的硬度也较低;而随着半径的增大等效应变增大,硬度增加。线性拟合结果表明:HPT Al-Mg二元合金维氏硬度HV与屈服强度σy满足:HV=0.298σy,符合HV≈0.3σy的基本规律。（8）Al–Mg二元合金经过高压扭转变形,硬度显著提高。如原始态Al-0.5Mg硬度仅为51Kg/mm2,经过高压扭转处理后硬度增加至119.7Kg/mm2,约增加了68.7Kg/mm2;同样Al-1Mg和Al-2.5Mg较变形前分别增加了72.6Kg/mm2和82.6Kg/mm2,Al-4.1Mg硬度增加的最多,约增加了124.4Kg/mm2。由此可见Mg元素含量越高,变形后的硬度也越高。（9）HPT Al–Mg二元合金具有高硬度是多种强化机制共同作用的结果。当Mg含量较低时,细晶强化占主导作用,而固溶强化以及位错强化对硬度的贡献较小;随着Mg含量的增加,三种强化作用都有一定增强,其中位错强化增加的幅度最大,占总硬度的比例也逐渐提高。三种强化机制对硬度的总贡献约为50%-60%。（10）通过公式计算了晶界偏析对硬度的贡献,计算结果显示:在HPT Al-0.5Mg合金中,Mg-Mg原子团簇对硬度的贡献值为65.15 Kg/mm2,约占总硬度的54%,这说明晶界偏析有显著的强化作用。