论文部分内容阅读
Al-Cu-Mg合金属于析出强化型铝合金，通过调整热处理工艺和合金成分，可以析出S相、GPB(Guinier-Preston-Bagaryatsky)区、θ?相等多种类型的析出相，使之具备比强度高、耐蚀性好、抗蠕变性能优异等优点。析出相的结构及演变规律与宏观性能直接相关。精确表征析出相晶体结构及界面结构，探索析出行为与合金成分、加工工艺、宏观性能的内在联系，有助于实现合金微观结构的高效率调控，从而提高合金性能。
作为低Cu/Mg原子比Al-Cu-Mg合金的主要析出相，S相、GPB区的结构以及形变条件下的竞争关系一直以来是研究的重点，在添加微量元素Si的合金中，由于Si原子可能参与形核，使得两者的竞争关系变得更为复杂。本文利用球差校正电镜表征、第一性原理计算、图像模拟、硬度测试等手段研究了6%的冷轧预变形对Al-3.0Cu-1.8Mg(wt.%)合金(AlCuMg合金)和Al-3.0Cu-1.8Mg-0.5Si(wt.%)合金(AlCuMgSi合金)后续人工时效析出行为和硬化行为的影响。研究发现，由于微量元素Si在时效过程中参与形核，6%的冷轧预变形对两种合金微观结构和宏观性能的影响并不相同。Si原子参与形核的形式有两种，一是形成富Si的GPB区，即所谓的Si-modifiedGPB区，提高GPB区的稳定性；二是在位错存在的条件下，促进C相、Q?相或其结构单元等含Si析出相的析出，与S相一起共同形成连续分布的粗大析出相，被命名为zig-zag连续复合相。位错诱导作用下粗大zig-zag连续复合相的析出、Si-modifiedGPB区的减少使AlCuMgSi合金的峰值硬度和抗拉强度下降。除此之外，微量元素Si的添加使形变合金中析出了一种有固定周期性结构的二维矩形相，这种结构首次被发现，利用原子分辨率的透射电镜图像和第一性原理计算，对其结构进行了精确表征。
预形变量的增加可以有效提高形变时效AlCuMgSi合金的峰值硬度和强度。本文利用电子背散射衍射技术、X射线衍射技术、透射电镜表征等手段从晶粒组织、位错密度以及析出行为等方面半定量计算了晶界强化、位错强化、析出强化随形变量的增加对强度的贡献变化，发现形变量提高使后续人工时效峰值性能提高的原因不仅在于更高的位错密度，也在于分布更加均匀、尺寸更加细小的析出相。提高形变量固然可以提高形变时效AlCuMgSi合金的硬度和强度，却不可避免的伴随着一定程度的塑性下降，而在6%的冷轧变形前进行自然时效或者人工时效等预时效处理，可以使合金强度提高的同时塑性得到保持。透射电镜的表征结果表明，预时效过程提高了AlCuMgSi合金中Si-modifiedGPB区的形核率，使zig-zag连续复合相的相对含量降低，尺寸减小。系统研究Al-Cu-Mg-Si多元合金不同工艺条件下析出行为的变化规律及其与力学性能的关系，深刻理解固溶原子的多种结合形式，对新合金和新工艺的开发具有重要参考价值。
作为高Cu/Mg原子比Al-Cu-Mg合金的主要析出相，θ?相的界面问题受到金属材料和计算领域的广泛关注，另外，在一些Al-Cu-Mg合金中观察到了θ?相的一种变体θ?II相，θ?Ⅱ相与基体的取向关系是：{001}θ?Ⅱ//{110}α，<100>θ?Ⅱ//<001>α，不同于θ?相，因此产生了不同的界面结合方式。对θ?相及θ?II相界面问题的深入探索有助于深入理解相界面与析出相形貌、形核难易程度、析出序列演变的关系。本文以几种具有高Cu/Mg原子比、Mn含量不同的Al-Cu-Mg合金作为研究对象，利用先进的原子成像技术和第一性原理计算，对θ?相和变体θ?II相的结构及界面问题进行研究。通过与常规θ?相进行对比，从析出相形成焓、界面形成焓、应变能、界面能等第一性原理计算得到的数据得出了θ?II相析出的合理性以及θ?相为盘片状，θ?II相为棒状的原因。并且，比较不同Mn含量的Al-Cu-Mg合金析出行为发现，Mn元素的添加和时效温度的提高有利于θ?II相的形核和长大。
作为低Cu/Mg原子比Al-Cu-Mg合金的主要析出相，S相、GPB区的结构以及形变条件下的竞争关系一直以来是研究的重点，在添加微量元素Si的合金中，由于Si原子可能参与形核，使得两者的竞争关系变得更为复杂。本文利用球差校正电镜表征、第一性原理计算、图像模拟、硬度测试等手段研究了6%的冷轧预变形对Al-3.0Cu-1.8Mg(wt.%)合金(AlCuMg合金)和Al-3.0Cu-1.8Mg-0.5Si(wt.%)合金(AlCuMgSi合金)后续人工时效析出行为和硬化行为的影响。研究发现，由于微量元素Si在时效过程中参与形核，6%的冷轧预变形对两种合金微观结构和宏观性能的影响并不相同。Si原子参与形核的形式有两种，一是形成富Si的GPB区，即所谓的Si-modifiedGPB区，提高GPB区的稳定性；二是在位错存在的条件下，促进C相、Q?相或其结构单元等含Si析出相的析出，与S相一起共同形成连续分布的粗大析出相，被命名为zig-zag连续复合相。位错诱导作用下粗大zig-zag连续复合相的析出、Si-modifiedGPB区的减少使AlCuMgSi合金的峰值硬度和抗拉强度下降。除此之外，微量元素Si的添加使形变合金中析出了一种有固定周期性结构的二维矩形相，这种结构首次被发现，利用原子分辨率的透射电镜图像和第一性原理计算，对其结构进行了精确表征。
预形变量的增加可以有效提高形变时效AlCuMgSi合金的峰值硬度和强度。本文利用电子背散射衍射技术、X射线衍射技术、透射电镜表征等手段从晶粒组织、位错密度以及析出行为等方面半定量计算了晶界强化、位错强化、析出强化随形变量的增加对强度的贡献变化，发现形变量提高使后续人工时效峰值性能提高的原因不仅在于更高的位错密度，也在于分布更加均匀、尺寸更加细小的析出相。提高形变量固然可以提高形变时效AlCuMgSi合金的硬度和强度，却不可避免的伴随着一定程度的塑性下降，而在6%的冷轧变形前进行自然时效或者人工时效等预时效处理，可以使合金强度提高的同时塑性得到保持。透射电镜的表征结果表明，预时效过程提高了AlCuMgSi合金中Si-modifiedGPB区的形核率，使zig-zag连续复合相的相对含量降低，尺寸减小。系统研究Al-Cu-Mg-Si多元合金不同工艺条件下析出行为的变化规律及其与力学性能的关系，深刻理解固溶原子的多种结合形式，对新合金和新工艺的开发具有重要参考价值。
作为高Cu/Mg原子比Al-Cu-Mg合金的主要析出相，θ?相的界面问题受到金属材料和计算领域的广泛关注，另外，在一些Al-Cu-Mg合金中观察到了θ?相的一种变体θ?II相，θ?Ⅱ相与基体的取向关系是：{001}θ?Ⅱ//{110}α，<100>θ?Ⅱ//<001>α，不同于θ?相，因此产生了不同的界面结合方式。对θ?相及θ?II相界面问题的深入探索有助于深入理解相界面与析出相形貌、形核难易程度、析出序列演变的关系。本文以几种具有高Cu/Mg原子比、Mn含量不同的Al-Cu-Mg合金作为研究对象，利用先进的原子成像技术和第一性原理计算，对θ?相和变体θ?II相的结构及界面问题进行研究。通过与常规θ?相进行对比，从析出相形成焓、界面形成焓、应变能、界面能等第一性原理计算得到的数据得出了θ?II相析出的合理性以及θ?相为盘片状，θ?II相为棒状的原因。并且，比较不同Mn含量的Al-Cu-Mg合金析出行为发现，Mn元素的添加和时效温度的提高有利于θ?II相的形核和长大。