Al-Cu-Li合金形变热处理过程中析出相演变规律及力学性能研究

摘要

本文以Al-Cu-Li合金板材为研究对象，采用透射电子显微镜(TEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HADDF-STEM)等微观组织表征技术，以及室温拉伸试验等力学性能测试手段，系统研究了不同预变形方式（即预拉伸和大变形轧制）对时效态Al-Cu-Li合金的微观组织和力学性能的影响，以及合金在不同时效温度条件下析出相的演变规律。本研究还通过对时效态 Al-Cu-Li合金进行原子级别的表征来研究析出相的结构、分布以及T1相的形成机制。
　　本研究主要内容包括：①未经预变形的样品在时效处理后，析出相以大尺寸的T1相和θ'相为主；而经预拉伸的样品在时效处理后，T1相的析出明显增多，θ'相的析出明显减少，此时析出相以细小弥散的T1相为主。此外，经定量统计，预拉伸变形量越大，作为主要析出相的盘片状T1相的直径越小，但厚度及体积分数几乎保持不变。力学性能测试结果表明，随着预拉伸变形量的增大，峰值时效态合金的屈服强度和抗拉强度升高，塑性降低。通过对不同预拉伸变形量的样品在峰值时效态的主要强化机制的定量分析可知，预拉伸变形量越大，位错强化效果越大，而T1相的析出强化效果越小。②相较于经预拉伸处理的样品，在液氮温度下大变形轧制的样品经时效后，屈服强度明显升高，塑性几乎保持不变；而在室温下大变形轧制的样品经时效后，屈服强度和塑性均无明显优势。在液氮温度轧制过程中，位错的运动会受到明显地抑制，使得基体中存在数量相对较多的位错，加大了位错强化效果；同时，大量位错可作为T1相的优先形核点，导致时效过程中有大量细小弥散的T1相在基体中均匀析出，增强了析出强化效果，由此得到较优的综合力学性能。③表征了Al-Cu-Li合金在不同时效温度下（120、160和200 oC）时效过程中第二相的析出演变情况，并结合表征结果对时效过程中各时效阶段的演变机制进行了探讨。结果表明，Al-Cu-Li合金在不同温度的时效过程中析出相种类相同，即为T1相、GP区/θ'相、δ'相和χ相(Al5Cu6Li2)；然而析出相的相对数量及分布会随时效温度的不同而存在明显差异。在时效初期，时效温度为120 oC时，大量细小弥散的δ'相在基体中均匀析出；而时效温度为160和200 oC时，有少量粗大的δ'相在基体中析出，并有部分T1相在位错处析出。在峰值时效阶段，时效温度为120 oC时，合金的主要析出相为GP区/θ'相、δ'相和χ相(Al5Cu6Li2)；而时效温度为160和200 oC时，合金的主要析出相为T1相。此外，合金在200 oC温度下时效时，会快速进入过时效态，此时第二相厚度明显增大。④采用HAADF-STEM表征技术对时效态Al-Cu-Li合金中众多析出相的结构及分布进行原子级别的表征发现：δ'相在平直的θ'相两侧的析出存在两种共生关系，即“反相”(anti-phase)和“同相”(in-phase)关系，共生关系的选择与θ'相的厚度有关；T1相易于在晶界处析出，且T1相在晶界处的析出存在变体选择，其中惯习面最接近晶界面的 T1相变体更易于在晶界处析出；存在T1相的前驱相，结合表征结果建立前驱相的结构模型，并使用第一性原理计算验证了其稳定性，同时证实了该前驱相向T1相转变的合理性。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 铝锂合金第二相的简介

1.3 形变热处理工艺的关键参数

1.4 本论文的研究目的和主要内容

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验方案

2.3 测试方法及样品制备

2.4 本章小结

3 预变形对Al-Cu-Li合金微观组织及力学性能的影响

3.1 引言

3.2 预拉伸对合金微观组织及力学性能的影响

3.3 时效前大变形轧制对合金微观组织及力学性能的影响

3.4 本章小结

4 Al-Cu-Li合金在不同温度的时效过程中析出相的演变规律

4.1 引言

4.2 不同温度的时效硬度曲线

4.3 120 oC时效过程中析出相的表征

4.4 160 oC时效过程中析出相的表征

4.5 200 oC时效过程中析出相的表征

4.6 析出相的演变与时效温度的关系

4.7 本章小结

5 时效态Al-Cu-Li合金的析出相特征及其形成机制

5.1 引言

5.2 时效态Al-Cu-Li合金的析出相结构表征

5.3 T1相的形成机制

5.4 本章小结

6 结论

6.1 主要结论

6.2 研究工作的创新点

致谢

参考文献

附录

作者在攻读学位期间发表的论文目录