Al-Zn-Mg-(Cu)合金时效中纳米析出相结构及演变规律研究

摘要

与传统钢材相比，7000系（AlZnMg(Cu)）铝合金在一定的制备工艺和热处理条件下可以达到普通钢材的强度（600~800MPa），但重量只有普通钢材的一半不到，是目前国产大飞机和高速列车等交通工具和国防装备重要的轻量化材料。纯铝材料本身很软、屈服强度只有60~100MPa左右。但加入少量的Zn、Mg、（Cu）合金元素（总量<10wt.％），经过适当的时效处理后，铝基体中形成单个纳米乃至几十纳米的细小的强化相颗粒。这些纳米级析出相在外载荷条件下，会阻碍铝晶格中的位错运动，抵抗晶格发生塑形变形，从而大大提高了合金的强度。析出相强化是7000系合金主要的强化机制。然而，由于时效早期析出相的尺寸大都在单个纳米左右，结构表征技术难度很大。因此关于该类合金中重要析出相的结构及其演变规律的问题至今尚未完全解决。随着先进电子显微学技术的发展，该问题有望得到较彻底解决。
　　本论文利用新一代球差矫正电镜，结合定量高分辨电子显微学、出射波函数重构、Z衬度像等技术，辅以第一性原理计算，系统研究了η相区内Al-Zn-Mg-(Cu)合金中纳米析出相的原子结构及其演变规律，并利用析出相的相变规律指导合金成分设计及热处理工艺优化，加深了对合金成分-结构-工艺-性能之间相互关系的理解。
　　论文研究的主要内容和结论分述如下：
　　利用传统的高分辨电镜结合电子衍射技术，系统研究了7150合金在单级时效过程中析出相的演变，发现了η前驱相的存在，并确定了η前驱相的基本晶体学结构参数：六方结构，a=3d112Al=0.496nm，c≈4d111Al，与基体的取向关系为(0001)ηp//{111}Al，[112?0]ηp//<112>Al，(101?0)ηp//(110)Al，勾勒出了η前驱相的三维形貌。
　　利用先进的原子成像技术（带有image-corrected的球差矫正电镜结合出射波函数重构技术，带有probe-corrected的球差矫正电镜结合Z衬度像）和定量电子显微学测定了η前驱相的原子结构，并利用第一性原理对结构进行优化：η前驱相属于六方晶系，空间群为P6?(No.174)，晶体学参数为a=5.00?，c=9.27?。通过高分辨图像实测结构的晶体学参数（即埋在铝基体中被严重压缩后的晶体学参数）为a=b=4.96?，c=8.86?，α=β=90°，γ=120°。动态化学计量式为Mg1-x(Zn,Cu)4-yAl1+x(0　　利用先进的原子成像技术研究了η前驱相的形核过程，从原子尺度阐述了η前驱相析出的整个相变过程。研究发现，η前驱相直接成核于GPηp区，属于典型的动态相变，在固定的夹板结构保护下GPηp区结构细节是随时变化的。GPηp区的形核从夹板结构的形成开始，一直保持7层{111}Al的厚度不变，直到成熟的GPηp区结构形成，再在析出相的一侧或分别两侧富集溶质原子形成新的夹板结构，演变为具有10层{111}Al厚度的η前驱相的过渡态，最后溶质原子坍塌形成界面位错，获得成熟的η前驱相结构。从原子尺度和析出相形貌两方面展示了η前驱相的相变机制：GPηp区→η前驱相→η相，并从能量角度予以证明。
　　利用先进的原子成像技术修正了η?相的原子结构模型：三方晶系，空间群为P321(No.150)，晶体学参数为a=4.96?，c=14.03?，动态的化学计量式：Mg2Zn5-xAl2+x（x>0）。利用XRD技术及电镜表征技术，详细表征了7N01合金过饱和固溶体的分解过程，肯定了文献报道的η?相的析出序列：clusters(GPIzones)→GPIIzones(GPη?)→η?→η。尽管η?相的原子结构模型得到确认，但η?相的原子结构如何演变为η相原子结构仍然存在疑问。从目前的知识初步判断，η?相结构需要进行重大的改变才能过渡到η相结构，不排除η?相重溶再进行原子的重排形成η相。
　　在前面相变理解的基础上，系统研究合金成分对相变的影响，发现η相的形核路径完全取决于合金中(Zn+Cu)/Mg原子比；利用相变与合金成分的关系指导合金化，改变(Zn+Cu)/Mg原子比实现晶界无析出带可控；利用相变规律指导热处理工艺，改善了传统的回归再时效处理工艺，利用改良后的工艺获得了更加优异的力学性能及抗晶界腐蚀性能。

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附 表 索 引

第1章 绪 论

1.1 Al-Zn-Mg-(Cu)系超高强铝合金工业应用背景

1.2 Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金研究现状及发展趋势

1.3 合金元素对7000系合金性能的影响

1.4 析出相强化机理研究

1.5 Al-Zn-Mg-(Cu)合金研究中存在的问题及可行性分析

1.6 本论文的研究意义、目的、内容及创新点

第2章 η前驱相的发现

2.1 引言

2.2 实验过程

2.3 实验结果

2.4 本章小结

第3章 η前驱相的结构测定

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 实验结果

3.4η前驱相的原子结构

3.5 本章小结

第4章 η前驱相的形核及演变

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 实验结果

4.4 GPηp区的结构

4.5η前驱相的形核及演变

4.6 本章小结

第5章 η?相的结构修正及其演变规律研究

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 实验结果

5.4η?相的原子结构模型

5.5η?相的结构演变

5.5 本章小结

第6章 相变与合金成分、工艺及性能的关系研究

6.1 引言

6.2 主要亚稳强化相之间的区别

6.3 合金成分对相变机制的影响

6.4 利用η前驱相的形成机理改良时效工艺

6.5 利用相变机制控制晶界无析出带（ PFZ）

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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