AL-Mg-SI-Cu合金凝固与时效过程中微观结构演变的定量表征

摘要

6XXX系列Al-Mg-Si合金由于其优异的抗腐蚀性、良好的可加工性以及时效硬化后的高比强度，广泛应用于汽车、航空航天及建筑等领域。其极低的回收使用成本和对燃油经济性的突出贡献使Al-Mg-Si合金在能源与资源逐渐耗竭的背景下尤为重要。近年来的研究发现Cu元素的添加能提高Al-Mg-Si合金的时效硬化效果，但其原因目前还未准确阐明。材料的力学性能是由其微观结构决定的，因此本研究旨在从微观结构角度，研究Cu元素对铝合金析出过程微观结构演变的影响。
　　本研究主要采用透射电子显微术，结合扫描电子显微术、三维原子探针、硬度测试及X射线衍射等表征技术来研究材料微观结构。首先对两个分别不含Cu及含0.1 wt.％ Cu的6005合金在时效硬化过程中的力学性能及微观结构进行了系统的比较研究，发现了微量Cu元素添加对时效析出序列的显著影响。在此基础上，对一个6111Al-Mg-Si-Cu合金在凝固、固溶、时效早中晚期全过程中的显微结构及力学性能演变进行了详尽的研究，并对Cu在整个材料制备过程中的作用机理做了系统地阐述。本工作得到的主要结论如下:
　　(1)通过比较两个6005合金，发现微量Cu元素的添加显著地改变合金在150℃时效硬化过程中的析出序列。在含Cu合金中发现了一种沿{111}Al面生长的片状G.P.区。由于Cu的添加，合金欠时效阶段的析出速率明显加快。而过时效阶段由于含Cu的板条状Q'及Q相的生成，吸收了Mg和Si溶质元素，从而减少了脆性β和Si颗粒的生成，导致其硬度高于经相同热处理的无Cu合金。
　　(2)在6111合金的凝固过程中，除基体相α-Al外，先后生成了1.14±0.06 vol.％的具有树枝晶结构的含Cu的Q相颗粒和0.65±0.33 vol.％的狭长叶片状Si颗粒。研究发现均匀分布的Q相颗粒倾向于沿凝固方向生长，与基体之间存在一种新的不存在于时效结构中的取向关系。而Si颗粒倾向于在晶界处富集，并通过在内部形成孪晶的方式来降低其形核能。Q相颗粒在固溶过程中能迅速溶解，有利于在时效过程中形成均匀的晶内结构，而Si颗粒在晶界处的聚集则导致了过时效阶段Si析出相在晶界处的重新出现以及无析出区（Precipitate-freezones）的形成。此外，通过对凝固过程进行基于Scheil模型的热力学模拟，得到了与实验测定值相吻合的各相体积分数，各相的凝固行为也得到合理的解释。
　　(3)6111合金在175℃的时效析出序列为:过饱和固溶体→原子团簇→G.P.区→β

目录

声明

摘要

符号说明

1 文献综述

1．1 研究背景

1．2 Al-Mg-Si合金时效过程的析出硬化现象及Cu的添加对时效的影响

1．2．1 析出硬化现象

1．2．2 析出序列

1．2．3 时效初期原子团簇、G．P．区和β”相前驱体的特征

1．2．4 峰时效过程析出的β”相和其他析出相

1．2．5 过时效合金和平衡态合金中的析出相

1．3 凝固微结构和Q相对时效的影响

1．5 研究内容及意义

2 样品制备过程及主要检测手段

2．1 合金的凝固过程

2．2 合金及其热处理

2．2 硬度测试

2．3 TEM观测

2．4 SEM观测

2．5 3DAP测试

2．6 XRD分析

3 一种模拟复合选区电子衍射谱的改进方法

3．1 前言

3．2 方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 α-Al基体f．c．c．结构的高度对称性：β”相与α-Al基体的12种等价取向关系

3．3．2 β”相与α-Al基体之间的共格关系：β”相的生长方向

3．3．3 二次衍射

3．3．4 一种改进的简化模拟方法

3．4 结论

4 微量Cu的添加对6005 Al-Mg-Si合金析出序列的影响

4．1 引言

4．2 结果

4．2．1 硬度曲线

4．2．2 XRD曲线

4．2．3 TEM观测

4．3 讨论

4．3．1 两种类型的G．P．区：结构特征及对时效速率的影响

4．3．2 合金成分对析出序列和力学性能演变的影响

4．5 结论

5 6111 Al-Mg-Si-Cu合金的凝固微观结构研究

5．1 引言

5．2．实验结果

5．2．1 凝固微观结构的定性表征

5．2．2 凝固微观结构中第二相的体积分数

5．2．3 固溶态及过时效态合金的微观结构

5．3．结果讨论

5．3．1 凝固方向与Q相择优生长方向的关系

5．3．2 凝固过程的热力学模拟

5．3．3 对Q相和Si相凝固特点的分析

5．3．4 凝固微观结构对时效过程的影响

5．4 结论

6 6111 Al-Mg-Si-Cu合金时效过程中多尺度含Cu析出物的原子尺度结构及成分

6．1 引言

6．2 结果和讨论

6．2．1 含Cu的β”析出相的原子尺度结构和化学组成

6．2．2 在峰时效和过时效结构中C析出相的微观结构

6．2．3 含Cu的G．P．区的结构特征

6．2．4 6111合金时效过程中的析出序列

6．2．5 时效过程中溶质原子聚集体的成分演变

6．3 结论

7 6111 Al-Mg-Si-Cu合金时效过程中各尺度析出物体积分数的测量

7．1 引言

7．2 固溶微观结构中颗粒体积分数的测量

7．3 欠时效微观结构中原子团簇和G．P．区体积分数的测量

7．4 过时效微观结构中针／板条／棒状析出相体积分数的测量

7．4．1 方法选择

7．4．2 基于CBED和其他技术对合金过时效微观结构的测量

7．5 小结和工作展望

8 全文总结

8．1 主要结论

8．2 创新点

参考文献

附录

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢