铝合金表面纳米化微观结构及晶粒细化机制研究

摘要

纳米晶材料由于结构独特，性能优异而倍受关注。但是由于制备技术和团聚问题等未能解决，目前难以获得高纯，致密，界面清洁的理想三维块体纳米晶材料。随着对纳米材料研究的不断深入与纳米技术的不断发展，将表面改性与纳米技术相结合来制备纳米晶块体材料得到了人们的广泛重视。这样可以通过提高材料表面性能来提高材料的整体性能。目前通过表面高能喷丸技术，在金属材料表面已经成功制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现了表面纳米化。然而对于金属材料表层纳米结构的微观组织演变，性能与结构的关系尚缺乏系统的认识和深入的理解。因此，深入系统的研究强烈塑性变形导致的纳米晶粒形成机制和技术对纳米材料合成与应用具有十分重要的意义。 本论文研究了表面高能喷丸方法制备纳米晶块体材料的工艺技术和纳米化机理。采用金相显微镜，X-射线衍射仪(XRD)，透射电子显微镜(TEM)和高分辨电子显微镜(HRTEM)等测试设备系统的研究了表面高能喷丸处理后Al-Zn-Mg合金表面层不同深度的微观结构特征，测试了表面层不同深度的硬度分布。根据表面层应变引入的微观结构特征，提出了Al-Zn-Mg合金表面高能喷丸导致晶粒细化的机制。 主要研究结果如下： 1.Al-Zn-Mg合金经过表面高能喷丸处理后，表层形成了等轴、随机取向的纳米晶粒，最小晶粒平均尺寸约为20nm。表面层微观结构随距离表层深度的增加呈现梯度变化，依次可分为：纳米晶层，亚微米晶层，过渡层及基体。随距离表层深度的增加，微观应变减小，晶粒、亚晶、位错胞结构尺寸增大。 2.表面高能喷丸处理Al-Zn-Mg合金表层晶粒细化导致硬度明显增大，随深度增加(即晶粒尺寸增大)，硬度值减小。 3.高应变量、高应变速率的塑性变形对Al-Zn-Mg合金样品表层纳米晶粒的形成起到了重要作用。在高应变速率变形条件下，细化晶粒尺寸可以减小到纳米量级。Al-Zn-Mg合金表面高能喷丸晶粒细化主要包括以下三个物理过程： (1)位错墙和位错缠结结构在原始晶粒或细化的晶粒、亚晶粒内形成； (2)随位错墙或位错缠结结构演变成小角度取向差的亚晶界，亚晶粒形成； (3)亚晶界随应变量增加，逐渐演变成大角晶界，形成纳米晶层； 4.塑性变形区有两种主要的位错组态：位错墙和位错缠结。位错墙是通过应变引起的位错滑移、积聚而形成。位错缠结是高密度位错混乱交织在一起的位错排列。随应变的增加，这两种位错组态逐渐演变成位错胞和亚晶。 5.在表面高能喷丸处理时，晶粒细化遵循逐渐细分原则，随变形应变量增加，晶粒细分过程可以不断进行：即在细化的晶粒、亚晶粒内，通过产生新的位错，形成新的位错墙和亚晶界，可以实现进一步的晶粒细化，使获得的细化晶粒尺寸不断减小。 6.高能喷丸处理时效Al-Zn-Mg合金表面纳米化过程中发生了析出相的回溶，再时效后析出相出现。回溶原因可能是由于α固溶体的晶粒尺寸超细化而导致固溶度增加。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第二章表面高能喷丸工艺

第三章表面高能喷丸Al-Zn-Mg合金微观组织结构

第四章表面高能喷丸Al-Zn-Mg合金晶粒细化机制

第五章高能喷丸Al-Zn-Mg合金过程中析出相的回溶

第六章总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文