AlCuMg合金析出相微結構與工藝及性能的關系研究.pdf

1、Al-Cu-Mg合金是航天航空用主要結構材料之一，其強化的主要原因在于Al基體中形成的強化析出相。為了提高Al-Cu-Mg合金的綜合力學性能，即較高的強度和較高的韌性，就要獲得相應形態(tài)的析出相。因此，認識析出相的結構、種類、形貌、尺寸、分布、析出相與位錯、不同種類析出相之間的相互聯系，以及析出相形態(tài)隨時效條件的演化規(guī)律等析出相的形態(tài)特征，就成了調控合金性能的重要途徑。近年來，國內外學者對此已經作了大量的工作和報道，并得到了很大進展，但仍

2、然存在一些問題有待闡明和澄清。針對該領域存在的一些典型科學問題，本論文通過調節(jié)熱處理工藝，采用不同的性能表征手段，和先進的原子分辨率透射電鏡(TEM)和掃描透射電鏡(STEM)技術，結合第一原理計算技術，對目標Al-Cu-Mg合金的工藝、性能和微觀組織結構，以及它們間的本征關系，展開了系統(tǒng)的實驗研究和細致的分析、理解研究，獲得了一些有意義的結果。論文獲得的主要結果如下:
　　(1)從對AA2024合金180℃單級時效析出規(guī)律的觀察

3、表明，合金中主要有兩種系列的強化析出相，即S相和GPB區(qū)，以及它們的亞穩(wěn)前驅體。其中S相是一種板條狀相，它的基本位向關系為[100]S//[100]Al，[010]S//[021]Al，[001]S//[012]Al。本文實驗觀察表明，S相可環(huán)繞<100>S軸作出小角度調整旋轉，以達到應變能降低的狀態(tài)。在其轉動過程會伴隨晶格常數，形貌和界面的變化。S相的轉動現象與時效條件有關，時效時間越長，溫度越高，越容易觀察到轉動的S相，且轉動與否與

4、析出相尺寸無關。由于轉動S相通常需要較高的時效溫度或較長的時效時間才能形成，且常常尺寸過大而對合金的硬度貢獻有限。此外，S相既可以獨立形核，也可以在第二相界面處形核，后者形核的S相形貌像比同條件下獨立形核的S相多為柱狀。
　　(2)在較高的溫度下或較低溫度但較長時間的時效時間內，GPB區(qū)作為另外一種主要析出相，可以與S相同時形成，也可以圍繞S相伴隨著其進一步長大而慢慢形成，在長時間時效以后又會消失。GPB區(qū)為一維針狀晶體，在其橫截

5、面內無周期結構。
　　(3)在180℃時效初期可在合金中觀察到大量的第二相和位錯缺陷。其中第二相與Al基體的界面可為S相提供形核質點。同時，過去人們將在時效早期的鋁合金中形成的位錯缺陷認為是“位錯圈”，本文通過對合金中位錯的一系列TEM衍襯像分析，得出AA2024合金中形成的位錯實為蜷線位錯，它的形成與S相(早期的)和Al基體界面匹配性差以及溶質原子偏聚有關。
　　(4)不同溫度、不同時間時效樣品的TEM觀察結果表明，S相的

6、形核和生長具有很強的各向異性和受溫度影響的特征，同時伴隨低維相轉變。因為S相具有正交的晶體學結構，導致其生長具有各向異性特征。但特別的是，由于S相的厚度生長需要經過其前驅相GPS2-Ⅱ才能實現，又因為在較高溫度(＞180℃)下，GPS2-Ⅱ沿寬度方向的生長被在其兩端快速形成的GPB單元阻擋，所以高溫下S相的平均寬長比要明顯小于其低溫下的平均寬長比。同時，我們的研究還顯示盡管GPB單元和S相能成一個GPB-S或GPB-GPS2-Ⅱ復合體，

7、但GPB區(qū)并不能直接轉變成S相，反之也一樣。
　　(5)在理解合金單級時效硬化規(guī)律的基礎上，為提高合金的強度和韌性，本文探討了多級時效(T6I4和T6I6時效)對合金的性能和顯微組織影響規(guī)律。研究表明，相對于T6處理，T6I4和T6I6增加了一個中斷時效，在這個過程中合金中不能析出更多的強化相（S相和GPB區(qū)）。與T6條件相比，T6I4可使合金獲得較好的韌性，源于合金中形成了原子團簇。而在接下來的再時效過程中合金中也沒有更多S相形