Al-Zn-Mg-Cu合金微觀(guān)組織及析出行為研究.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu超高強(qiáng)鋁合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器裝備和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。研究者對(duì)該系鋁合金進(jìn)行了廣泛研究。然而彌散相 E(Al18Cr2Mg3)的性質(zhì)、η(MgZn2)相的非均勻析出行為、熱暴露對(duì)組織和性能的影響以及等徑轉(zhuǎn)角擠壓(equal channel angular pressing，ECAP)對(duì)時(shí)效析出的影響仍需進(jìn)一步深入的研究。本文選用7475和7050鋁合金，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　依據(jù) Bilby和C

2、rocker的孿生理論，基于高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscopy，HRTEM)和TEs孿晶參數(shù)計(jì)算軟件，在原子級(jí)別上幾何地描述了單胞中包含184個(gè)原子的E相的孿生行為，計(jì)算了單胞中每個(gè)原子的調(diào)制位移和角度。結(jié)果表明，E相孿生時(shí)需要184個(gè)原子都調(diào)制才能完成，調(diào)制的計(jì)算結(jié)果可以分成22組，原子的總位移矢量可以分成76組。
　　采用透射電子顯微鏡(tra

3、nsmission electron microscopy，TEM)、高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy，HAADF-STEM)和HAADF-STEM三維重構(gòu)技術(shù)，研究了E相的晶體學(xué)特征和三維形態(tài)分布，確認(rèn)了E相的三維形態(tài)有以下7種：(i)在{111}Al面上的三角形片；(ii)在{111}Al面上

4、的六邊形片；(iii)沿<110>Al方向的棒；(iv)具有{111}Al面的四面體；(v)八面體；(vi)球形和(vii)不規(guī)則形狀。
　　通過(guò)HRTEM原位觀(guān)察，研究了300 keV電子輻照對(duì)E相穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，E相在300 keV的電子輻照下不穩(wěn)定。顆粒厚度對(duì)其結(jié)構(gòu)變化有很大影響。厚顆粒在電子輻照下發(fā)生晶體-無(wú)定形(crystalline-to-amorphous，C-A)轉(zhuǎn)變，并且無(wú)定形相在繼續(xù)輻照下是穩(wěn)定的；薄顆

5、粒在電子輻照下先發(fā)生 C-A轉(zhuǎn)變，而后在電子繼續(xù)輻照下最終溶解于Al基體中。其主要原因是厚顆粒無(wú)定形化后缺陷濃度高，大量的溶質(zhì)原子完全擴(kuò)散進(jìn)入Al基體相對(duì)困難；然而薄顆粒中少量的溶質(zhì)原子完全擴(kuò)散進(jìn)入Al基體相對(duì)容易。
　　運(yùn)用HRTEM和HAADF-STEM三維重構(gòu)技術(shù)，研究了η相沿E/Al相界的非均勻析出行為。結(jié)果表明，η相在不同形態(tài)和不同體積的E相顆粒界面以及同一個(gè)E相顆粒界面析出時(shí)，其形核位置、形核率、生長(zhǎng)速率和形態(tài)有很大差

6、異。說(shuō)明E相的界面能和彈性應(yīng)變能是η相在E/Al相界形核、生長(zhǎng)和粗化的決定性因素。η相長(zhǎng)大屬于擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變，主要通過(guò)相界高速擴(kuò)散傳輸溶質(zhì)原子。
　　通過(guò)HRTEM、HAADF-STEM和能譜(energy dispersive X-ray spectroscopy，EDX)分析，研究了η相沿小角晶界析出序列。結(jié)果表明，時(shí)效溫度為135℃時(shí)，η相沿小角晶界析出序列為：supersaturated solid solution(SSS

7、)→vacancy-rich clusters(VRC)→GPII區(qū)→η′→η。淬火空位在晶界偏析中起重要的作用。基于非平衡晶界偏析理論和非平衡晶界共偏析理論，在時(shí)效過(guò)程中，通過(guò)空位-溶質(zhì)原子復(fù)合體(Mg-V、Cu-V和Mg-Zn-V)，溶質(zhì)原子(Mg、Cu和Zn)逐漸偏析到晶界。析出相形成元素的晶界偏析影響沿小角晶界析出的VRC、GPII區(qū)、η′相以及η相的形核和生長(zhǎng)。
　　利用光學(xué)顯微鏡(optical microsopy，O

8、M)、TEM和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，研究了在100℃、125℃、150℃和175℃，分別熱暴露100h、500h和1000h后7475-T761鋁合金板材的微觀(guān)組織和拉伸斷口形貌，分析了熱暴露對(duì)微觀(guān)組織和拉伸斷裂行為的影響，歸納了合金微觀(guān)組織與室溫拉伸性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著熱暴露溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，7475-T761鋁合金總體上表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，延伸率升高。其主要原因是

9、基體析出相長(zhǎng)大粗化、晶界析出相粗化以及晶界無(wú)析出帶寬化；隨著熱暴露溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，合金的斷裂機(jī)制大體呈現(xiàn)由沿晶斷裂和韌窩斷裂組成的混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚ыg窩斷裂。影響合金斷裂行為的主要因素是基體與晶界之間的強(qiáng)度差別。
　　采用電子背散射衍射技術(shù)(electron backscattered diffraction，EBSD)、TEM、HRTEM和VNT QuantLab-MG定量金相軟件，研究了ECAP對(duì)7050鋁合金時(shí)效析出行為

10、的影響。結(jié)果表明，ECAP擠壓加速了7050鋁合金的時(shí)效析出過(guò)程，同時(shí)導(dǎo)致析出相尺寸分布寬化。ECAP擠壓不僅產(chǎn)生過(guò)量空位和高密度位錯(cuò)，而且產(chǎn)生了變形熱。試樣在通過(guò)主變形區(qū)時(shí)，溫度高達(dá)151℃，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)析出，形成了一些 GPII區(qū)。在隨后的人工時(shí)效過(guò)程中，這些 GPII區(qū)將加速析出，并且引起析出相尺寸分布寬化。高密度位錯(cuò)主要導(dǎo)致析出相在位錯(cuò)上的形核、生長(zhǎng)和粗化。此外，空位和溶質(zhì)流動(dòng)到位錯(cuò)，引起基體的均勻析出與位錯(cuò)的非均勻析出之間的競(jìng)