微合金化Al-Mg-Si合金中析出相演变和热处理工艺研究

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可热处理强化的6000系Al-Mg-Si合金具有密度低、比强度高、良好的成形性和耐蚀性等优点,广泛应用于汽车覆盖件上。这些合金的主要特点是能够在热处理过程中形成大量的纳米析出相来强化合金。微合金化是提高Al-Mg-Si合金机械性能的有效方法之一。理解微合金化元素对于Al-Mg-Si合金析出序列和机械性能的影响至关重要。溶质原子偏聚能够显著影响析出相的形貌和强化能力,因此理解溶质原子偏聚、析出相形貌和强化能力之间的关系,对于提高Al-Mg-Si合金的机械性能至关重要。此外,为了使合金获得成形性和烘烤硬化性的优良结合,需要充分理解热处理工艺与微合金化对于Al-Mg-Si合金中析出强化行为的协同影响。本研究设计了含有不同Ag、Cu含量的四种Al-1.1Mg-0.7Si合金,主要通过原子分辨率的高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、透射电子显微镜(TEM)和三维原子探针(3DAP)等表征技术,以及热分析、硬度和拉伸测试,并结合密度泛函理论计算,系统研究了:(1)微量添加Ag和Cu对于Al-Mg-Si合金自然时效和析出强化行为的影响;(2)Ag的添加对Al-Mg-Si合金析出相演变机制的影响;(3)Cu在不同析出相界面处的偏聚行为;(4)预时效及微合金化对Al-Mg-Si合金析出强化的协同影响,得出的主要结论有以下几点:(1)Ag和Cu能够显著影响Al-Mg-Si合金的自然时效和人工时效析出行为,进而影响强度。自然时效阶段,Ag和Cu都能够提高Al-Mg-Si合金长期自然时效后的硬度。与Cu相比,含Ag的Al-Mg-Si合金具有较低的T4态硬度,有利于合金T4态的冲压成形性。人工时效阶段,Ag和Cu的添加可以促进Al-Mg-Si合金的析出动力学和析出强化作用,使得析出相更加细小密集分布,尤其是Ag元素。(2)Ag元素添加到Al-Mg-Si合金中能够改变不同时效阶段析出相的原子结构。在时效早期阶段,Ag原子参与团簇的形核与长大,改变团簇的化学成分,促进合金的析出动力学。在峰值时效阶段,Ag原子优先偏聚在GP区和β″析出相的界面处,取代FCC基体中Al原子的位置。在过时效阶段,Ag逐渐进入到β″相的内部,促进Si网格的形成,并形成对称性亚结构Ag sub-unit(1)和Ag sub-unit(2)。随着时效时间的延长,Ag sub-unit(1)亚结构转变为β′Ag1和β′Ag2单胞,Ag sub-unit(2)亚结构的有序排列则形成Q′Ag单胞。在过时效析出相中存在β′、β′Ag1、β′Ag2和Q′Ag单胞共存的现象。在平衡态阶段,Ag原子逐渐从析出相内部释放到基体中,并且有少量Ag颗粒形成。总而言之,在Al-Mg-Si-Ag合金的整个时效阶段,Ag原子经历了“偏聚在析出相界面处→进入析出相内部→释放到基体中”三个阶段。(3)在Al-Mg-Si-Ag合金中,几乎所有亚稳析出相的界面处都存在Ag原子偏聚的现象。Ag原子的偏聚可以降低析出相界面处的能量。对于过时效阶段形成的β′相来说,Ag偏聚可以显著提高析出相的长径比,使其具有更高的强化能力。而对于峰值阶段形成的β″相来说,Ag偏聚对于析出相的形貌影响不大。(4)在Al-Mg-Si-0.01Cu合金过时效阶段,β′相具有多种形貌和取向。在所有的β′相中均观察到Cu原子偏聚在β′/α-Al界面处的现象。对于棒状β′析出相来说,与α-Al基体具有多种取向关系,且β′-angle的值处于6.1o到14.1o之间,少量Cu原子无序偏聚在β′/α-Al界面处。而对于板条状β′析出相来说,具有固定的取向且β′-angle的值为0o,Cu原子周期性偏聚在板条状β′相的共格界面处。(5)板条状的β′相、C相和QP2相的惯习面上都存在有Cu原子偶数间距的偏聚的现象,即dCu=4dAl,6dAl,8dAl。这是由于析出相内部β′和C单胞的有序排列以及界面处的Cu原子与Si原子之间强烈的相互作用能造成的。Cu原子偏聚在析出相的共格界面处可以调节析出相端部的点阵错配,降低析出相半共格界面的应变能。(6)Ag和Cu的添加及预时效的共同作用能够显著提高Al-Mg-Si合金的力学性能。Ag/Cu的添加能够促进Al-Mg-Si合金在预时效阶段团簇(2)的形成,从而提高预时效在抑制自然时效的有害作用和促进合金烘烤硬化方面的效果。但当Ag和Cu单独添加时,能够提高合金在T4P态下的强度和硬度,不利于合金的冲压成形性。当Ag和Cu共同添加时,使得Al-Mg-Si合金具有较低的T4P态硬度和较高的烘烤硬度,具有良好的综合性能。
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