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湖南大學(xué)陳江華《JMST》:位錯(cuò)誘導(dǎo)析出,調(diào)控鋁合金時(shí)效強(qiáng)化!

論文信息


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題目:Structures and formation mechanisms of dislocation-induced precipitates in relation to the age-hardening responses of Al-Mg-Si alloys

第一作者:賴(lài)玉香

通訊作者:陳江華

通訊單位:湖南大學(xué)

論文DOI:10.1016/j.jmst.2019.11.001



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在小變形后熱處理的Al-Mg-Si合金中,位錯(cuò)誘導(dǎo)的析出相顆粒往往會(huì)連續(xù)排布在基體中,與基體中彌散分布的析出強(qiáng)化顆粒一起形成復(fù)雜的微結(jié)構(gòu),對(duì)材料性能產(chǎn)生深刻影響。由于表征工具和研究方法的局限,該合金中位錯(cuò)誘導(dǎo)的析出相復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和其形成機(jī)理一直沒(méi)有得到較徹底的認(rèn)識(shí)理解。本研究利用先進(jìn)電鏡原子成像技術(shù)結(jié)合處理工藝,揭示了這種復(fù)雜析出相的結(jié)構(gòu)和形成規(guī)律,并且發(fā)現(xiàn)它們對(duì)合金中的基體強(qiáng)化析出相和時(shí)效硬化性能有顯著影響。



背景介紹


Al-Mg-Si合金由于具有較高的比強(qiáng)度、良好的成形性、出色的可焊接性和耐蝕性等,是汽車(chē)車(chē)身用鋁合金的關(guān)鍵材料。作為可時(shí)效強(qiáng)化合金,Al-Mg-Si合金優(yōu)異的綜合性能主要取決于合金在熱處理過(guò)程中形成的大量彌散的納米析出相。在以往的合金研發(fā)中,人們通常習(xí)慣根據(jù)合金成分分類(lèi)來(lái)判斷某種合金的主要強(qiáng)化析出相和性能。但近期一些研究結(jié)果正在改變這種情況,因?yàn)檠芯勘砻魍环N成分的合金在不同的工藝條件和微合金化元素作用下其析出相的析出相變序列可能發(fā)生反轉(zhuǎn)。因此,在本文中我們提出,根據(jù)合金中正常熱處理?xiàng)l件下形成的主要強(qiáng)化析出相的類(lèi)型,可以把Al-Mg-Si合金分為兩類(lèi):β"相強(qiáng)化的合金和β'相強(qiáng)化的合金。但復(fù)雜的工藝處理和微合金化可能改變和可以調(diào)控其中的強(qiáng)化析出相類(lèi)型和性能。


在工業(yè)生產(chǎn)中,鋁合金往往在最終時(shí)效處理前會(huì)經(jīng)歷一定程度的小變形(應(yīng)變<10%),如成型或矯直過(guò)程。已有研究證明,在β"相強(qiáng)化的Al-Mg-Si合金中引入小變形會(huì)造成時(shí)效過(guò)程中無(wú)序析出相在位錯(cuò)處形成,并降低合金的時(shí)效硬化潛力。然而,這些無(wú)序析出相的精確原子結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制及其與基體析出相之間的聯(lián)系仍有待研究



本文亮點(diǎn)


本文揭示了小變形預(yù)處理的Al-Mg-Si合金中位錯(cuò)誘導(dǎo)的析出相主要為短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序的納米多晶相和多相復(fù)合相,并且發(fā)現(xiàn)它們的形成會(huì)造成在β"相強(qiáng)化的合金基體中β"相發(fā)生粗化,而在β'相強(qiáng)化的合金基體中β'相反轉(zhuǎn)成β"相,從而導(dǎo)致前一類(lèi)合金的時(shí)效硬化潛力降低,而后一類(lèi)合金的時(shí)效硬化潛力升高。



圖文賞析


研究采用兩種代表性的Al-Mg-Si合金:A合金(Mg/Si=1)和B合金(Mg/Si=2),人工時(shí)效溫度為250℃,熱處理工藝包括直接人工時(shí)效(簡(jiǎn)稱(chēng)為AA處理)和5%小變形+人工時(shí)效(簡(jiǎn)稱(chēng)為PDA處理)。


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圖1 經(jīng)AA處理(a)和PDA處理(b)的A合金整體的析出相微觀組織。


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圖2 經(jīng)AA處理(a,c)和PDA處理(b,d)的B合金整體的析出相微觀組織和基體析出相。


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圖3 位錯(cuò)誘導(dǎo)形成的多晶U2相原子分辨率圖像。


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圖4 位錯(cuò)誘導(dǎo)形成的B'/B'-2/U2復(fù)合相和B'-2相原子分辨率圖像。


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圖5 位錯(cuò)誘導(dǎo)形成的β'/β'-2復(fù)合相和β'/U2復(fù)合相原子分辨率圖像。


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圖6 小變形引入的位錯(cuò)和位錯(cuò)誘導(dǎo)的析出相三維示意圖。



總結(jié)與展望


本文系統(tǒng)地研究了兩種具有代表性的Al-Mg-Si合金中位錯(cuò)誘導(dǎo)析出相的原子結(jié)構(gòu)及其對(duì)基體析出相和時(shí)效硬化的影響,豐富了對(duì)Al-Mg-Si合金時(shí)效析出的認(rèn)識(shí)和理解,為實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)合金成分和通過(guò)預(yù)變形調(diào)控組織結(jié)構(gòu)和性能提供了理論基礎(chǔ)。


作者介紹


賴(lài)玉香,2009-2019年在湖南大學(xué)材料學(xué)院獲學(xué)士和博士學(xué)位,師從陳江華教授從事鋁合金的微結(jié)構(gòu)表征和電子顯微技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究,發(fā)表論文10余篇,曾獲國(guó)家勵(lì)志獎(jiǎng)學(xué)金和國(guó)家研究生獎(jiǎng)學(xué)金?,F(xiàn)為湖南大學(xué)材料學(xué)院助理教授、全國(guó)首批“黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”成員。


陳江華,湖南大學(xué)材料學(xué)院教授,長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,全國(guó)首批“黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”負(fù)責(zé)人,全國(guó)優(yōu)秀科技工作者,教育部科技委材料學(xué)部委員,亞太材料科學(xué)院院士。長(zhǎng)期從事材料的微結(jié)構(gòu)表征研究和先進(jìn)電子顯微學(xué)技術(shù)的理論和方法學(xué)研究。曾是世界上第一臺(tái)球差矯正電鏡樣機(jī)的測(cè)試研究員,為推動(dòng)該先進(jìn)電鏡的蓬勃發(fā)展作出過(guò)實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)并提出過(guò)寶貴建議。曾是歐洲波函數(shù)重構(gòu)(電子全息)技術(shù)發(fā)展的參與者,回國(guó)后在湖南大學(xué)建立起有自己特色優(yōu)勢(shì)的軟件矯正電鏡技術(shù)平臺(tái)并成功應(yīng)用于鋁合金微結(jié)構(gòu)測(cè)量表征。在電子顯微學(xué)理論和技術(shù)以及材料研究方面發(fā)表過(guò)150余篇論文和11項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利,其中以第一和通訊作者在Science發(fā)表過(guò)關(guān)于汽車(chē)車(chē)身用鋁合金材料的論文。主持過(guò)國(guó)防基礎(chǔ)研究、國(guó)家基金委重大科研儀器項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、“973”計(jì)劃課題、中車(chē)“高鐵材料可靠性與國(guó)產(chǎn)化研究”等課題。



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Y.X. Lai, W. Fan, M.J. Yin, C.L. Wu, J.H. Chen,J. Mater. Sci. Technol. 41 (2020) 127–138.


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