高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形納米晶Al–Mg合金的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

2.1萬字 43頁 原創(chuàng)作品，已通過查重系統(tǒng)

摘要 大塑性變形 (SPD) 是目前來說唯一可以生產(chǎn)塊體亞微米、納米結(jié)構(gòu)材料的加工方法。高壓扭轉(zhuǎn) (HPT) 是大塑性變形中細(xì)化晶粒能力最強(qiáng)的技術(shù)，能制備出晶粒尺寸小于100 nm的納米結(jié)構(gòu)材料，是SPD中最有前途的技術(shù)之一。作為一種重要的不可熱處理合金，Al–Mg鋁合金 (5xxx系列) 是迄今為止在低溫儲(chǔ)罐、鋁墻板、照明產(chǎn)品、內(nèi)存磁盤基板、船用發(fā)動(dòng)機(jī)部件等方面應(yīng)用最廣泛的鋁合金材料。同時(shí)，由于鋁鎂鋁合金與2xxx系列和7xxx系列鋁合金相比，耐腐蝕性好、可再生能力更強(qiáng)、密度更低且成本更低，已被廣泛用于車身內(nèi)部面板等汽車部件。最近的研究表明，以鎂為主要添加元素的 SPD Al–Mg鋁合金，其性能如加工硬化速率、熱穩(wěn)定性、位錯(cuò)增殖能力、晶粒細(xì)化均得以提高，從而可提高合金的強(qiáng)度和塑韌性。因此，研究高壓扭轉(zhuǎn)變形鋁鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有十分重要的意義。
本文以三種二元Al–Mg (0.5%，1.0%，2.5%Mg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 合金和一種商業(yè)AA5182 (Al-4.1Mg-0.35Mn-0.13Si-0.32Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 鋁合金為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形，通過測(cè)試變形前后的硬度、強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能，結(jié)合透射電鏡 (TEM)、高分辨透射電鏡 (HRTEM) 以及X射線衍射 (XRD) 等微觀分析手段，分析變形后合金的位錯(cuò)、晶界、層錯(cuò)和孿晶等微觀結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果總結(jié)如下：
(1) 對(duì)尺寸小于100 nm的晶粒，晶內(nèi)無位錯(cuò)，其晶界清晰平直；而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由幾個(gè)亞晶或位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)組成，局部位錯(cuò)密度可高達(dá)1017 m-2，這些位錯(cuò)往往以位錯(cuò)偶和位錯(cuò)環(huán)的形式出現(xiàn)。
(2) 用HRTEM觀察到了小角度及大角度非平衡晶界、小角度平衡晶界和大角度Σ9平衡晶界等不同的晶界結(jié)構(gòu)，分析了局部高密度位錯(cuò)、位錯(cuò)胞和非平衡晶界等在晶粒細(xì)化過程中的作用，提出了高壓扭轉(zhuǎn)Al–Mg合金的晶粒細(xì)化機(jī)制。
(3) 用HRTEM觀察到了一些特殊的層錯(cuò)和孿晶，如由4層層錯(cuò)疊加而形成的厚度為1 nm的特殊納米孿晶，證實(shí)了Yamakov等人分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)到的均質(zhì)形核和長(zhǎng)大的孿生機(jī)制；在晶粒尺寸20W22;50 nm晶粒內(nèi)，經(jīng)常存在密度極高的納米孿晶和層錯(cuò)，局部密度高達(dá)1016W22;1018 m-2，厚度僅為 0.2W22;1 nm，證實(shí)了Yamakov等人分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)的非均質(zhì)形核和長(zhǎng)大的孿生機(jī)制。
(4) 高壓扭轉(zhuǎn)變形后，Al–Mg合金的晶粒尺寸隨著Mg含量的增大而減小，TEM暗場(chǎng)像測(cè)得晶粒尺寸范圍為265 nm到71 nm，已達(dá)納米量級(jí)；HPT后Al–Mg合金的強(qiáng)度和硬度隨Mg含量的增大明顯提高，分別是未變形試樣的3–4倍和3–6倍，其中AA5182的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度最大，分別達(dá)到690 MPa和800 MPa。但是，隨Mg含量的增大，HPT變形后的Al–Mg合金伸長(zhǎng)率明顯下降，高壓扭轉(zhuǎn)Al–0.5Mg合金的伸長(zhǎng)率為16%，其它HPT合金的伸長(zhǎng)率均小于5%。
(5) 根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，定量分析了幾種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)高壓扭轉(zhuǎn)Al–Mg合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，其中細(xì)晶強(qiáng)化占27%~34%，是強(qiáng)化機(jī)制的重要部分；位錯(cuò)強(qiáng)化占11%~23%，位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)合金強(qiáng)度的提高隨Mg含量的增大而增加。計(jì)算結(jié)果表明，傳統(tǒng)強(qiáng)化機(jī)制對(duì)高壓扭轉(zhuǎn)變形Al–Mg合金整個(gè)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)僅占50%左右，因此，層錯(cuò)、孿晶、非平衡晶界和溶質(zhì)偏析等納米結(jié)構(gòu)可能對(duì)合金的強(qiáng)度也具有重要作用。



關(guān)鍵詞：高壓扭轉(zhuǎn); 鋁鎂合金; 位錯(cuò); 層錯(cuò)和形變孿晶; 晶界結(jié)構(gòu); 強(qiáng)化機(jī)制