合金化对Al-Zn-Mg-Cu合金重要相、界面及微观组织演变与性能影响的研究

发布时间：2020-08-10 11:44

【摘要】：本文基于密度泛函理论的第一性原理,研究Al_2CuMg/Al界面的原子结构、不同界面模型的结构稳定性以及界面的本质电子相互作用,从原子层面分析探究铝合金增强相的作用机理;实验上采用Ti、Nb和Ho合金化Al-Zn-Mg-Cu铝合金,研究其对合金铸态和均匀化态的微观组织演变和力学性能的影响。主要研究内容如下:(1)基于前人的实验结果,建立Al_2CuMg(001)/Al(021)界面模型。通过采用第一性原理方法,计算界面能和粘附功来比较CuMg和Al终端两种界面模型的稳定性。计算结果表明,CuMg终端的Al_2CuMg(001)表面与Al(021)表面之间形成的界面更加稳定。计算电子结构结果表明,CuMg终端界面更加稳定的主要原因是此界面模型在界面原子Cu 3d、Mg 3p和Al 3p中存在很强的杂化。(2)采用OM、XRD、SEM和DSC等实验手段,研究添加Ti和Nb元素到Al-Zn-Mg-Cu合金后其铸态和均匀化态微观组织和相变化情况。实验结果表明,铸态Al-Zn-Mg-Cu合金组织主要是由Al基体和Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶体共晶相组成。当添加Ti和Nb到合金中形成具有D0_(22)结构的Al_3Ti和Al_3Nb相,Ti和Nb主要以该相形式存在。这些合金在经过380℃/24h均匀化处理后,均出现了Al_2CuMg相,该相主要是通过Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶体转变而成。(3)基于以上实验发现,合金化元素Ti和Nb在铝合金中具有相似的作用,因此采用第一性原理和Rietveld精修方法研究Al_3Ti和Al_3Nb复合相的晶体结构、稳定性和力学性能。计算形成能的结果表明,所有的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶体在热动力学上是稳定的,而且随着Nb浓度的升高稳定性增强。计算的体模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比结果也证实了Nb原子加入Al_3Ti后能提高其强度。计算的电子结构分析也揭示了Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶体的金属性随着Nb原子浓度的升高而降低。使用Rietveld精修方法得到的结果表明,依靠Rietveld精修方法获得的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶体点阵参数a或c分别在3.85-3.86?和8.62-8.66?这样的范围内,这与本文计算值相吻合。(4)联合XRD、SEM和DSC等实验手段,探究不同Ho含量对Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织和力学性能的影响。实验结果表明,添加Ho元素能细化合金的晶粒。当Ho元素含量为0.5 wt.%时,晶粒细化效果是最好。铸态Al-Zn-Mg-Cu合金中主要由α-Al基体相和Mg(Zn,Al,Cu)_2相组成,加入稀土Ho后有Al_8Cu_4Ho相产生。添加适量的Ho元素能提高合金的抗拉强度和硬度,随着Ho元素含量的不断提高,合金的抗拉强度和硬度表现为升高后降低的趋势。相对于其他Ho含量的合金来说,当Ho元素含量为0.5wt.%时,合金的力学性能是较好的,抗拉强度为156.9 MPa,显微硬度为147.6 HV。(5)采用XRD、SEM和DSC等实验手段,以不含Ho和含Ho 0.5 wt.%和0.8 wt.%三种Al-Zn-Mg-Cu合金作为研究代表对象,研究不同均匀化时间和温度对这些合金微观组织演变和力学性能的影响。实验结果表明,含Ho 0.5 wt.%合金的均匀化处理时间定为24h最佳,均匀化温度设定为465℃为宜。在未含Ho的铸态合金经过均匀化处理后,Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶体在经过465℃温度下均匀化后逐步转化为Al_2CuMg相;含有Ho铸态合金中的Al_8Cu_4Ho相在均匀化处理后消失,多余的Ho进入到Al_2Cu相形成固溶体,起到固溶强化的作用。(6)研究Al-Zn-Mg-Cu合金在热压缩变形过程中流变应力与变形温度、应变速率之间的关系,且计算了各种Ho含量铝合金的热变形激活能和本构方程。结果表明,流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,随着变形温度的降低和应变速率的升高,流变应力相应增加。加入Ho元素合金的激活能均比不加入的要高,其中加入0.5 wt.%Ho时,铝合金的热变形激活能最高,达到156.96 kJ/mol。采用Deform-3D模拟软件对热压缩过程进行模拟,等效应变和等效应力的变化规律与压缩试验得出的结果基本相符。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
【图文】：

铝合金按照工艺特点的分类情况

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图 1-2Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金发展历程与方向[8]Fig.1-2 Development progress and trend of Al-Zn-Mg-Cu series aluminum alloys20 世纪 30 年代后期，日本研究者在 Al-Zn-Mg-Cu 合金的基础上引进 Cr、Mn 和Mo 等合金化元素，成功开发了一种 Al-7.5Zn-1.5Mg-2Cu-0.6Mn-0.25Cr 的高强 ESD 合金，该合金的抗拉强度高达 600 MPa 以上，同时还兼有较好的抗应力腐蚀性能[10]。1943 年美国研发出了 7075 合金，因其具有明显的时效硬化特性而拥有较高的强度，微合金化元素 Cr、Mn 和 Ti 在晶内形成大量提高该合金强度的弥散相，降低合金再结晶百分数，从而大大提高强度[11,12]。随后，美国还研发出良好抗应力腐蚀性能的 7079 和 7001 合金，7079 合金曾应用在 B-52 轰炸机上，但飞机在服役过程中暴露出抗大气腐蚀性能较差的特点，对环境要求苛刻。1968 年，为了能使得飞机更加轻量化且强度更高，美国研究者们开发出了牌号为 7008 的铝合金，应用在机翼蒙皮上[13]。同年，美国铝业公司从调整合金成分入手，提高 Zn/Mg 比值，同时降低其他合金化成分的含量来提高合金的韧性和

形貌,合金,形貌,纳米相

华南理工大学博士学位论文 450℃且在高于 70℃或低于 70℃长时间时效下才'：一般认为 η'是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金的主要强的 MgZn2相，直径约 10-20nm，厚度约几纳米相，只是 GP II 区比 GP I 区稳定，由于 GP I 区比相与铝合金基体的取向关系为η Al{0001} / /{111} 496 nm，c=1.402 nm，与基体保持半共格关系。晶界直接析出，不管哪一种的析出方式，这种的强化相，可大大的提高合金的力学性能[30]。其

【参考文献】