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.pdf

1、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)是大塑性變形中細化晶粒能力最強的技術(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罐、鋁墻板、照明產(chǎn)品、內(nèi)存磁盤基板、船用發(fā)動機部件等方面應(yīng)用最廣泛的鋁合金材料。同時，由于鋁鎂鋁合金與2xxx系列和7xxx系列鋁合金相比，耐腐蝕性

2、好、可再生能力更強、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、位錯增殖能力、晶粒細化均得以提高，從而可提高合金的強度和塑韌性。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-0.35

3、Mn-0.13 Si-0.32Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)鋁合金為研究對象，對其進行高壓扭轉(zhuǎn)大塑性變形，通過測試變形前后的硬度、強度和伸長率等力學(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、晶界、層錯和孿晶等微觀結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1)對尺寸小于100 nm的晶粒，晶內(nèi)無位錯，其晶界清晰平直;而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由幾個亞晶或位錯胞結(jié)構(gòu)組成

4、，局部位錯密度可高達1017m-2，這些位錯往往以位錯偶和位錯環(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、位錯胞和非平衡晶界等在晶粒細化過程中的作用，提出了高壓扭轉(zhuǎn)Al-Mg合金的晶粒細化機制。
　　(3)首次在高壓扭轉(zhuǎn)Al-Mg合金中用HRTEM同時觀察到由0°純螺型和60°混合全位錯分解為部分位錯而形成層錯的位錯擴展方式

5、，其中0°純螺型全位錯分解為兩個30° Shockley部分位錯，60°混合位錯分解為90°和30° Shockley部分位錯，所形成層錯的寬度為3-5 nm。
　　(4)用HRTEM觀察到了一些特殊的層錯和孿晶，如由4層層錯疊加而形成的厚度為1nm的特殊納米孿晶，證實了Yamakov等人分子動力學(xué)模擬預(yù)測到的均質(zhì)形核和長大的孿生機制;在晶粒尺寸20-50 nm晶粒內(nèi)，經(jīng)常存在密度極高的納米孿晶和層錯，局部密度高達1016-101

6、8 m-2，厚度僅為0.2-1 nm，證實了Yamakov等人分子動力學(xué)模擬預(yù)測的非均質(zhì)形核和長大的孿生機制。依據(jù)經(jīng)典位錯理論和晶界發(fā)射部分位錯的機制，提出了描述超細晶面心立方金屬和合金中層錯和形變孿晶形核長大的公式模型。
　　(5)高分辨透射電鏡觀察表明，在不同滑移面上的層錯相交時，形成層錯而產(chǎn)生的拖曳部分位錯相遇可反應(yīng)生成壓桿位錯和Lomer-Cottrell位錯鎖。
　　(6)高壓扭轉(zhuǎn)變形后，Al-Mg合金的晶粒尺寸隨

7、著Mg含量的增大而減小，TEM暗場像測得晶粒尺寸范圍為265 nm到71 nm，已達納米量級;HPT后Al-Mg合金的強度和硬度隨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的屈服強度和極限抗拉強度最大，分別達到690MPa和800MPa。但是，隨Mg含量的增大，HPT變形后的Al-Mg合金伸長率明顯下降，高壓扭轉(zhuǎn)Al-0.5Mg合金的伸長率為16％，其它HPT合金的伸長率均小于5％。
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