（材料学专业论文）alcumg合金组织与性能研究.pdf

分类号 udc 】8396 39 密痂j 釜鼍晨年! ；j 一。、一 4 密级羔二妻妻冀毫釜 编号 十i 初大警 c e n t rai 。s o u t hu n i v e r s i t y 硕士学位论文 论文题目斛蚓金金组织 与性能研究 学科、专业材料堂 研究生姓名一赳延斌 导师姓名及 专业技术职务塞| 志义教授 i - - 。 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：丝：2 丝迸：日期：蛆年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垒雠导师签每舡日期：埤年月出 1 _ _ _ _ _ _ _ - 一 摘要 摘要 利用常温力学拉伸，高温持久，疲劳裂纹扩展速率测定，热暴露， 差热分析，透射电镜观察和扫描电镜观察等分析和测试方法研究了不 同时效工艺，微合金化对a 卜c u m g 合金的室温力学性能，疲劳性能， 高温持久性能，微观组织结构及其变化规律的影响。优化了热处理制 度，并从理论上进行了分析和讨论。获得了下列结论： 1 对于低c u m g 比的a 1 - c u m g 合金，采用高温短时人工时效( 1 7 0 3 0 m i n 时效) 和自然时效都能获得g p b 区强化组织，经过微观组 织分析表明高温短时人工时效获得的g p b 区比自然时效获得的g p b 区 尺寸要大。力学拉伸和微观组织分析结果表明，自然时效状态和高温 短时人工时效状态合金的强度在1 0 0 热暴露过中变化很小，g p b 区 组织在1 0 0 下能够长期存在。在1 3 5 热暴露过程中高温短时人工 时效后的合金室温强度不随热暴露时间发生变化，但是自然时效后的 合金强度随热暴露时间延长而不断上升。自然时效获得的g p b 区在 1 3 5 不能稳定存在而高温短时人工时效获得的g p b 区在1 3 5 热暴 露中退化很慢。高温短时人工时效合金l t 向的疲劳扩展速率低于自 然时效合金，经过热暴露后仍然相同。但是热暴露使两种状态合金各 自l t 向的疲劳裂纹扩展速率增加；高温短时人工时效合金t l 向的 疲劳裂纹扩展速率和自然时效合金基本相同，但是热暴露使高温短时 人工时效合金t - l 向的疲劳裂纹扩展速率降低，而对自然时效合金的 影响不大。 2 对于含a g 高c u m g 比的a 卜c u m g 合金，时效前的预变形对不同温 度时效合金中竞争析出相的竞争析出有不同影响。预变形促进较低温 时效( 1 6 5 ) 和较高温度( 1 8 5 ) 时效合金中0 析出，但是抑制 较低温度时效合金中q 的析出，而对较高温度时效合金中q 相的析出 影响不大。高温时效( 2 5 0 ) 和低温时效( 1 6 5 ) 对合金中的析出 相也有很大的影响。高温时效能够有效的抑制合金中析出0 相，同 时降低q 相的形核率。但是高温时效能够显著提高合金的持久强度。 3 微量a g 的添加能够改变低c u m g 比的a 卜c u m g 合金的时效析出序 列。经过自然时效然后进行1 0 0 长期热暴露后低c u m g 比的 a 1 一c u - m g _ _ a g 合金中形成了大量0 相的先驱体g p 区；而经过1 7 0 3 0 m i n 时效然后1 3 5 长期热暴露后合金基体中析出了大量细小 摘要 一m g 合金，微合金化，人工时效，力学性能，疲劳裂 能 i i a b s t r a c t t h ee f f e c to fd i f f e r e n ta g i n gt r e a t m e n t sa n dm i c r o a l l o yo nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、f a t i g u ec r a c kg r o w t h 、h i g ht e m p e r a t u r ec r e e p r u p t u r ep r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fa l c u m ga l u m i n u ma l l o y sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e db yt e n s i l ep r o p e r t i e st e s t 、h i g ht e m p e r a t u r ec r e e p r u p t u r et e s t 、f a t i g u ec r a c kg r o w t ht e s t 、t h e r m a le x p o s u r e 、d s ca n a l y s i s 、 s e ma n dt e mo b s e r v a t i o n t h er e s u l t so fs t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h eh a r d e n i n gm i c r o s t r u c t u r e - g p bz o n eo fa 1 - - c u - m ga l u m i n u ma l l o y w i t hl o wc u m gr a t i ow a so b t a i n e db yh i g ht e m p e r a t u r e s h o r tt i m e a r t i f i c i a la g i n gt r e a t m e n t ( 17 0 。c 3 0 m i n ) a n dn a t u r a la g i n gt r e a t m e n t ，b u t t h es i z eo fg p bz o n ea c h i e v e db vh i g ht e m p e r a t u r e s h o r tt i m ea r t i f i c i a l a g i n gt r e a t m e n ti sl a g e rt h a n t h a tb yn a t u r a l a g i n gt r e a t m e n t t h e m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n si n d i c a t et h a tt h eg p bz o n ec o u l de x i s tf o ra l o n gt i m ew h e ne x p o s u r e da t 10 0 b u tt h eg p bz o n eo b t a i n e db y n a t u r a la g i n gt r e a t m e n ti st r a n s f o r m e dw h e ne x p o s u r e da t135 。c ，w h i l e d e g r a d a t i o no fg p b z o n eo b t a i n e db ya r t i f i c i a lt r e a t m e n tw a sv e r ys l o w t h es t r e n g t ho fn a t u r a la g e da l l o yi n c r e a s e dw i t he x p o s u r et i m ed u r i n g t h e r m a le x p o s u r ea t135 。c ，b u tt h es t r e n g t ho fa r t i f i c i a la g e da l l o yd i dn o t c h a n g e dw i t he x p o s u r et i m e t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t eo fa r t i f i c i a l a g e da l l o yo ft h el td i r e c t i o ni sl o w e rt h a nn a t u r a la g e da l l o y , a n di t i s t h es a m ea f t e rt h e r m a le x p o s u r ef o r2 0 0 0 ha t10 0 b u tt h ef a t i g u ec r a c k g r o w t hr e s i s t a n c eo ft h et w oa g i n gt r e a t m e n tw a sd e g e n e r a t e dd u r i n g t h e r m a le x p o s u r e t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t eo ft h et - li st h es a m e b e t w e e na r t i f i c i a l a g e d a n dn a t u r a l a g e da l l o y t h e r m a le x p o s u r e i n c r e a s e dt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr e s i s t a n c eo fa r t i f i c i a la g e da l l o ya n d h a sl i t t l ee f f e c to i lt h en a t u r a la g e da l l o y 2 t h ee f f e c to fp r e s t r e t c ho np r e c i p i t a t i o no fc o m p e t i t i v ep r e c i p i t a t e so f a 1 c u m g - a ga l u m i n u ma l l o yw i t hh i g hc t u ，m gr a t i ow h e na g i n ga t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n t t h ep r e s t r e t c hp r o m o t e dp r e c i p i t a t i o n o f0 w h e nt h ea l l o yi sa g i n ga tl o w e rt e m p e r a t u r e ( 16 5 。c ) a n da th i g h e r t e m p e r a t u r e ( 18 5 。c ) b u ti td e p r e s s e dp r e c i p i t a t i o no fq w h e na g i n ga t l o w e rt e m p e r a t u r e a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep r e s t r e t c ho np r e c i p i t a t i o no f qi s v e r ys l i g h tw h e na g i n ga th i g h e rt e m p e r a t u r e t h ep r e c i p i t a t i o n i 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t i s v e r yd i f f e r e n tb e t w e e nh i g ht e m p e r a t u r ea g i n g ( 2 5 0 。c ) a n dl o w t e m p e r a t u r e ( 16 50 c ) t h eh i g ht e m p e r a t u r ed e p r e s s e dp r e c i p i t a t i o no f 0 p h a s ea n dl o w e rt h en u c l e a t i o no fq b u tc a ng r e a t l yi n c r e a s e dt h ec r e e p r u p t u r es t r e n g t ho f t h ea l l o y 3 m i c r oa d d i t i o na gc h a n g e dt h ep r e c i p i t a t i o ns e q u e n c eo fa 1 c u m g a l u m i n u ma l l o yw i t hl o wc u m gr a t i o l a r g eq u a n t i t yo fg pz o n ew h i c h i st h ep r e c u r s o ro f0 h a sf o r m a t t e da f t e rn a t u r a la g i n gt h e ne x p o s u r ea t i0 0 。cf o ral o n gt i m e b u ta f t e r13 5 e x p o s u r et h em a t r i xo fa r t i f i c i a l a g e da l l o yc o n t a i n e dau n i f o r md i s p e r s i o no ft h i np l a t e so fqo nt h e 1 1 1 ) np l a n e s k e yw o r d s ：a 1 一c u m ga l u m i n u ma l l o y , m i c r o - a l l o y , a r t i f i c i a la g i n g ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f a t i g u ec r a c k g r o w t h ，c r e e pr a p t u r e 中南大学硕士学位论文目录 目录 第一章文献综述1 1 1a 卜c u m g 合金的研究与发展1 1 1 1a 卜c u m g 合金的发展过程1 1 1 2a 1 一c u m g 合金的应用情况及发展方向2 1 2a l c u m g 合金主要析出相以及时效强化特点3 1 2 1s 相析出序列4 1 2 2o 相析出序列6 1 2 3q 相析出序列9 1 3a 卜c u m g 合金的疲劳性能1 2 1 4a 卜c u m g 合金的耐热性能1 3 1 4 1 变形耐热a 卜c u m g 合金1 4 1 4 2 新型耐热a l c u m g 一旭合金1 5 1 5 本论文的研究目的、意义与研究内容1 7 第二章实验过程1 9 2 1 实验步骤1 9 2 2 实验方法1 9 2 3 合金成分2 1 第三章时效制度对低c u m g 比a 1 一c u - m g 合金的疲劳性能及热稳定性的影响2 2 3 1 实验材料与方法2 2 3 2 实验结果2 3 3 2 1 热暴露后的室温力学性能2 3 3 2 2 疲劳裂纹扩展速率2 5 3 2 3 透射电镜观察2 9 3 2 4d s c 热分析3 0 3 2 5 疲劳断口观察3 0 3 3 分析与讨论3 2 3 3 1 微观组织的演变3 3 3 3 2 时效制度对力学拉伸性能的影响3 3 3 3 3 时效制度对疲劳性能的影响3 4 v 中南大学硕士学位论文目录 3 4 结论3 5 第四章时效制度对高c u m g 比a 卜c u m g 合金的时效特性及高温性能的影响3 7 4 1 试验材料与方法3 7 4 2 实验结果3 8 4 2 1 时效特性3 8 4 2 2 高温性能4 0 4 2 3 透射电镜分析4 0 4 3 分析与讨论4 4 4 3 1 预变形对高c u m g 比a l c u m g 合金组织与性能的影响4 4 4 3 2 时效温度对高c u m g 比a l c u m g 合金组织与性能的影响4 5 4 3 3 高温持久特性分析4 6 4 3 4 应力对析出相的影响4 7 4 4 结论4 7 第五章微量a g 在低c u m g 比a 1 一c u 一合金中的作用4 8 5 1 试验材料与方法4 8 5 2 实验结果4 8 5 2 1 力学性能4 8 5 2 2 微观组织观察5 0 5 3 分析与讨论5 3 5 3 1 微量a g 对2 5 2 4 合金自然时效和人工时效初期的组织与性能的影 响5 3 5 3 2a g 对2 5 2 4 合金热暴露过程中组织与性能的影响5 4 5 4 结论5 5 第六章结论5 6 参考文献5 7 致谢6 5 攻读硕士学位期间的主要研究成果6 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1a 1 - c u - m g 合金的研究与发展【l - ，j 1 1 1a 1 - c u m g 合金的发展过程 a l - c u m g 系铝合金为可热处理强化铝合金。合金的特点是强度高、耐热性能 和加工性能良好，但耐蚀性不如大多数其他铝合金的好，在一定条件下会产生晶 问腐蚀，因此，板材往往需要包覆一层纯铝，或一层对芯板有电化学保护的6 x x x 系 铝合金，以提高其耐腐蚀性能。其中，a 卜c u m g f e n i 合金具有极为复杂的化学组 成和相组成，它在高温中有高的强度，并具有良好的工艺性能，主要用于锻压在 1 5 0 - 2 5 0 工作的耐热零件；a 1 一c u m n 合金的室温强度虽然低于2 0 1 4 和2 0 1 2 合金，但在2 2 5 2 5 0 或更高的温度下其强度却比二者高，并且该合金的工艺 性能良好，易于焊接，主要应用于耐热可焊的结构件及锻件。a 卜c u m g 系铝合金 广泛应用于航空和航天领域。 美国铝业公司( a l c o a ) 1 9 7 0 年研制成功2 1 2 4 铝合金，主要用来生产t 3 5 1 和t 8 5 1 状态的3 8 m m - - 1 5 2m m 厚板，制造飞机结构件：1 9 7 2 年研制成功2 0 4 8 铝合 金，主要用来生产飞机用的厚板和薄板：研制成功的2 4 1 9 合金，主要用来制造飞 机的高温结构件和高强度焊接件：1 9 7 8 年研制成功2 2 2 4 铝合金，主要用来生产 t 3 5 1 1 状态的挤压件，已经用于制造波音7 6 7 等飞机的结构件：研制成功的2 3 2 4 铝合金，用来制造t 3 9 状态的厚板和薄板，也己用于制造波音7 6 7 等飞机的结构件： 近几年又开发出综合性能更好的2 4 2 4 和2 5 2 4 铝合金。 原苏联在2 0 世纪7 0 年代研制出1 6q 铝合金：8 0 年代研制出l1 6 3 铝合金，已 经用于制造依尔9 6 - 3 0 0 型和图2 0 4 型等飞机机体上的受力结构件：研制出1 1 6 1 铝合金，它除了降低f e 、s i 杂质含量外，还用添加过渡族元素z r 的方法提高合金的 抗裂纹扩展性能：开发的丑1 9q 铝合金，全面应用在苏2 7 等系列飞机上。 a 1 一c u - m g 系合金中，由于存在f e 和s i 等杂质，可以生成粗大的脆性杂质相，严 重影响了该系合金的断裂韧性和厚板的短横向性能。为了解决这一问题，美国和 原苏联等国家分别在2 0 2 4 合金和且1 6 合金的基础上，通过降低f e 、s i 杂质含量和 调整合金化元素含量，开发出一系列高强高韧性a 1 一c u - m g 合金，如2 1 2 4 、2 2 2 4 、 2 3 2 4 、2 4 2 4 、2 5 2 4 及2 0 4 8 铝合金：另外，为了提高该系合金的耐热性能，又通过添 加n i 的方法开发出2 6 1 8 铝合金，为了进一步获得良好的焊接性能和韧性，相继开 发了2 2 1 9 、2 4 1 9 、2 5 1 9 、2 0 2 1 和2 0 0 4 铝合金。为改善飞机用铝合金性能而开发 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的a 卜c u m g 系新合金的过程如图1 所示。而p o l m e a r 等h 1 人基于在高c u m g 比的 a l c u m g 合金中添加微量a g 而促进合金中析出高温稳定，强化效果很好的q 相， 开发出了一代新型耐热铝合金- a 1 一c u m g a g 合金。该系列合金目前还没有统一的 合金牌号。 薄壤 耐损伤容双性能 一一 l c 1 8 8 i 犀翳1 o ( 抗s c c 性 能。韧性) 1 2 1 2 4 - t 8 5 1 ( 融) l | 2 0 1 4 卜 降低孙，s i ，戳锘 窆黧要fl2 2 2 4 - t 3 5 1 挤珏件) | “j i l 降低s i l i2 3 2 4 - t 3 9 ( 厚扳) f 降低f e 浏 2 4 1 9 降低f e s i 添加n i 降低f e s i 黜c h 添加m g 2 5 1 9 图卜1 为改善飞机用铝合金性能而开发的a l - c u m g 系新合金的过程” f i g 1 - 1 d c v e l e p m e n tp r o c e s so f n e wa i - c u - m ga l u m i n u ma l l o y s 1 1 2a 卜c u m g 合金的应用情况及发展方向 f e , s i 新型飞机设计的主导思想是减少油耗、提高飞行速度、增加载重量，以便提 高战术性能和经济效益。因此，在结构设计上尽可能要求减轻机体重量，在选材方 面一般选用能代表当代的最高比强度的材料。也可以说，航空材料的进展在飞机 发展上起到了极其重要的作用。在飞机铝材中，a 1 一c u - m g 系列铝合金合金中起着 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 非常重要的作用。表1 - 1 列出了某些高强高韧铝合金的主要特点和应用情况。 a 1 一c u - m g 系列铝合金合金的的研发主要是围绕提高材料的强度、塑性、韧性、耐 腐蚀性、耐热性以及疲劳性能等综合性能来开展的，其新型合金可以通过调整合 金成分、采用新的合金化元素、采用新的加工技术等途径进行开发。目前各个国 家正从如下几个方面来改善传统铝合金的性能：( 1 ) 调整合金中主要合金化元素 的含量及其比值，添加微量过渡族元素，以开发出对应各种不同需要的新合金。( 2 ) 进一步减少f e 、s i 等杂质含量，提高合金的纯度，改善超高强铝合金的断裂韧性、 抗疲劳性能和抗应力腐蚀开裂性能，以及抗铸造裂纹能力。当f e 、s i 含量均小于 0 1 时，上述性能会大幅度提高。( 3 ) 开发和应用各种新的热处理工艺技术，提高 超高强铝合金的综合性能。( 4 ) 采用和研究各种先进的熔体净化和变质处理方法， 重点解决铸锭冶金质量不高的问题。事实上熔体净化和变质处理方法可以明显影 响合金的性能，尤其是断裂韧性和电导率。( 5 ) 采用和研究各种先进的和特殊的加 工方法来提高合金的综合性能及特殊性能，如超塑成形、精密模锻、等温模锻、 半凝固模锻、等温挤压、厚板锻轧等。 表1 1 高强高韧铝合金的主要特点和应用情况“1 t a b l et h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fh i g hs t r e n g t hh i g ht o u g h n e s sa l u m i n u ma l l o y 1 2a 卜c u m g 合金主要析出相以及时效强化特点 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 a 卜c u m g 合金中的时效强化相以及时效强化特性与合金的成分在相图( 图 卜2 ) 中所处的位置密切相关，同时还与添加的微量元素有很大的关系。 1 2 1s 相析出序列 对于位于q + s 相区的a 卜c u m g 合金，一般认为其析出序列为：s s s g p b z o n e s ”一s 一s ( a 1 2 c u m g ) 。 g p b 区为c u - m g 原子偏聚区，形成激活能为5 1 6 4 k j m o l 喊7 1 。由于受g p b 区 的衍称条件限制，g p b 区的结构一直没有统一的认识。b a g a r y a t s k y 认为1 g p b 区沿 l o o 从平面短程有序。g e r o l d 和h a b e r k o r n 则提腩3 出g p b 具有正方c u a u1 0 23456 m g w t 图i - 2 卜c u _ m g 合金富 l 在2 0 0 ( 2 的相图“ f i g i - 2i s o t h e r m a ls e c t i o no f t e r n a r ya i - c u - m gp h a s ed i a g r a ma t2 0 0 ( 2 型结构，a l 原子和c u + m g 团簇在基体的 面上交替出现。基于x 射线衍射试 验，s i l c o c k 认为陆1 g p b 区是直径为1 - 2 n m 长度为4 - 8 n m 的小圆柱体，具有正方 结构，a = o 5 5 n m ，c = o 4 0 4 n m ，柱体的尺寸与淬火速度有关。基于半共格的s 相 与基体的位向关系，m o n d o l d f o 隅1 认为g p b 区由单层c u 和单层m g 原子以及两层 a l 原子沿基体 交替排列而成。w o l v e r t o n 阳1 通过第一性原理计算g p b 区与基 体的界面能表明g p b 区应该是沿基体 方向单层排列的c u 原子或者m g 原子。 g p b 2 区又称s 与基体完全共格，其晶体结构目前也存在着很多的争论。 b a g a r y a t s k y 认为呤1 g p b 2 区为正交结构，与基体的位向关系为： 1 0 0 。 1 0 0 3 。- ， 0 ，5 ，3 。 0 1 1 。， 0 ，1 ，13 。 0 1 3 3 。s h c h e g o l e v a 和 b u i n o v 则认为g p b 2 区具有单斜晶体结构，q = 8 8 6 0 ，于基体的位向关系为： 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 0 0 3 。 1 0 0 。， 0 ，7 ，1 7 。 0 1 0 3 n 0 ，1 3 ，5 。e 0 0 1 3 。s h i h 等人提出 g p b 2 区为四角结构的部分有序溶质原子偏聚区，a = 0 5 8 n m ，c = 0 8 1 n m 。c h a r a i 等陆1 认为g p b 2 区具有单斜晶体结构，a = 0 3 2 n m ，b = 0 4 0 5 n m ，c = 0 2 5 4 n m ，b = 9 1 7 0 。 w a n gsc 提出g p b 2 区的成分为a 1 。c u 蝴g 。，正交结构，与基体的位向关系： 1 0 0 。e 1 0 0 。， 0 ，l ，0 3 。e 0 1 0 3 。， 0 ，1 3 ，5 。 0 0 1 。 s 与基体为半共格关系，具有c m c m 点阵类型，具有针状或板条状的外形。 文献认为，其晶格常数为：a = 0 4 0 5 n m ，b = 0 9 0 6 n m ，c = 0 7 2 4 n m 或者a = 0 4 0 4 n m ， b = 0 9 2 5 n m ，c = 0 7 1 8 n m 5 ，1 。 州 厂 i一 【 乞jy i 一 一 1 -7 9 1 t二7 1二 i 厂i 。 一 缓： y i l r 乡 口7 ， 。1 l 1 一矿 t一 一 1 - a 1c n m 8 b 图1 - 3 ( a ) p w 模型( b ) 单斜结构模型( c ) j i n ，l i 和y a n 提出的模型 f i g 1 3 ( a ) p e r l i t za n dw e s t g r e nm o d e l ( b ) m o n d o l f om o d e l ( c ) j i n ，l ia n dy a hm o d e l 表1 - 2s 相的点阵结构与原子位置 t a b l e1 - 2s p a c eg r o u pa n da t o m i cp o s i t i o n so fsp h a s e s 相为平衡相，p e r l i t z 和w e s t g r e n 瞄1 首次提出s 相具有c m c m 点阵类型，晶 格参数为：a = 0 4 0 0 n m ，b = 0 9 2 3 n m ，c = 0 7 1 4 n m ，如图1 - 3 ( a ) 所示。表1 - 2 列 出了该模型所属的空间群与原子点阵位置。在他们之后，又有提出了s 相的两种 新的模型，m o n d o l f o 呻1 提出一种改进p w 模型：如图1 - 3 ( b ) 所示，c u 和m g 的 点阵位置与p w 模型发生定的变化。j i n 等人n 2 3 则认为s 相具有p m m 2 空间点阵 的斜方晶系，晶格参数为：a = 0 4 n m ，b = 0 4 6 1 n m 和c = 0 7 1 8 n m ，如图1 - 3 ( c ) 。 但是目前得到大多数人认同的是p w 模型。s 相是与基体的惯习面为 2 1 0 ) m 沿 。方向长大，具有板条状的外形，与基体的位向关系为： 1 0 0 。 t 0 0 3 。， 0 2 1 。 0 1 0 。， 0 ，1 ，2 。 0 0 1 。 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 对于位于a + s 相区的a l - c u m g 合金在1 0 0 2 4 0 时效温度范围内，其时效 硬化曲线表现出以下几个独特的现象： 时效硬化阶段被一硬度平台分成明显的两个上升阶段，并且这个平台可以保持 很长一段时间，大约1 0 0 小时以后才上升n 3 1 4 3 第一阶段硬化很快就出现，大约在6 0 秒( 甚至更短时间) 内完成。 第一阶段硬度值很快就能达到总硬度增量( 峰值硬度减固溶处理淬火后立即测 的硬度) 的大约6 0 ，而且在a l - c u m g 系合金中较宽的时效温度范围内都有相类 似的情况。早期这个现象没引起广泛的注意是由于准确的淬火态硬度值不易测 定。 早期的研究认为第一阶段硬化是由于g p b 区的形成，而第二阶段硬化则是由 于s7 ，s 相的形成口制。但是近年来对于该系合金的时效硬化效应提出了各种不同 的解释n 5 ，1 6 1 7 3 ，归纳起来，主要有以下几种观点： g p b 区能在极短的时效时间内形成，并导致第一阶段的快速时效硬化效应； 第一阶段的快速硬化是由于大量的c u - m g 原子团的形成所引起的，而在时效硬 化后期才出现g p b 区； 溶质原子与位错的交互作用是该合金第一阶段快速硬化的原因，而在快速硬化 之后才出现c u - m g 原子团与s 相。 1 2 20 相析出序列 位于a + 0 相区的a l - c u - m g 合金，属于中等c u m g 比的合金，通常认为阴1 其析出序列：g pi - * g pi i ( 0 ”) 一0 一0 。 g pi 和g p i i ：早期的x r d 衍射试验发现在自然时效后的a l c u 基体衍射斑 点沿 1 0 0 方向出现强烈的衍射芒，这被认识是g pi 存在的最早证据。这一发现 象先由g u i n i e r 和p r e s t o n 睛1 相互独立地发现。后来的h r e m 试验证实了n8 旧1 g pi 的存在，并发现g p 为铝基体中富c u 原子片层，长度为2 一l o n m 。这一区域的化 学成分到目前为止还不太清楚。有研究认为g pi 区为a l 和c u 原子的单层区域， 纯c u 原子单层区域，或者两层c u 原子区域。文献乜通过研究1 0 0 时效3 0 h 后 的a i - 1 5 4 a t c u 的结果表明如果g pi 区的c u 原予浓度确实大于4 0 ，那么大多 数的g pi 区的c u 原子浓度为6 5 而且一半以上的为1 0 0 。t a k e d a 等人瞄1 研究了 不同溶质原子含量的四种g pi 区模型的稳定性，图1 - 4 中给出了四种模型的原 子排列示意图。基于e h m o 方法的计算结果表明在a 1 - 4 a t c u 合金中c u 含量为 4 0 5 0 a t 的g pi 区模型的能量最低最稳定。 把g p 区( 0 ”) 作为一种不同于g pi 区的独立相看待目前被很多的研究者 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 质疑。p h i l l i p s 通过h r e m 研究口妇发现选区衍射斑点尾迹的不连续变化并没有伴 随着明显的相变，因此他提出g pi 区向g pi i 区的转变是逐步进行的，根据尺寸 来判断明显的相变的想法都是不正确的。k a r l i 等人啪1 观察到一些由被三排a 1 原子隔开的大单层c u 片层和小的单层c u 片层组成的相，并被认识是由g pi 区 向g pi i 区转变的早期阶段。m a t s u b a r a 和c o h e n 认为n 踟所谓由处于g pi i 区产生 的额外的衍射其实只是衍射斑点的密度增强，因此g pi 区向g pi i 区转变实际上 只是一种粗化效应。 从目前对g pi 和g pi i 研究来看，大致可以分为两类，一类主要集中研究局 部的原子尺寸，另一类主要研究0 ( a 1 3 c u ) 相的形核。基于原子间的交互作用， 由单层富c u 原子片层组成的g pi 被认为是一种重要结构，而且得到了公认。因 olo o i o 卜如叫 o l ， 氇、主o ot 波17 jo 卜t 卜l olo o lo上 b c d o a lc u 图1 - 4g p b 区中的原子排列示意图，c u 原子在g p 区中的浓度分别为： a t j l ( d ) 2 0a t f i g - 1 - 4 a t o m i ca r r a n g e m e n t so f g p b z o n ef o r m e di n a i 4 a t c u ( 0 0 1 ) p l a n e ；c uc o n c e n t r a t i o ni n s i d eg plz o n e a l e a s ( d o t t e ds q u a r e s ) a r e41 0 0 a t j b5 5 5a t 。- c3 8 5a t a n dd2 0a t 一 此0 的析出序列为：s s s - - g pi ( a 1 9 c u ，a 1 7 c u ，a 1 5 c u ，a 1 3 c u ) - - g p i i 0 ( a 1 3 c u ) 一0 一0 ( a 1 2 c u ) 。这里给出的溶质原子偏聚区的化学成是为了与w a n g 等人 的模型相对应。w a n g 等人基于对a l - c u 超晶格片层的生成焓的研究认为c u 原子 的不断聚集是通过c u 原子片层的局部凝聚的方式进行的。 0 相：表中给出了最早由s i l c o c k 提出畸1 的0 相的结构以及与基体的位 向关系。图1 - 5 ( a ) 为0 相的s il c o c 模型，它具有四方结构， a = o 4 0 4 n m ，c - o 5 8 n m ，属于1 4 m 2 空间群。0 相的外形为基体 1 0 0 ) 面上的矩形 或者八面型片层，与基体的位向关系为( 1 0 0 ) a i ( 1 0 0 ) 0 ， 0 0 1 a i 0 0 1 7 圈a 盈 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 0 。图卜5 ( b ) 为0 相沿基体 1 0 0 方向入射的选区衍射花样。图1 3 ( c ) 为0 三个等同变体的模拟衍射花样。从图中卜5 中很明显的看到，模拟衍射花 样和试验选区衍射花样吻合的较好。 0 相：o 相的结构属于1 4 m c m 空间群，点阵常数：a ：o 6 0 6 7 n m ，c = o 4 8 7 7 n m ， 与基体有非共格关系，表1 - 3 中给出了o 相中的原子位置。b o n n e t 总结认为o 相至少有2 2 种与基体独立的位向关系嫡1 。 时效初期，由于过饱和固溶体是不稳定的，在一定的温度和时间条件下发生 分解。c u 原子在a l 基固溶体的 1 0 0 面上偏聚，形成富c u 区成为g p 区。由 于g p 区晶体结构类型与铝基固溶体相同，并与固溶体保持共格，而g p 区的 c u 原子浓度较高，引起晶格畸变，阻碍位错运动，因而合金的硬度、强度较固 c u0 a i ab c 图卜5 ( a ) 0 的结构示义图( b ) 0 0 1 】方向的衍射斑点( c ) 0 0 1 】方向的模拟衍射斑点 f i g 1 - 5 ( a ) o s t r u c t u r a lm o d e l ；( b ) 【o o l 】s e l e c t e da r e ad i f f r a c t i o np a t t e m ：( c ) s i m u l a t e d 【0 0 1 】d i f f r a c t i o np a t t e r n s 表1 - 30 以及0 的空问点阵和原子的点阵位置 t a b l e1 - 3 s p a c eg r o u pa n da t o m i cp o s i t i o n sf o r0 a n d0 矿& n 2a = o 4 0 4c = 0 5 8 口 1 4 m c r n ( t e t r a g o n a l ) a = 0 - 6 0 6 7c = 0 - 4 8 7 7 oo 0o 00 5 oo 0 1 5 8 10 6 5 8 1 溶态均有提高。延长时效时间，在g p 区的基础上，c u 原子进一步偏聚，形成有 序的富c u 区，即0 ”相。o ”均匀地在基体中形核且与基体完全共格，具有 1 0 0 。 1 0 0 。的位向关系。由于o 相结构与基体已有差别，与g p 区比较，在0 相周围产生更大的共格应变，因而导致更大的强化效应乜2 i 。随着时效过程的进一 步发展，c u 原子继续偏聚，形成o 相。07 相与基体部分共格，随着o7 相数 量的增加，0 相数量减少，质点