（材料加工工程专业论文）铝合金时效初期溶质原子分布演变的模拟分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本文采用m o n t ec a r l o 方法建立计算机模拟模型，利用m a t l a b 语言编制了模拟 铝合金时效初期溶质原子分布的源程序。利用该模拟程序，只需输入合会成分和时效 温度，即可得到时效初期溶质原子分布演变模拟图，并且可以统计出溶质原子团簇个 数及其平均尺寸随m o n t ec a r l o 步数的变化。利用编制的模拟程序，模拟研究了 a 1 一m g s i 合金和a 1 z n m g 合金时效初期溶质原子分布的演变及合金元素和时效温度 对其时效初期溶质原子分布演变的影响。根据模拟分析结果，探讨了铝合金某些人工 时效析出硬化行为的微观机制。 对a 1 一m g - s i 合金时效初期溶质原子分布演变进行模拟研究的结果显示：2 5 。c 和6 5 低温时效初期，溶质原子容易发生偏聚形成尺寸较大的m g - s i 团簇和s i s i 团簇、尺 寸较小的m g m g 团簇，m g s i 团簇和s i s i 团簇容易在空位处偏聚形成，团簇尺寸及 分布不均匀；1 4 0 4 c 和1 7 0 时效初期，形成的大尺寸溶质原子团簇较少，团簇尺寸偏 差小；2 0 0 。c 时效初期，溶质原子不容易发生偏聚，由2 3 个原子组成的原子团簇均匀 地分布于铝基体内；a 1 一m g - s i 合会时效初期形成的溶质原子团簇尺寸及组成与m g ：s i 比具有相关性，随着m g ：s i 质量比减小，时效初期形成的m g - s i 团簇尺寸减小，m g s i 团簇中s i 原子的比例增大，且形成的s i s i 团簇数量增多，尺寸增大。根据模拟分析结 果，探讨了a 1 m g - s i 合金淬火后的自然时效、合金组成和二次时效工艺对其人工时效 硬化效果的影响。 合金元素对a 1 - m g s i 合金人工时效硬化的影响与时效初期溶质原子分布演变密切 相关。在a l 1 5 m g 一1 2 s i ( a t o o ) 合金中添加0 4 a t c u ，时效初期形成的原子团簇有： 尺寸较大的m g s i 团蘑和s i s i 团簇，尺寸较小的m g - m g 团簇、c u - m g s i 团簇、c u m g 团簇和c u s i 团簇，与不含c u 的舢- 1 5 m g - 1 2 s i ( a t ) 合金相比，原子团簇数量增多， 团簇尺寸及分布趋于均匀：在a 1 1 5 m g - 1 2 s i ( a l ) 合金中添加i a t c u ，时效初期还 出现了尺寸较大c u m g 团簇；在- 1 5 m g 1 2 s i ( a t ) 合金中添加0 4 a t s n ，时效初 山东建筑大学硕士学位论文 期形成了m g - s i 团簇、s i - s i 团簇、m g s n 团簇、s n - s n 团簇和少量小尺寸的m g - m g 团 簇，团簇平均尺寸减小，分布趋于均匀；少量a g 添加到a 1 一1 5 m g 1 2 s i ( a t ) 合金 中，对时效初期溶质原子分布演变的影响不明显。利用模拟结果，分析了元素c u 和 s n 的添加对a 1 m g s i 合金人工时效析出硬化行为影响的微观机制。 对a 1 2 1 z n 1 4 m g ( a t ) 合金时效初期溶质原子分布演变进行模拟研究的结果显 示：a l 2 i z n 1 4 m g ( a t ) 合金时效初期形成了大量的z n m g 团簇；微量元素s c 添 加到a i 一2 i z n - 1 4 m g ( a t ) 合金抑制了时效初期z n - m g 团簇的强烈偏聚，使z n - m g 团簇分布均匀细小，形成大量的s c - 空位团簇；微量元素z r 对a 1 z n - m g 合金时效初期 溶质原子分布演变影响较小；元素s c 和z r 复合添加到a i z n m g 合金中，时效初期溶 质原子分布演变与单独添加元素s c 类似。在a 1 z n m g 合金中添加o 7 a tc u 和3 a t “，对时效初期溶质原子团簇的形成及分布影响不明显。利用模拟结果，分析了元素 s c 的添加对a i m g s i 合金人工时效析出硬化行为影响的微观机制。 关键词：铝合金，原子团簇，溶质原子分布，m o n t ec a r l o 方法，计算机模拟分析， 微量元素 h 山东建筑大学硕士学位论文 s i m u l a t i n gs o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a l a g i n gs t a g eo f a l u m i n u ma l l o y s a b s t r a c t t h es o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fa l u m i n u ma l l o y sh a v e b e e nm o d e l e db a s e do nm o n t ec a r l om e t h o da n dh a sb e e np r o g r a m e du s i n gm a t l a b l a n g u a g e d i a g r a m ss i m u l a t i n gs o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo f a l u m i n u ma l l o y sc a nb eo b t a i n e db yt y p i n ga l l o yc o m p o s i t i o n sa n da g i n gt e m p e r a t u r eu s i n g t h i ss i m u l a t i o np r o g r a m ，a sw e l la st h en u m b e ra n dt h em e a ns i z eo fs o l u t e sc l u s t e r s t h e s o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fa 1 - - m g - s ia n da i z n m ga l l o y s a n dt h ee f f e c t so fs o m ee l e m e n t sa n da g i n gt e m p e r a t u r eh a v eb e e ns t u d i e du s i n gt h i s s i m u l a t i o np r o g r a m t h em i c r o m e c h a n i s m so fa g ep r e c i p i t a t i o na n dh a r d e n i n gb e h a v i o u r so f a l u m i n u ma l l o y sh a v eb e e nd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so nt h es o l u t e sd i s t r i b u t i o ne v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e o fa 1 - m g - s ia l l o y ss h o wt h a tt h e r ea r el a r g em g s ic l u s t e r sa n ds i - s ic l u s t e r s ，s m a l lm g - m g c l u s t e r sf o r m i n gd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g ea t2 5 ca n d6 5 ( 2 ，m g - s ic l u s t e r sa n ds i s i c l u s t e r se a s i l yf o r m i n gn e a rv a c a n c i e s ，a n dt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fc l u s t e r sa r e n o n - u n i f o r m d u r i n gt h e i n i t i a la g i n gs t a g ea t1 4 0 ( 2a n d1 7 0 ( 2 ，t h en u m b e ro f l a r g ec l u s t e r s i sl e s sa n dt h es i z ed e v i a t i o na m o n gv a r i e sc l u s t e r si ss m a l l e rt h a na t2 5 ca n d6 5 ( 2 d u r i n g t h ei n i t i a la g i n gs t a g ea t2 0 0 * ( 2 ，t h e r ea r ew e a ks o l u t e sc l u s t e r i n ga n do n l ys o m es o l u t e s c l u s t e r sw i t h2 - 3a t o m sf o r ma n dd i s t r i b u t ew i t h i na 1b a s eu n i f o r m l y t h es i z ea n d c o m p o s i t i o n6 t e t u s t e r sf o r m i n gd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g eo fa 1 m g s ia l l o ya r er e l a t e d t ot h em g ：s ir a t i o w i t ht h ed e c r e a s i n go fm g ：s ir a t i o ，t h em e a ns i z eo fm g - s ic l u s t e r s d e c r e a s e s ，t h ep r o p o r t i o no fs ia t o m si nm g - s ic l u s t e r sa n dt h en u m b e ra n ds i z eo fs i s i c l u s t e ri n c r e a s e t h ee f f e c t so fn a t u r a la g i n gb e t w e e nq u e n c h i n ga n da r t i f i c i a la g i n g , a l l o y i i i 山东建筑大学硕士学位论文 c o m p o s i t i o na n ds e c o n d a r ya g i n gp r o c e s so na r t i f i c i a la g i n gh a r d e n i n go fa 1 - m g - s ia l l o y s h a v eb e e nd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ee f f e c to fs o m ee l e m e n t so na r t i f i c i a la g eh a r d e n i n gb e h a v i o r so fa i - m g - s ia l l o y s s h o u l db er e l a t e dt ot h es o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e t h e r ea r el a r g em g s ic l u s t e r sa n ds i s ic l u s t e r s ，s m a l lm g - m gc l u s t e r s ，c u m g s ic l u s t e r s ， c u - m gc l u s t e r sa n dc u s ic l u s t e r sf o r m i n gd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g eo fc ua d d i t i o no f a 1 1 5 m g - 1 ，2 s i 一0 4 c u ( a t ) a l l o y c o m p a r i s o nw i t hc u - f r e ea i - 1 。5 m g - 1 2 s i ( a t ) a l l o y , t h ec l u s t e rn u m b e ri n c r e a s e s ，t h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fc l u s t e r sa r em o r eu n i f o r m l a r g e c u m gc l u s t e r sf o r m e dd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g eo fc ue o n t a i n ga 1 - 1 5 m g 一1 2 s i - 1c u ( a t ) a l l o y a d d i n g0 4 a t s nt oa 1 - 1 5 m g 一1 2 s i ( a t ) a l l o y , m g - s nc l u s t e r sa n ds n s n c l u s t e r sa p p e a re x c e p tm g - s ic l u s t e r sa n ds i s ic l u s t e r sd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e ，a n dt h e s i z ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fc l u s t e r sa r em o r eu n i f o r m s m a l la d d i t i o n so fa gt o a i 一1 5 m g 一1 2 s i ( a t ) a l l o yc a u s el i t t l ee f f e c to nt h es o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o n d u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e t h em i c r o m e c h a n i s mo fc ua n ds na d d i t i o no na g ep r e c i p i t i o n a n dh a r d e n i n gb e h a v i o r so fa 1 - m g - s ia l l o y sh a sb e e na n a l y z e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ns o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e o fa l 一2 1z n - 1 4 m g ( a t ) a l l o ys h o wt h a tl a r g ez n m gc l u s t e r sf o r m a d d i t i o no f s ct ot h i s a l l o ys h o u l dr e s t r a i nz n m gc l u s t e r i n g , w h i c hc a u s e san u m b e ro fs m a l lz n - - m gc l u s t e r sa n d s c - v a c a n c yc l u s t e r sf o r m i n gd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e t h e r ei sn oc l e a ri n f l u e n c eo n s o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g eb ya d d i n gz rt ot h i sa l l o y e f f e c to fa d d i n gs ca n dz rt o g e t h e rt oa i 一2 1z n 一1 4 m g ( a t ) a l l o yo ns o l u t e sd i s t r i b u t i o n a n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g ei ss i m l i e rt ot h a to fa d d i n gs co n l y a d d i t i o n so f 0 7 a t c ua n d3 9 a t l it o g e t h e rt oa i 一2 1z n - 1 4 m g ( a t ) a l l o yc a u s e sl i a l ee f f e c to n 山东建筑大学硕士学位论文 s o l u t e sd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o nd u r i n gt h ei n i t i a la g i n gs t a g e t h em i c r o m e c h a n i s mo fs e a d d i t i o no na g ep r e c i p i t i o na n dh a r d e n i n gb e h a v i o r so fa i z n m ga l l o y sh a sb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y , a t o mc l u s t e r s o l u t ed i s t r i b u t i o n ，m o n t ec a r l om e t h o d ， c o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s ，m i c r oe l e m e n t s v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：塑! 篮日期丝鱼：五! 1 1 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件扣 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存， 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： e l 期刃向。彳7 e l 期丝坦：! 鳘 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 计算机模拟技术作为材料研究的重要手段，被应用于多方面的学术研究中，如用 在用试验方法无法观测单个原子、分子运动的情况，计算机模拟技术具有重要的意义。 对理解结果如何与自然现象的本质相联系，或者是由于简单近似无法给出j 下确结果， 甚至对结果无法判断的情况下，利用计算机模拟会带来极大的便利。 原子层次的计算机模拟技术常用m o n t ec a r l o 方法。m o n t ec a r l o 方法又称为随机 模拟或统计试验方法。它的提出可以追溯到1 9 世纪末期，但直到2 0 世纪4 0 年代以后 随着电子计算机的发展，才得到迅速的发展和应用。在二战中首先被美国的科学家用 于原子弹的研制【。随后德国科学家k b i n d e r 和d w h e e r m a n 在七十年代末至八十年 代末的开创性工作将这种模拟方法引入到材料相变领域，他们的工作将m o n t ec a r l o 方 法作为固体理论计算上切实可行的一种方法确立下来，并成功采用m o n t ec a r l o 方法模 拟了材料的铁磁相转变过程【2 3 】。近年来，国内外工作者成功将m o n t ec a r l o 方法应用 于模拟有序相的相转变，晶粒长大，薄膜生长等方面【禾9 j 。 1 2 铝合金时效国内外研究现状 1 2 1a 1 m g s i 基合金时效研究现状 a i m g - s i 系合金具有中等强度、优良的挤压加工性、在热处理状态下具有满意切削 加工性能、足够的抗蚀性能，并能进行焊接。可以用来制造板、管、棒、型材和冲压件 等半成品，也广泛用于生产形状复杂的热锻件、挤压件、飞机用的导管和型材【1 0 1 。近年 来，对此类材料性能要求越来越高，促进- j a 1 一m g s i 合会的研究与开发，研究时效过程 又是开发新型a 1 一m g - s i 合金的基础。 a i m g s i 合金一般要通过固溶时效处理来达到所需要的强度和硬度性能要求。固 溶处理的目的是使合金中起强化作用的元素最大限度的溶入到基体中。固溶保温后将 山东建筑大学硕士学位论文 合金淬火，使溶质原子在低温下过饱和固溶于铝基体中。将固溶淬火处理后的合余件 在一定温度下时效，过饱和固溶于铝基体中的溶质原子析出，形成与基体共格或半共 格的纳米级强化相，合金的强度和硬度性能提高】。 一般认为，a 1 m g s i 合金的时效析出序列为：过饱和固溶体一溶质原子丛聚区一g p 区一p ”相一p 相一p ，矿相与铝基体完全共格，对基体的强化效应最大，p 相与铝基体半 共格，强化效应次之，p ( m s i ) 相与基体没有共格关系，强化效应小 1 2 - 1 4 】。a 1 m g s i 合 金的时效强化，是通过人工时效析出的p ”相和或p 相对铝基体的强化，合金的时效硬化 效果取决于通过时效析出的p 相和或p7 相的体积分数、尺寸大小和分布状态【1 5 】，而合金 时效早期的析出行为，对时效强化相p ”相和或p 相的分布状态、尺寸等有重要的影响【1 6 1 。 d u t t a 等人【1 7 。1 8 1 采用d s c 法证实了a l m g s i 合金的时效析出过程中形成了溶质原子 丛聚区，并解释了与富集区相对应的放热峰，给时效析出的研究带来突破性进展。 m u r a y a m a 等人【1 9 1 采用三元电子探针发现时效初期存在s i 、m g 矛l l m g s i 丛聚区，随着时效 的进行m g 丛聚区分解而m g s i 丛聚区长大成为g p 区。溶质原子丛聚区和g p 区是溶质原子 聚集区，与基体完全共格，区别在于它们的尺寸不同，g p 区包含更多溶质原子。目前对 于g p 区的结构和化学成份尚无统一的认识。k e n j i 2 0 】通过h r t e m 研究了a 1 m 争s i 合金的 析出顺序，发现g p 区为单原子厚，2 5 n m 宽，长度小于3 0 n m 的细小圆盘结构，它的方向 是平行于a l 的 方向。文献 2 1 1 研究发现g p 区的结构为沿a l 基 1 0 0 方向的一束m g 原 子和一束s i 原子，二者之间的距离是0 4 0 5 n m ，它们有选择地排列在a l 基的( 2 0 0 ) 格子面上。 a i m g s i 合金的固溶时效处理工艺，对其时效析出硬化行为具有重要的影响，其中 包括退火和形变处理工艺、固溶处理温度和保温时间、淬火速度、时效温度和保温时间、 淬火到人工时效之间的时间间隔等【2 2 2 钔。a 1 m g - s i 合金的固溶处理工艺一般为5 3 0 c 左右 固溶保温l h ，人工时效温度一般选择在1 7 0 c 左右，随着时效温度的提高，合金达到最大 时效硬化效果所需时效保温时间短，但合金所能达到的时效硬化效果降低【2 5 1 。相关研究 结果显示，固溶处理前对合金进行形变处理可以明显提高合金的时效硬化效果【2 6 - 2 7 。将 山东建筑大学硕士学位论文 固溶淬火后的合金件在室温自然时效一段时间再进行人工时效，在时间生产中是不可避 免的，比如淬火件的整形等。实验研究结果表明，淬火到人工时效之间的自然时效对合 金的人工时效硬化效果具有不利影响，预时效可以有效地抑制室温停留时间造成的不利 影响1 2 8 3 0 1 。预时效温度一般较低，目的是在合金中形成细密、均匀、弥散的g p 区，g p 区通常是均匀形核，当其达到一定尺寸，就可成为随后时效沉淀的核心，从而大大提高 了组织的均匀性，进入第二级时效时，随着温度的提高和时效时间的延长，这些高弥散 g p 区得到迅速长大并有序化，从而获得高密度的p ”和1 3 强化相，这样峰值时效时合金的 强度较高，达到峰值时间也较短【3 l 】。p a s h l e y 等人【3 2 j m a l m g s i 合金时效初期形成的溶质 原子富集区解释了自然时效对人工时效硬化效果的影响机制：预时效温度低于平均尺寸 稳定化温度，即使高温短时间处理也是溶质富集区不稳定的场合，在最终时效就不能成 为中间相的形核核心而出现了不利影响。l o r i m e r 和n i c h 0 1 s o n 研究了这种现象的作用机 制，认为预时效形成的临界尺寸以上的g p 区在最终时效时作为中间相的形核核心从而提 高合金的强度【3 3 1 。j b u h a 的研究表吲15 1 ，a 1 m g s i c u 合金1 7 0 时效2 0 m i n 后再短暂的低 温时效，能促进g p 区的均匀析出，从而形成大量细小的b ”相，提高合金的强度。图1 1 为a l m g - s i c u 合金1 7 0 。c 时效2 0 r a i n 和1 7 0 。c 时效2 0 r a i n 后6 5 c 短暂时效的h r t e m 图，从 图1 1 中可以看出，后者g p 区密度大，主要原因是时效早期m g s i 一空位团簇的分布影响 g p 区的形成。 合金组成，微量元素添加对a 1 m 争s i 合金时效析出行为具有重要的影响【3 4 - 3 6 。s i 和m g 是a 1 - m g - s i 合金中的主要元素，它们形成平衡相m 9 2 s i ，其平衡质量比为 m g ：s i = 1 7 3 ，m 臣s i 在铝基体中的最大溶解度为1 8 5 w t ( 5 9 5 。c ) 。对于常用的汽车板材 a i m g s i 合金，在t 4 p 状态t ( 1 7 0 。c 时效5 m i n 后室温停放5 天，然后1 8 0 c 时效3 0 m i n ) ，当 m s i 含量由1 2 5 增加到1 9 7 时，板材的抗拉强度由3 1 6 m p a 增加到3 8 3 m p a 【3 7 1 。相关 研究结果显示，a l m g - s i 合金中m g 与s i 的比值对合金的时效析出硬化行为也具有重要的 影响。过剩s i 的存在被认为是加强析出动力学而不改变析出相的性质。过剩s i 可使析出 山东建筑大学硕士学位论文 图11a i - m g - s i c u a 金( a ) 1 7 0 c 时j b l 2 0 m i n ( b ) 1 7 0 c 时效2 0 m i n 后6 5 时效的h r t e m i 目 ( 箭头指g p 区) 9 1 物变细微和密度提高【”。9 1 。l z h e n ：等a t ”1 的研究也证明了过剩s j 提高了亚稳析出褶矿的 密度，使合金强度提高，并且降低了时效早期g p 区和溶质原子丛聚区中的m g 与s i 的比值。 但是，并不是a i - m g - s i 合金中的过剩s i 含量越高，人工时效之后的强度或峰值硬度越高， 含高过剩s i 的a 1 m g - s 1 合金中旷相和p 相的析出行为主要由m g 岔量控制”。有关实验4 2 】 证明，随着台盒中s i 含量的增加，t 4 及t 8 x 状态下的强度随之增加，当s i 含量非常高时， t 4 状态的强度饱和，或许是因为形成m 臣s l 的m g 数量不够的原因。 实验研究结果表明，在a i m g - s i 合盒中加入c u 元素，可以明显提高合金的时效硬化 效果m 删。关于元素c u 对a 1 m g - s i 合会时效析出行为的影响，有很多的研究报道洲。文 献【4 6 】认为，在a 1 - m g - s i 合盒合金中添加c u 。a r 以降低滓火到人工时效之问的自然时效 对合金的人工时效硬化效果的不利影响。文献日1 提到在欠时效条件下，c u 含量对时效 硬化动力学有很大的影响，c u 可明冠提高硬度峰值，认为人工时效动力学的提高是由于 q 相的彤成，q7 相为平衡相q ( a t 5 c u z m g s s i 6 或a l4 c u m g s s i ) 的先驱相。c u 元素对自然时 效过程中原子富集区的影响，尚无统一的解释。文献【4 7 】研究发现，含04 c u 的a i m g - s i 合盒自然时效后1 7 0 c 人工时效3 0 分钟，含c u 的合金中g p 区浓度大于不含c u 的合金，并 且添加04 c u 合金甚至在自然时效后也能观察l i g p 区这说明c u 的增加能够增加合金中 山东建筑大学硕士学位论文 m g 和s i 的过饱和程度，加强了自然时效过程中富集区的形成。文献【4 8 的研究结果表明， c u 减小了m g 和s i 原子的迁移速率，阻碍了m 分s i 富集区的形成。最近金曼【4 9 】等人采用透 射电镜及三维原子探针研究c u 对a l - m g - s i 合金1 7 0 。c 时效初期g p 区的影响，研究结果表 明：未添加c u 的合金经1 7 0 。c 时效3 0 m i n 时仅有原子团簇形成，添加0 6 c u 的合金中则形 成了大量f f l m g 、s i 和c u 3 种元素组成的g p 区，c u 的添加促进t g p 区的形成，合金中还 出现了断针状的预p ”相。 很多研究结果显示，微量元素添加对铝合金的时效析出行为具有明显影响。c e 加入 主! l j a l m g - s i 合金中提高p ”相的激活能，降低p 相的激活能，从而促使形成p 相，降低板材 的抗拉强度，使屈强比增大，不利于成形性甜3 4 1 。少量元素s n 的加入能够延缓a 1 m g s i 合金淬火后的时效析出，抑制时效析出相的聚集、长大，从而提高合金的时效硬化效果。 文献【剽的研究结果表明：在a l 一0 6 m g 0 6 s i 合金中添加微量s c 和z r 并不改变该合金在1 6 5 时p ”相的析出动力学，含s c 和z r 元素的a 1 m g s i 合金因沉淀硬化而引起的硬度值增加 的幅度较小。关绍康等人 2 6 , 5 1 】通过在a 1 m 分s i 合金中加入t i 研制丌发了一种新型的铝合 金，成分为s i 0 8 一1 2 ，c u 0 4 0 7 ，m g o 8 1 2 m n 0 2 0 5 ，t i 0 1 - 0 3 ，通过研究发现， t i 有利于预时效过程中g p 区和b 相核心的形成。文献【5 2 1 的研究表明：在a 1 0 9 m g - 0 8 s i ( 叭) 合金中添加0 4 w t a g 和0 3 w t z n 后，合金的显微组织发生明显不同的变化，使合 金同时具有高密度细小的晶内析出相和较大、不连续分布的晶界析出相。 1 2 2a 1 z n m g 基合金时效研究现状 早在2 0 世纪3 0 年代，人们开始研究a 1 z n - m g 系合金，但由于该系合金存在严重的腐 蚀现象而未得到实际应用。后来各国研究者通过在a 1 - z n - m g 合金中添加合金元素、提高 合金纯度、优化固溶时效工艺或调整合金元素含量等方法研制出一系列新型的高强、高 韧、耐腐蚀和良好高温性能的a 1 - z n m g - c u 合金，广泛应用在航空和航天领域。 a l z n - m g 合金时效析出序列取决于合金所经受过的各种处理，包括淬火条件、自然 时效以及随后的人工时效。一般认为，a 1 z n m g 合金的时效析出序列为：过饱和固溶体 山东建筑大学硕士学位论文 一g p 区一t 1 - - r l ( m g z n 2 ) ，g p 区为球状，主要在低温或高温时效早期析出，g p 区与基体 完全共格，由平行于铝基体方向的富z n 、m g 原子层组成，由于z n 、m g 两种合金元素的 相反尺寸效应导致其交替排列【5 3 】。g p 区的化学成分主要依赖于基体中i 拘z n ：m g 质量比， 由于g p 区尺寸太小，即使使用精确度较高的a p f i m ( a t o mp r o b ef i e l d i o nm i c r o s c o p y ) ， 其化学成分也难以精确确定，表1 1 为研究者通过实验或计算获得的g p 区的成分 s 4 - 5 7 】。当 温度从室温上升到较高温度时，g p 区会发生溶解。这种溶解称作回复。回复是部分的， 在这种情况下，超过临界尺寸的g p 区直接作为t 1 相的形核核心而转变成t 17 【5 8 】。q 为过渡 相，呈针片状，与基体保持半共格六方结构，在基体的( 111 ) 面上呈六角形板状沉淀，与 基体的取向关系为 0 0 0 1 ) 吖 1 1 1 ) a i 、 1 0 1 0 , 1 i o a i ，其晶格常数为a - 0 4 9 6 0 n m ， c = 1 4 0 3 n m ，t 1 相是a l z n m g 合金的主要强化相。1 1 为平衡相，与基体非共格，六方结构， 呈板条状。晶格常数为a = o 5 2 0 n m ，c = o 8 6 0 n m 。最近文献【5 9 】采用透射电镜研究了时效处 理状态下7 0 5 5 铝合金的微观结构，研究结果表明：在时效1 h 内，g p 区即在 l l1 ) 面上形 成并具有片状结构，随着时效时间增加，g p 区逐渐长大。”亚稳相也在g p 区形成不久即 表1 1a 1 - z n m g 合金g p 区化学成分的实验结果【5 奉明 山东建筑大学硕士学位论文 析出，它们是具有沿 l l o ) 方向，呈成分调制的结构。g p 区和t 1 相的析出是铝合金在时效 过程中强度和硬度迅速上升并达到峰值的主要原因。在时效达到4 h 时，t 1 相便析出。g p 区含量减少和1 1 相长大引起铝合金强度和硬度的降低。 c u 是a 1 z n m g 合金中极为重要的合金元素。它能提高沉淀相的弥散度，改善晶问结 构，如晶界沉淀相、晶界无沉淀析出带，改善沿晶腐蚀性能。高z n 合金中，c u 原子溶入 g p 区可以提高g p 区的稳定温度范围，延缓时效析出【鲫。c u 原子还可溶入t 17 及q 相中，降 低晶界和品内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力。此外，c u 还提高a l z n m g 合金的 周期应变疲劳抗力和韧性【6 l 】。 在a 1 z n m g 合金中添加微量元素s c 和z r 也成为近几年研究的热点。文献 6 2 】的研究 表明：在a 1 z n m g 合金中加入微量s c 元素，可以提高合金的强度，同时延长了应力腐蚀 寿命，原因在于钪的加入细化了晶粒，提高了再结晶温度。s c 和z r 复合微合金化可明显 细化a 1 z n m g 合金的铸态晶粒组织，抑制合金的再结晶，大大提高合金的强度；钪含量 越高，晶粒细化效果越好，合金强度提高也越大；微量s c 和z r 在a 1 z n m g 合金中主要以 a 1 3 ( s c ，z r ) 质点的形式存在，初生a 1 3 ( s c ，z r ) 粒子是在合金凝固过程中形成的，主要起非均 质形核的作用，次生a 1 3 ( s c ，z r ) 粒子是合金在均匀化处理和后续热处理中析出的，起亚结 构强化和直接析出强化作用【6 3 - 6 s ，从而改善- j a l z n m g 合盒的性能。在a l c u m g 着i l a l a g 合金中加入微量s c 元素，能显著改变时效析出进程，增强这些合金的时效硬化效果，其 中，微量s c 元素影响a 1 一c u - m g 和a 1 一a g 合金时效初期微结构的演变是这些合金改变时效 析出重要因素【6 9 1 。微量s c 元素对a 1 z n m g 厶金 t i 相时效析出的影响尚无统一的定论， 文献【6 9 提到在a 1 一m g - z n 合金中添加微量s c 以及复合添加s c 与z r 延缓了t 1 7 的时效析出过 程。同时也有研究表明，微量s c 的添加加速了a 1 z n m g 合金中t 1 析出的报道【7 0 】。而微量 s c 元素对a 1 z n m g 合金时效初期微结构影响的研究较少。 锂是自然界最轻的金属。锂加入铝中，可大大提高弹性模量和降低密度，对于7 x x x 系合金的轻量化及改善力学性能均有积极意义【7 1 7 2 1 ，但是添加量应当严格控制。当合金 山东建筑大学硕士学位论文 中锂的含量大于1 7 时，由亚稳、有序、共格的6 ( a 13 l i ) x h 取代t 1 相成为主要强化相， 使得合金的力学性能显著下降【7 3 1 。这是因为锂与空位结合能较高，锂原子能够首先捕获 淬火时形成的空位。当合金中锂的含量大于1 7 时，固溶处理后合金中空位密度大大降 低，从而降l k 毳z n ，m g 原子的扩散速度，抑制基体中富z n 相的均匀形核及t 1 的粗化。并且 “还会促使富z n ，m g i h 首先以大粒子形式在晶界析出，从而使断裂模式由穿晶断裂向沿 晶断裂转变，合金的延伸率下降。锂的浓度适当时，锂原子与空位形成l i v 基团，减缓 z n 和m g 原子的扩散速度，阻碍t 1 相的粗化长大，有利于t 1 相的细小弥散分布【件7 5 1 。 1 3m o n t ec a r l o 模拟方法在铝合金时效初期研究中的应用 近年来，国内外研究者采用m o n t ec a r l o 方法模拟研究铝合金时效初期微结构的演 变，已经取得了比较大的进展。这方面的研究要归功于t s a t o 等人，t s a t o 7 6 】等人采用 m o n t ec a r l o 方法，构建了铝合金时效早期原子结构演变的模型。通过对合金时效早期 原子的分布状态的统计分析，有效地研究了各微量元素对合金时效过程的影响，取得 了与实验比较一致的结果，图1 2 为微量元素对a i c u 合金g p 区影响的实验结果和模 拟结果的比较。我国中南大学郑子樵课题组，长期致力于铝合金材料领域的研究，在 iaa捌a l 、，av aaa谢 l lb驻bl n 8l v 8v 8v i b垤b l h x ：嚣k “嘲嚏 u p p e r：i x p e f i n 蟹a t a l 删p r e v i o u s l y 腿p 哦e d “b el t e r：p r l i c l i o ob y 曲诹s i 棚i i i 碰hm o d dbcn0f 0a c c e 胁g pz o 目l ef o r m a c