高压扭转大塑性变形纳米晶al–mg合金的微观结构及力学性能.doc

高压扭转大塑性变形纳米晶Al–Mg合金的微观结构及力学性能

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摘要 大塑性变形 (SPD) 是目前来说唯一可以生产块体亚微米、纳米结构材料的加工方法。高压扭转 (HPT) 是大塑性变形中细化晶粒能力最强的技术，能制备出晶粒尺寸小于100 nm的纳米结构材料，是SPD中最有前途的技术之一。作为一种重要的不可热处理合金，Al–Mg铝合金 (5xxx系列) 是迄今为止在低温储罐、铝墙板、照明产品、内存磁盘基板、船用发动机部件等方面应用最广泛的铝合金材料。同时，由于铝镁铝合金与2xxx系列和7xxx系列铝合金相比，耐腐蚀性好、可再生能力更强、密度更低且成本更低，已被广泛用于车身内部面板等汽车部件。最近的研究表明，以镁为主要添加元素的 SPD Al–Mg铝合金，其性能如加工硬化速率、热稳定性、位错增殖能力、晶粒细化均得以提高，从而可提高合金的强度和塑韧性。因此，研究高压扭转变形铝镁合金的微观结构及力学性能具有十分重要的意义。
本文以三种二元Al–Mg (0.5%，1.0%，2.5%Mg，质量分数) 合金和一种商业AA5182 (Al-4.1Mg-0.35Mn-0.13Si-0.32Fe 质量分数，%) 铝合金为研究对象，对其进行高压扭转大塑性变形，通过测试变形前后的硬度、强度和伸长率等力学性能，结合透射电镜 (TEM)、高分辨透射电镜 (HRTEM) 以及X射线衍射 (XRD) 等微观分析手段，分析变形后合金的位错、晶界、层错和孪晶等微观结构，分析结果总结如下：
(1) 对尺寸小于100 nm的晶粒，晶内无位错，其晶界清晰平直；而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由几个亚晶或位错胞结构组成，局部位错密度可高达1017 m-2，这些位错往往以位错偶和位错环的形式出现。
(2) 用HRTEM观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结构，分析了局部高密度位错、位错胞和非平衡晶界等在晶粒细化过程中的作用，提出了高压扭转Al–Mg合金的晶粒细化机制。
(3) 用HRTEM观察到了一些特殊的层错和孪晶，如由4层层错叠加而形成的厚度为1 nm的特殊纳米孪晶，证实了Yamakov等人分子动力学模拟预测到的均质形核和长大的孪生机制；在晶粒尺寸20W22;50 nm晶粒内，经常存在密度极高的纳米孪晶和层错，局部密度高达1016W22;1018 m-2，厚度仅为 0.2W22;1 nm，证实了Yamakov等人分子动力学模拟预测的非均质形核和长大的孪生机制。
(4) 高压扭转变形后，Al–Mg合金的晶粒尺寸随着Mg含量的增大而减小，TEM暗场像测得晶粒尺寸范围为265 nm到71 nm，已达纳米量级；HPT后Al–Mg合金的强度和硬度随Mg含量的增大明显提高，分别是未变形试样的3–4倍和3–6倍，其中AA5182的屈服强度和极限抗拉强度最大，分别达到690 MPa和800 MPa。但是，随Mg含量的增大，HPT变形后的Al–Mg合金伸长率明显下降，高压扭转Al–0.5Mg合金的伸长率为16%，其它HPT合金的伸长率均小于5%。
(5) 根据微观结构分析结果，定量分析了几种强化机制对高压扭转Al–Mg合金强度的贡献，其中细晶强化占27%~34%，是强化机制的重要部分；位错强化占11%~23%，位错强化对合金强度的提高随Mg含量的增大而增加。计算结果表明，传统强化机制对高压扭转变形Al–Mg合金整个强度的贡献仅占50%左右，因此，层错、孪晶、非平衡晶界和溶质偏析等纳米结构可能对合金的强度也具有重要作用。



关键词：高压扭转; 铝镁合金; 位错; 层错和形变孪晶; 晶界结构; 强化机制