汽車車身用Al-Mg-Si-Cu合金中析出相演變和熱處理工藝研究.pdf

1、Al-Mg-Si-Cu合金由于具有中高等強(qiáng)度，良好的成形性及耐蝕性，且焊接性好，烘烤后表面質(zhì)量高，熱處理強(qiáng)化效應(yīng)明顯，是目前汽車車身輕量化的關(guān)鍵材料，廣泛用于汽車車身的覆蓋件，如車頂蓋，后行李箱蓋板，引擎蓋及車門等。該合金主要通過(guò)熱處理過(guò)程中形成一系列的具有納米尺寸且彌散分布的析出相使合金獲得強(qiáng)化，而理解這些析出相在熱處理過(guò)程中的演變機(jī)制及其與合金性能的本征關(guān)系對(duì)于提高合金的性能具有重要意義。此外Al-Mg-Si-Cu合金應(yīng)用在汽車車身

2、上，需要使合金同時(shí)具有良好的成形性和烘烤硬化性，而達(dá)到這一性能要求需要在深入理解析出相演變機(jī)制的基礎(chǔ)上對(duì)合金的成分和熱處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本文以商用的AA6022鋁合金為基礎(chǔ)合金，設(shè)計(jì)了一系列不同Mg/Si比和Cu含量的Al-Mg-Si-Cu合金，主要采用透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM）、原子分辨率的高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、三維原子探針（3DAP）、硬度測(cè)試、拉伸測(cè)試、DS

3、C熱分析，結(jié)合第一性原理計(jì)算和蒙特卡洛模擬，系統(tǒng)的研究了Al-Mg-Si-Cu合金中析出相的結(jié)構(gòu)和成分演變機(jī)制；合金成分對(duì)合金自然時(shí)效和人工時(shí)效過(guò)程中團(tuán)簇和析出相的影響規(guī)律；探索預(yù)處理工藝對(duì)合金自然時(shí)效和烘烤硬化性的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①Al-Mg-Si-Cu合金180oC人工時(shí)效初期及峰值階段形成的析出相（包括β″， Q″和L相）基本都為原子非周期性排列的無(wú)序結(jié)構(gòu)析出相，這些無(wú)序析出相的內(nèi)部分別包含β″，Q′和C單胞

4、或亞結(jié)構(gòu)。其中Cu cluster-likezones是構(gòu)成Al-Mg-Si-Cu合金中含Cu析出相的穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)單元，對(duì)提高析出相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了重要作用。Cu cluster-likezones在析出相內(nèi)擴(kuò)散困難是導(dǎo)致析出相出現(xiàn)無(wú)序結(jié)構(gòu)的根本原因。②合金時(shí)效過(guò)程中，無(wú)序結(jié)構(gòu)的析出相會(huì)通過(guò)一系列有序化過(guò)程逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛭龀鱿?，其中β″相?huì)首先通過(guò)Cu原子的進(jìn)入和Cu cluster-likezones的形成先轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)Q″相，Q″

5、相再通過(guò)有序化過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)镼′相。Q″相的有序化主要包括Cu cluster-likezones的形成，Si網(wǎng)格的有序化和Cu網(wǎng)格的有序化三個(gè)階段。而L相的有序化和轉(zhuǎn)變過(guò)程非常緩慢，相比于Q′相，L相更容易以無(wú)序結(jié)構(gòu)存在，且L相具有較強(qiáng)的強(qiáng)化能力和良好的熱穩(wěn)定性，可以有效提高合金的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。在長(zhǎng)期過(guò)時(shí)效后，所有的析出相（包括 Q′，L/C相）都將轉(zhuǎn)變?yōu)?Q平衡相。Al-Mg-Si-Cu合金最新的析出序列應(yīng)為SSSS→原子團(tuán)簇→GP區(qū)

6、→β″, Q″, L/C→Q′, L/C→Q, Si。時(shí)效過(guò)程中伴隨著析出相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，析出相內(nèi)的Mg，Si和Cu原子含量逐漸升高，而Al原子含量逐漸降低。③Al-Mg-Si-Cu合金的性能主要通過(guò)同時(shí)調(diào)控合金的Mg/Si比和Cu含量來(lái)控制。在自然時(shí)效過(guò)程中，過(guò)剩 Si和 Cu都可以提高合金的自然時(shí)效硬化速率，由于Si原子在自然時(shí)效時(shí)團(tuán)簇(1)的形成起到主導(dǎo)作用，因而Si原子促進(jìn)合金的自然時(shí)效硬化更為明顯。人工時(shí)效時(shí)，對(duì)于低 Cu合金，

7、過(guò)剩 Si合金的人工時(shí)效硬化效應(yīng)高于過(guò)剩Mg合金，且Mg/Si比為1時(shí)，合金峰值硬度最高；而對(duì)于高Cu合金，過(guò)剩Mg高Cu合金具有更高的時(shí)效析出動(dòng)力學(xué)和熱穩(wěn)定性，這是由于Cu和Mg原子之間強(qiáng)烈的相互作用使原子團(tuán)簇細(xì)化，且過(guò)剩Mg和Cu的添加可以促進(jìn)L相的形成，使合金具有良好的熱穩(wěn)定性。此外，在低Cu合金中自然時(shí)效的有害作用隨Mg/Si比的增大而增加，而在高Cu合金中，自然時(shí)效的有害作用與Mg/Si比無(wú)關(guān)。④新設(shè)計(jì)的過(guò)剩Mg高Cu合金與目

8、前商用的6022鋁合金相比，不僅具有較低的T4態(tài)屈服強(qiáng)度，而且在人工時(shí)效過(guò)程中具有更高的析出動(dòng)力學(xué)，烘烤硬化性和熱穩(wěn)定性，且對(duì)耐蝕性影響不大，在汽車車身板的應(yīng)用上具有巨大潛力。⑤預(yù)時(shí)效在較大的溫度范圍內(nèi)（80oC-170oC）均能有效抑制合金的自然時(shí)效并提高合金的烘烤硬化性。預(yù)時(shí)效過(guò)程中形成的團(tuán)簇(2)可以有效抑制自然時(shí)效過(guò)程中團(tuán)簇(1)的形成，在人工時(shí)效時(shí)團(tuán)簇(2)能夠很容易的轉(zhuǎn)化為β″相，促進(jìn)合金的烘烤硬化效應(yīng)。本研究中最佳的預(yù)時(shí)效

9、工藝為100oC-3h，該工藝在顯著提高合金烘烤硬化性的同時(shí)，使合金具有較低的 T4P態(tài)屈服強(qiáng)度。相比于預(yù)時(shí)效，中斷淬火工藝在抑制合金自然時(shí)效，提高烘烤硬化性的同時(shí)，可以大幅加速合金預(yù)處理的效率。本研究中最佳的中斷淬火工藝為100oC-45min，合金性能與預(yù)時(shí)效100 oC-3h合金相似，但預(yù)處理時(shí)間大幅縮短。但是中斷淬火工藝容易導(dǎo)致合金晶界附近出現(xiàn)粗大的淬火誘發(fā)第二相和晶間無(wú)析出帶，對(duì)合金的斷裂韌性造成不利影響。⑥預(yù)變形工藝雖然可以