微合金化Al-Cu-Sc合金的多重强化和多尺度断裂行为研究

基于微合金化Al-Cu-Sc合金中不可变形θ′-Al2Cu时效析出相与可变形细小Al3Sc时效析出相多尺度分布的特征微观组织结构，本申请拟通过力学性能与微观结构之间的量化关联，阐明尺寸存在量级差别的该两类沉淀相对铝合金强韧化的耦合影响；通过位错理论及断裂力学建模，构建相应的多重强化和多尺度断裂理论框架。针对Sc添加促进θ′-Al2Cu均匀析出的微合金化作用，采用高分辨透射电镜、三维原子探针等先进分析手段研究时效初期原子团簇的形成、演变及其对θ′-Al2Cu强化相析出的影响，进一步深入理解Sc的微合金化机理。同时，为澄清多重影响中的单因素相关性，分别研究Al-Cu和Al-Sc两种对比合金中单一盘片状θ′-Al2Cu沉淀相和单一球状Al3Sc沉淀相(可变形/不可变形)与位错的相互作用，明确沉淀相性态和形态对铝合金变形断裂的影响，尝试建立普适的单一沉淀相的强韧化理论模型。

微合金化是当前铝合金行业的研究热点和发展方向，但是相关机制研究及其工业层次的应用还处在初步阶段。本项目采用透射电子显微镜(TEM)和三维原子探针技术(3DAP)深入分析了Al-Cu-X (X = Sc和Sn)合金中微量添加元素X的微合金化作用及其对时效析出热/动力学行为的影响，通过拉伸力学性能测试建立起了屈服强度和拉伸延性与微观组织参数之间的关系。研究结果表明：尽管Sc和Sn的微量添加均具有强烈的微合金化作用，即细化θ‘-Al2Cu 强化相颗粒的同时提高析出密度，但是其微合金化机制存在不同。Sc的微合金机制主要是在θ’-Al2Cu界面上的偏聚，通过降低界面能抑制θ’-Al2Cu长大；而Sn的微合金化机制是形成细小Sn颗粒，在时效过程中作为形核质点促进θ‘-Al2Cu相的形核和非均匀析出，使析出相密度增加，尺寸减小。力学性能上，经优化热处理后的Al-Cu-Sc合金，与未合金化的Al-Cu合金比，屈服强度可提高1倍以上，同时拉伸延性提高约10%，实现了强度和延性的同步提高。而Al-Cu-Sn合金与Al-Cu合金相比，虽然可提高屈服强度50%左右，但是拉伸延性降低。进一步地，构建了微合金化Al-Cu-X合金的强化模型，并提出了微合金化对合金断裂行为影响的半定量微观力学模型。研究结果将为铝合金的微合金化提供理论基础及设计参考。