针状β″相和细小片状η′相协同作用强化Al-Mg-Si-Zn合金及机制

The application of Al-Mg-Si based alloys is one of the most interested areas for lightweighting structure of automotive materials, in which the strength increase of conventional Al-Mg-Si alloys is the main focus over the world. The strengthening from the nano-precipitates is one of the most effective ways in improving the mechanical properties of Al-Mg-Si alloys. The type, size and volume fraction of the precipitates are vital in determining their mechanical properties. Therefore, it is a hot topic for research and development to obtain the specialized precipitates at an appropriate volume fraction. In this project, the excess Mg-type Al-Mg-Si alloys are used to investigate the influence of Zn addition on the solidification and age hardening behavior where the addition Zn atoms can be used to consume excess Mg atoms. Based on the optimization for the alloy composition, pre-stretching and heat treatment process, it is aimed to establish two different strengthening paths by Mg2Si and MgZn2 precipitation through exploring their competition relationship using the collaborative control between the alloy composition, pre-stretching and precipitation. The key findings are to establish the effectiveness of strengthening offered by a coexistence microstructure of two nano-strengthening phases (the needle-shaped β″ phases and fine disk-shaped η′ phases) with high volume fractions in the Al matrix. This microstructure is capable of improving the strength of Al-Mg-Si based alloys by enhance the effectiveness of preventing the dislocation movement. By the end, the project will provide a theoretical and technical foundation in understanding the high strength Al-Mg-Si-Zn series alloys.

汽车轻量化目标的实现要求车体用Al-Mg-Si系合金具有更高的强度，而借助纳米析出相强化是提高其力学性能的主要途径之一。强化相的类型、尺寸和体积分数是决定其力学性能的关键。因此，在Al-Mg-Si系合金当中获得一定的、具有高体积分数的纳米强化相组织，一直是国内外研究的热点问题。本项目以Mg过剩型Al-Mg-Si系合金为研究对象，通过Zn原子的添加消耗过剩的Mg原子，探索Zn添加对合金凝固组织及时效硬化规律的影响，通过优化合金成分和预拉伸+时效热处理工艺，在合金中建立MgZn2相和Mg2Si相两种不同的析出路径，探讨它们之间的脱溶竞争关系，以实现合金成分、预拉伸和脱溶沉淀之间的协同控制，最终在Al基体中获得高体积分数分布的两种纳米强化相（针状β″相和细小片状η′相）的共存组织，利用它们的协同作用，阻止位错运动，提高合金强度，为探索高强Al-Mg-Si系合金的开发和应用提供理论和技术基础。

汽车轻量化目标的实现要求车体用Al-Mg-Si系合金具有更高的强度，而借助纳米析出相强化是提高其力学性能的主要途径之一。强化相的类型、尺寸和体积分数是决定其力学性能的关键。因此，在Al-Mg-Si系合金当中获得一定的、具有高体积分数的纳米强化相组织，一直是国内外研究的热点问题。本项目采用相图计算设计了实验用含Zn添加Al-xMg-0.5Si-3.5Zn合金成分，观察了其铸态组织，确立了相应的均匀化制度热处理制度、固溶温度和时间，分析了合金的时效硬化反应和脱溶析出规律，调控了强化相类型和析出路径，实现了针状β″相和细小片状ηʹ相的共同析出，提高了峰时效状态下微观组织中强化相的体积分数，提高了合金的硬度和强度。项目执行期间，发表SCI学术论文12篇，授权国家发明专利6项，出席国际会议4次，并做邀请报告和口头报告，培养研究生3人，本科生2人。项目目标已全部完成。取得的主要研究进展如下：设计了4种Al-xMg-0.5Si-3.5Zn合金，确定了它们的铸态组织和成分。铸态合金经140℃×24h时效，发现Al-0.5Mg-0.5Si合金时效硬度提高是由于Mg2Si早期团簇的形成；Al-0.5Mg-0.5Si-3.5Zn合金时效硬度提高的原因是Zn的固溶强化和时效下富Zn团簇的析出；Al-1.0Mg-0.5Si-3.5Zn合金时效硬度提高是由于Mg的固溶强化及ηʹ-MgZn2 相强化作用；Al-2.0Mg-0.5Si-3.5Zn合金时效硬度提高是因Mg的含量高，Al基体中形成比Al-1.0Mg-0.5Si-3.5Zn合金更高密度分布的ηʹ-MgZn2 相。经冷轧变形处理后，在不同温度时效热处理结果表明，4种合金中Al-0.5Mg-0.5Si-3.5Zn合金均表现出最优的时效硬化效果，其峰值硬度由针状β″相和细小片状ηʹ相析出协同作用提供。相比于Al-0.5Mg-0.5Si合金，Al-0.5Mg-0.5Si-3.5Zn合金屈服强度提高了31.8%，达到了319Mpa，抗拉强度提高了10.2%，达到346MPa。基于空位结合能差异以及微观组织演变观察，推论出其时效沉淀演变序列为：过饱和固溶体→Si、Mg、Zn空位对，富Mg团簇→富Si团簇，富Zn团簇，富Mg团簇溶解/Mg空位对→Mg/Si/Zn, Mg/Si、Mg/Zn共团簇→ GP区→β″、ηʹ→ βʹ、η→β、η。