中南大学《JMST》自然时效可改变高强铝合金晶界附近的析出效应

　　在商用Al-Zn-Mg-Cu合金中，淬火后直接人工时效165℃以上可形成粗析出物的大小和密度沿晶粒中心方向呈梯度分布的50 nm宽的析出区(PFZ)和~100 nm宽的少析出区(PSZ)。随着晶粒尺寸的减小，PFZ和PSZ在晶粒中的比例增大，甚至可以占据整个晶粒的体积。这种晶界附近的不良微观结构可通过自然预时效得到极大的缓解，从而导致了高温下时效硬化电位的异常增强。自然时效可以从根本上改变晶界附近的析出，是优化高强度铝合金析出硬化的一种有前途的方法

　　即将到来的气候和能源危机刺激了运输工业对高强度铝合金的需求。Al-Zn-Mg-(Cu)合金是所有铝合金系列中强度最高的合金之一，可与一些常规钢的强度相媲美。通过标准淬火和人工时效(AA)处理，可在基体晶格中形成丰富的硬化颗粒，使强度大幅度提高。通过控制强化析出物的类型、界面、分布和形态，可按需获得强化析出物的性能。因此，人们对Al-Zn-Mg-(Cu)合金的析出机理进行了大量的研究。合金的析出序列一般为超饱和固溶体(SSSS)→GP区(GPI和II)→η’→η(P63/mmc,MgZn2)，并根据不同η/Al基体取向关系进行了12种平衡态η相分类。最常见的是位于{111}Al平面上的板状12种平衡态η相。

　　峰时效Al-Zn-Cu-(Mg)合金在晶界(GB)和晶界附近的无析出区(PFZ)的连续溶质偏析可能导致非常显著的穿晶应力腐蚀开裂(SCC)和材料的灾难性故障服务。为了减轻这些不利影响,多级时效被应用到平衡SCC阻力和强度。据报道，在超细晶粒(UFG)Al-Zn-Mg-Cu合金中析出物具有粗大的形貌，因此与相应的粗晶粒的铝合金相比具有较低的硬化效果。这种晶粒尺寸效应尚未被充分认识，阻碍了改善晶粒尺寸强化与常规沉淀强化相结合的努力。解决上述问题的实质在于加深对GB时效影响的认识。

　　中南大学刘春辉课题组研究了高强度Al-Zn-Mg-Cu合金在有无自然预时效的情况下，合金在不同温度下的析出硬化现象。在无自然时效的高温时效合金中，可以观察到与GB相邻的PFZ和宽析出区(PSZ)，这可以解释UFG铝合金中析出相的粗糙形貌。在正常的AA温度(120℃)下，NA有轻微效应，而在AA温度升高(165-180℃，汽车生产烤漆温度)下，NA对时效硬化反应有更加显著的影响，相关研究结果以题Natural-ageing-enhanced precipitation near grain boundaries in high-strength aluminum alloy发表在“Journal of Materials Science&Technology”上。

图1(a)Al-Zn-Mg-Cu合金在不同时效温度与时效时间下的维氏硬度

图2(a)有自然时效和无自然时效样品在不同时效温度下获得的最大屈服强度;(b)在165℃和180℃试样的工程应力-应变曲线。

　　NA对Al-Zn-Mg-Cu合金在正常AA温度下的时效硬化反应有轻微影响，但对AA温度在165℃以上时Al-Zn-Mg-Cu合金的最大强度有显著提高。均匀分布在晶粒内部的细小析出物主要为η2及其多种类型。在AA之前进行自然时效时，晶粒内部的形貌和析出物的类型都没有明显的变化。在直接高温时效的样品中，一个不同寻常的观察结果是，在GBs附近，伴随着50 nm的PFZ而出现的~100 nm的PSZ。随着GB间距的减小，晶粒内粗析出物占总析出物的比例显著增大。

图3在120℃(a,d)、165℃(b,e)和180℃(c,f)条件下，颗粒内部或样品中的类似板状硬化的HAADF-STEM图像。

图4在(a,d)120℃(b,e)165℃和(c.f)180℃处时效样品晶界附近的析出物的HAADF-STEM图像显示

图5晶界附近析出的HAADF-STEM特征:(a)突出晶界高密度的亚/晶粒结构:(b)在包围的区域(a)内含有晶粒边界附近辐射纳米沉淀物的沉淀-稀疏带(PS2)的形成;(c)PSZ中析出相尺寸随离晶界距离的变化

　　研究结果表明，这种强烈的晶粒尺寸效应来源于在GBs附近存在的PFZ和宽的PSZ。应用NA可显著缩小PFZ，抑制PSZ，降低GBP，显著提高沉淀硬化电位。NA可用于调节GB附近的溶质/空位行为，从而控制高强度铝合金，特别是高体积分数GBs的超细/纳米颗粒合金的析出。