汽车面板用Al-Mg-Si-Cu合金中G.P.区原子尺度结构模型的构建

G.P. zones at the size scale of 2-4 nm are important solute aggregates formed in the early stage of the age hardening process of Al-Mg-Si(-Cu) alloys used for automotive panel sheets. The structure of these nano-sized G.P. zones can hardly be determined by a single type of characterizing method since each method has its limitation. In this project, it is planned to employ selected area electron diffraction, high resolution transmission electron microscopy, exit-wavefunction reconstruction, high-angle annular dark field - scanning transmission electron microscopy and 3-dimensional atom probe to determine the types, morphological features, crystallographic features and compositions of the G.P. zones in Al-Mg-Si alloys with Cu additions, which are not yet provided in literature. On the other hand, first-principles calculations and molecular dynamics simulations will be applied to predict their bulk formation enthalpy and the strain fields around them, respectively. Comparison between predicted and experimental results can verify the rationality of the model proposed. The aim of the project is to establish the structural model(s) of G.P. zones in Al-Mg-Si-Cu alloys which is/are self-consistent in crystallography, composition, structural stability and strain. It is hopeful that the established model can provide direct guidance on the optimization of automotive panel sheet fabrication, and constitute important input for new-generation alloy design which is based on theoretical predictions of microstructures and properties. Meanwhile, the systematic approach used in this project will be applicable in determining the structures of other multi-component nanoprecipitates.

尺度为2-4 nm的G.P.区是汽车面板用Al-Mg-Si(-Cu)合金时效早期的主要析出物之一。现有单一表征技术无法获得G.P.区的完整原子尺度结构。本项目拟通过选区电子衍射、高分辨透射电子显微术、出射波重构技术、高角环形暗场成像术、三维原子探针等表征技术的系统集成，对文献中尚未澄清的含Cu的Al-Mg-Si合金中G.P.区的种类、形貌特征、晶体学特征、成分进行测定，并分别通过第一原理计算和分子动力学模拟，预测所得G.P.区构型的结构稳定性及G.P.区/基体界面处应变场，从而验证构型的合理性。本工作旨在构筑在晶体学、成分、结构稳定性、应变等多方面自洽的G.P.区原子尺度结构模型。该模型的建立可望指导工业合金设计，并为基于材料微结构及结构-性能相关性模拟的材料设计方法提供关键输入数据；同时本工作建立的构筑G.P.区原子尺度结构模型的系统集成方法可望应用于其他多元纳米粒子的结构研究。

尺度为2-4 nm的G.P.区是汽车面板用Al-Mg-Si(-Cu)合金时效早期的主要析出物之一。Al-Mg-Si-Cu合金中G.P.区的成分，尤其是其溶质元素比例对于设计Al-Mg-Si-Cu汽车外板、飞机蒙皮具有重要的参考意义。G.P.区的结构模型，是通过集成计算材料工程（或称“材料基因工程”）高效设计各种用途的Al-Mg-Si-Cu合金成分及工艺的基础。然而现有单一表征技术无法获得G.P.区的完整原子尺度结构。本项目执行过程中，通过选区电子衍射、高分辨透射电子显微术、三维原子探针等表征技术的系统集成，对文献中尚未澄清的含Cu的Al-Mg-Si合金中G.P.区的种类、形貌特征、晶体学特征、成分进行测定，并通过第一原理计算，预测得到了G.P.区构型的结构稳定性并通过高分辨透射电子显微图片分析了其与基体之间的晶格匹配及应变场，从而验证了构型的合理性。本工作因而构筑了在晶体学参数、成分、结构稳定性、应变等多方面自洽的Mg1(Si,Cu)1-G.P.区原子尺度结构模型，其特征为Mg和Si交替占据铝的(001)面，而Cu主要存在于Si原子面。因而G.P.区成分特征为Mg原子原子数与Si和Cu的原子数之和相当。基于此结构模型及其成分特征，设计了一种用于汽车面板的Al-Mg-Si-Cu合金，研究了冲压成型过程对Al-Mg-Si-Cu合金时效析出序列（即各种纳米强化相的析出先后顺序）、强度、硬度、延伸率、耐蚀性等关键微结构特征及性能指标的影响，发现该板材各方面的性能指标都非常符合汽车外板的要求，因而对各种用途的Al-Mg-Si-Cu板材的工艺研究均有借鉴意义。该模型的建立不仅可指导工业合金设计，还可为基于材料微结构及结构-性能相关性模拟的材料设计方法提供关键输入数据；同时本工作建立的构筑G.P.区原子尺度结构模型的系统集成方法可望应用于其他多元纳米粒子的结构研究。此外，在完成本项目任务之后，本研究团队还针对一系列与铝合金第二相紧密相关的科学问题进行了探索，建立了一种快捷、简便、精准的在普通透射电镜中测量纳米析出相体积分数的方法；阐明了200-300 kV透射电镜损伤铝合金纳米析出相结构的机理并成功进行了低损伤观察尝试；结合相图计算、定向凝固和纳米压痕测试得到了铝合金中几种关键微米级颗粒的弹性模量。发表ESI论文7篇，含一作及通讯作者5篇，发表中文论文3篇，国际学术会议奖励1项。