Al-Mg-Si合金重复连续挤压大塑性变形微观组织演变规律及改性机理研究

Al-Mg-Si alloys, known as thermomechanical treatment strengthening alloys, are widely used for lightweight structural materials and conductor. However, there is a big challenge to gain the optimal mechanical properties concurrently on strength and plasticity. Severe plastic deformation can refine grains and enhance property of alloys with limited industrial application, combined with the special thermodynamic conditions, therefore, this project proposes a novel method to put severe plastic deformation on Al-Mg-Si alloys into practice using repetitive continuous extrusion forming. The method skillfully combines severe plastic strain-induced continuous dynamic recrystallization and dynamic precipitation to achieve an elegant combination of fine (sub) grains and precipitates, which settles the trouble of higher strengthen accompanying with lower plasticity and then improves the comprehensive properties of the alloys simultaneously, such as strength and plasticity. The evolution of microstructure and properties of Al-Mg-Si alloys during repetitive continuous extrusion forming under high temperature, low temperature and both alternately will be studied. The mechanisms of severe plastic strain-induced continuous dynamic recrystallization and dynamic precipitation during repetitive continuous extrusion forming, the relationship between the properties and microstructure and coupling mechanics model are to be explored. The physical natures of synergistically enhanced strength and plasticity properties in Al-Mg-Si alloy by repetitive continuous extrusion forming are suggested to be revealed. The works will be the theoretical bases for effectively producing medium and small standard aluminum alloy products with high level performance under severe plastic deformation utilizing repetitive continuous extrusion forming technique.

Al-Mg-Si合金是一种可形变热处理强化铝合金，广泛用作轻量化结构和导体材料。然而，合金的强度与塑性等性能往往难以保证一种最佳组合。本项目基于大塑性变形可以细化组织而改进合金性能但商业化应用有限的现状，结合连续挤压特殊的变形热力学条件，提出采用重复连续挤压对Al-Mg-Si合金进行大塑性变形，巧妙结合大变形应变诱发连续动态再结晶及动态析出使合金同时获得均匀细小的（亚）晶粒组织和析出强化相，达到协同改良合金综合性能的目的。项目主要研究Al-Mg-Si合金重复连续挤压过程中的位错组态、亚晶粒与新晶粒形成及析出相形态、尺寸、分布、成份及结构的演变规律，探索重复连续挤压大变形诱发连续动态再结晶及动态析出的作用机理，以及合金宏观性能与微观组织特征的相关性，揭示重复连续挤压变形协同提高合金强度与塑性等性能的物理本质，为商业化利用该技术有效制备中小规格铝合金材料并改进其性能提供理论基础。

Al-Mg-Si合金具有中等强度、优异的成形、抗腐蚀及焊接性能，是装备轻量化的关键结构材料，已广泛应用于轨道交通、汽车、轮船、航空航天和轻工业领域。大塑性变形能够大幅细化合金晶粒，获得超细晶甚至纳米晶组织，显著提高合金的力学性能。目前运用大塑性变形来制备Al-Mg-Si合金的研究普遍存在试样尺寸小、生产效率低、材料利用率低、成本高等难于工业化应用的技术问题。设计一条通过连续大塑性变形来制备高性能Al-Mg-Si合金的可商业化生产工艺是本文的研究目标。因此，系统研究了Al-Mg-Si合金在连续挤压、重复连续挤压、连续挤压-高压扭转/高压扭转挤压和时效过程中的显微组织与力学性能演变，深入探讨了不同大塑性变形方法和时效处理对Al-Mg-Si合金晶粒、析出相、位错等组织演变以及微观组织与力学性能的定量关系，揭示了Al-Mg-Si合金大塑性变形和时效强韧化机制，为利用大塑性变形制备超长尺度高性能铝合金材料提供理论依据和技术支撑。.本项目通过重点研究：（1）重复连续挤压细化和均匀化了Al-Mg-Si合金的显微组织，协同提高了合金强度和塑性。（2）重复连续挤压影响了Al-Mg-Si合金后续时效过程的析出行为，提高了合金的力学性能。（3）高压扭转挤压大幅提高了连续挤压Al-Mg-Si合金的硬度。（4）后续时效热处理对不同大塑性应变Al-Mg-Si合金产生了逆反的时效强化效果。（5）利用有限元模拟提出和探究了两种新型连续大塑性变形方法，分别为连续高压扭转挤压和连续扭转挤压。探明了Al-Mg-Si合金在重复连续挤压过程组织性能演变，揭示了连续挤压和重复连续挤压过程合金晶粒演变规律、第二相细化及析出相动态回溶机理。同时，揭示了不同后处理时效工艺对重复连续挤压Al-Mg-Si合金析出行为的影响，获得了强度和塑性协同提高的Al-Mg-Si合金杆料，探明了Al-Mg-Si合金在高压扭转和高压扭转挤压过程组织性能演变，揭示了大塑性变形Al-Mg-Si合金强化与晶粒细化的定量关系。同时，在合金中发现了大塑性应变诱导强度饱和现象，定量分析了各强化机制对合金强度的贡献，解释了大塑性应变Al-Mg-Si合金不能通过后时效处理进一步强化的原因。提出了两种新型有效可实现的连续大塑性变形方法即高压扭转挤压和连续高压扭转挤压，可以实现高应变制备纳米晶材料，为商业化开发和应用中小型Al-Mg-Si合金杆料奠定基础