高锌Al-Zn-Mg-Cu合金析出相结构及应变场演变的原位电子显微学研究

The Al-Zn-Mg-Cu series aluminum alloys can be strengthened by heat treatment. A large amount of nano-precipitate is dispersed in the matrix after aging treatment. The alloy is strengthened due to the restraint of precipitates for dislocation movement as deformed. The essence of the interaction of precipitates and dislocation are attributed to the interaction of elastic strain field around precipitate and dislocation core. In the project, the microstructure evolution of precipitates in the high zinc Al-Zn-Mg-Cu alloy is studied by High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) equipped with in-situ heating holder and tensile holder. In addition, geometric phase analysis is employed to determine the evolvement rule of the displacement field and strain field around precipitates about several nanometers and the mechanism of interaction of elastic strain field around precipitate and dislocation core. Furthermore, the experimental strain field around the precipitate is compared with the L. K. BERG precipitation model and the A. Kvernel precipitation model to verify the reliability of current crystal structure model of precipitates. The project will provide theoretical and experimental foundation for the nano-mechanical behavior and improve the theory of strengthening and toughening of Al-Zn-Mg-Cu alloy.

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金为可热处理强化材料，时效处理后基体内弥散分布着大量的纳米级析出相。当材料变形时，析出相与位错交互作用，阻碍位错运动，合金达到了强化的效果。析出相与位错交互作用的本质是析出相周围的弹性应变场和位错芯区的弹性应变场之间的相互作用。本项目拟利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)及配套的加热样品杆、拉伸样品杆对高锌Al-Zn-Mg-Cu合金中析出相的结构演变过程进行原位研究，并使用几何相位分析技术研究析出相转变过程中周围几纳米区域内的位移场和应变场演变规律，深入研究位错芯区应变场与析出相周围应变场的交互作用机制；为了验证已有析出相晶体结构模型的可靠性，将析出相周围区域的应变场与L. K. BERG析出相模型、A. Kverneland析出相模型进行了比较。为进一步理解Al-Zn-Mg-Cu合金材料在纳观尺度下的力学行为，完善Al-Zn-Mg-Cu合金强韧化理论提供基础

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金为可热处理强化材料，时效处理后基体内弥散分布着大量的纳米级析出相。当材料变形时，析出相与位错交互作用，阻碍位错运动，合金达到了强化的效果，但由于纳米尺度应变场分析技术的制约，难以对析出相应变场进行定量研究。.本项目以超高强Al-Zn-Mg-Cu合金为研究对象，利用透射电镜(TEM)原位加热方法对Al-Zn-Mg-Cu合金中析出相的演变过程进行原位研究,使用几何相位分析（GPA）技术研究析出相转变过程中周围的应变场演变规律。研究发现，试验合金经过120℃/14h原位时效后，晶内主要析出相为GPⅡ区；120℃/28h原位时效后，GPⅡ区转变为η′亚稳相。在140℃原位时效过程中，析出相转变加快，主要为η′相；140℃/40h原位时效处理后，部分η′相开始转变为η相。160℃/6h原位时效后，基体内主要析出相为η相，随着时效温度升高，晶内η相长大明显。在270℃原位时效过程中，晶内的η相逐渐回溶，当温度到达330℃后，晶内的η相完全回溶。晶界处不连续析出相开始回溶的温度为310℃，在370℃晶界析出相完全回溶。初期析出的GP II区和后期析出的η'相会在其内部及基体中产生共格应变场。GP II区内部为共格压应变，应变值为7.2%，GP II区周围基体中的应变较小。不同层厚的η'相会导致应变场的变化，7层厚η'相内部以拉应变为主，11层厚η'相内部以压应变为主，7层厚和11层厚η'相周围的基体中都存在不对称分布的共格压应变，其压应变的最大值分别为11.2%和14.4%。随着析出相厚度的增加，析出相内部的应变逐渐减小，析出相周围基体应变逐渐增大。第二相的尺寸以及所在位置对微裂纹萌生和扩展具有重要影响。在尺寸方面，第二相尺寸越大，越容易萌生微裂纹。纳米级颗粒（Al3Zr、η′相及η相）对微裂纹扩展路径影响有限，但这些相通过位错切过机制增加了位错运动阻力，从而提高了微裂纹扩展抗力。该研究揭示了析出相结构和应变场的演变规律，实现了Al-Zn-Mg-Cu合金沉淀相和应力的主动控制，研究结果对于优化Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能有十分重要的意义。