Al-Cu-Mg合金中典型纳米析出相时效强化的定量调控研究

Al-Cu-Mg alloys as structural materials are typical aging-hardening alloys widely used in area of large aircraft and high-speed railway and other fields. However, the precipitates in this alloys are very small and the distribution of precipitates are complex, so that the goal of heat treatment is not clear, leading to quantitatively tailoring precipitation hardening is still an important scientific topic but difficult to solve. Therefore, in this project, we use first-principles calculations to relax the interfaces structure between the precipitates and matrix. Then, we employ ab initio molecular dynamics to study the complex interaction between dislocations and typical precipitates, to figure out the mechanism of interaction at atomic scale and the obstacle forces from dislocation interact with different size of precipitates. At last, high resolution electron microscopy techniques as HAADF-STEM, TF-EWR and 3D-ET would be used to determine the structure, size and volume fraction of typical precipitates in the alloy. We aim to establish a new precipitation hardening function with respect to the type, the size and the volume fraction of precipitates. From the function, we would obtain an optional combination of precipitates, which act as the heat treatment goal in the aging-hardening processing, and finally achieve quantitatively tailoring the mechanism of the alloys. Quantitatively tailoring precipitation hardening of metal alloys is a common scientific issue, doing this would help to design new aging-hardening alloys and improve the efficiency of heat treatment.

Al-Cu-Mg合金作为结构材料广泛应用在大飞机和高铁等领域。该合金是典型的时效强化合金，然而合金中析出相尺寸小，分布形态多样，微观结构与性能和热处理工艺目标的定量关系不明确，析出强化定量调控仍然是亟待解决的重要科学问题。本项目拟采用第一性原理计算、从头分子动力学以及高分辨透射电镜技术（HAADF-STEM、TF-EWR和3D-ET）优化设计合金中纳米尺度典型析出相界面结构、模拟析出相与位错的交互作用和测定纳米析出相微观结构、尺寸和体积分数，揭示交互作用机理，获得析出相对位错的阻碍作用力及其随尺寸的变化关系数据库；探索该合金中典型析出相强化与析出相种类、尺寸和体积分数之间的函数关系，预测最优析出相分布，明确热处理微观结构调控目标，实现定量调控合金力学性能。析出强化定量调控是金属合金中的共性科学问题，该问题的解决有助于设计新可热处理合金和提高热处理工艺效率。

在项目的支持下，课题组顺利完成了基金申请书中约定的各项研究内容，并且在此基础上，对金属合金中一些新的科学问题进行了初步的探索。首先，通过高分辨透射电镜与第一性原理计算相结合，在Al-Cu-Mg合金中，对析出相的结构演化进行了深入的研究，发现了一种全新的GPB区，因为这种一维结构的GPB区的截面具有四角对称的原子分布，故命名为GPB-T区，这个发现对理解该系合金的时效析出行为提供了依据；第二，在Al-Cu合金中，通过高分辨透射电镜与第一性原理计算相结合，发现了一种 θ' 相的新的前驱相，有意思的是这种前驱相与铝基体界面处有Cu原子的偏析，研究揭示了其演化机理；第三，在铝合金中，我们发现了一种原子尺度下的新型位移相变，并提出了广义的位移相变模型，揭示了相变的微观机理，通过第一性原理计算预测了可能发生这种相变的三元铝合金，在这些预测的合金中有三个系列的合金已经被实验证实；第四，功函数是设计材料的一个有用的参数，在前期工作的基础上，我们建立了溶质元素的功函数与镁合金中孪晶启动之间的对应关系，也就是功函数高于镁的合金元素和低于镁的合金元素与孪晶界面能的关系，结果有利于设计高韧镁合金；最后，在密排六方结构金属材料中，我们找到了几种合金的优先滑移面，对于理解密排六方金属的延展性提供了参考。