陳江華，劉春輝

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

AlMgSi(Cu)合金中納米析出相的結(jié)構(gòu)演變

陳江華，劉春輝

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

AlMgSi(Cu)合金是應(yīng)用最廣泛的可熱處理強(qiáng)化鋁合金，該類合金的主要性能與時(shí)效階段析出的硬化相緊密相關(guān)。綜述AlMgSi(Cu)合金在不同熱處理階段形成的納米析出相的形貌、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。提出了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的概念和模型，并以此揭示了納米析出相結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其與力學(xué)性能間的關(guān)系。在含銅 6×××系鋁合金的納米析出相結(jié)構(gòu)演變研究領(lǐng)域有若干未解決的基本問題，而這些問題的解決對(duì)高中強(qiáng)度 6×××系鋁合金的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

鋁合金；析出相；熱處理; 人工時(shí)效；微觀結(jié)構(gòu)

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)重要的結(jié)構(gòu)材料。鋁合金質(zhì)量輕(約是同體積鋼質(zhì)量的1/3)、可塑性好、熱處理后強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于節(jié)能交通工具、建筑及食品包裝等。純鋁非常軟，強(qiáng)度低，而加入少量其它合金元素形成的鋁合金，如在汽車制造、航空航天、計(jì)算機(jī)制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的 2×××、6×××和 7×××系鋁合金，在適當(dāng)熱處理后能得到可與鋼相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。其根本原因是鋁合金在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，添加的合金元素形成一些具有納米尺度且彌散分布的析出相。這些析出相在合金發(fā)生塑性變形時(shí)阻礙晶體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而使鋁合金得以強(qiáng)化，這種現(xiàn)象叫析出強(qiáng)化或時(shí)效硬化[1-3]。因此，從根本上理解鋁合金中析出相結(jié)構(gòu)在熱處理和加工變形過程中的演變規(guī)律及其與材料性能間的關(guān)系，是國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注但又尚未得到完全解決的問題。

在純鋁中加入少量鎂、硅和銅所形成的 6×××系(Al-Mg-Si-Cu)鋁合金是人類現(xiàn)代生活中應(yīng)用最廣泛的鋁合金。6×××系鋁合金可快速強(qiáng)化，成形性良好，焊接性能和抗蝕性優(yōu)良，沖擊韌性高，對(duì)缺口不敏感，無應(yīng)力腐蝕開裂傾向，熱塑性好，可以高速擠壓成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、中空的各種型材，是輕量化汽車車身和高速列車鋁合金車體的主體材料[4-5], 近來在航空領(lǐng)域也得到了應(yīng)用[6]。

圖1 AlMgSi(Cu)合金硬化相析出序列示意圖(形貌特征與晶體點(diǎn)陣類型)Fig.1 Schematic illustration of precipitation sequence in AlMgSi(Cu) alloys (morphology and crystal lattice features)

1 早期析出相的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性

綜合迄今為止的文獻(xiàn)報(bào)道，AlMgSi(Cu)合金中硬化相在熱處理過程中的析出序列如圖1[7-25]所示，其詳細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)列于表 1和 2中。β″被認(rèn)為是AlMgSi合金最主要的強(qiáng)化相，其結(jié)構(gòu)已由波函數(shù)重構(gòu)(Through focus exit-wavefunction reconstruction, TFREW)結(jié)合定量納米束電子衍射方法測定[10]。許多研究者通常認(rèn)為這個(gè)相以前的析出相為早期相或稱為GP區(qū)。GP區(qū)為AlMgSi合金中最有效的強(qiáng)化析出相。合金在固溶淬火后形成的過飽和固溶體經(jīng)時(shí)效處理先形成非常小的原子團(tuán)簇，GP區(qū)在這些團(tuán)簇上形核并長大。早在半個(gè)多世紀(jì)以前，人們就已知 6×××系(Al-Mg-Si)鋁合金強(qiáng)化析出相為針狀的、橫截面尺度僅為單個(gè)納米的Mg、Si元素聚集區(qū)[26]。THOMAS[27]嘗試用選區(qū)電子衍射的手段探測這種針狀析出相的結(jié)構(gòu)，并猜測其結(jié)構(gòu)模型。后來人們認(rèn)識(shí)到6×××系中的析出相有兩種類型：早期的GP-Ⅰ和后期的GP-Ⅱ區(qū)。AlMgSi合金中早期析出相尺寸非常小，在很長的一段時(shí)間內(nèi)其原子結(jié)構(gòu)不完全清楚，文獻(xiàn)[7, 28]中的結(jié)論也不盡相同。

表1 Al-Mg-Si三元體系中實(shí)驗(yàn)測定的析出相的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table1 Overview of experimentally observed precipitation phases in Al-Mg-Si system

表2 Al-Mg-Si-Cu四元體系中實(shí)驗(yàn)測定的析出相晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table2 Overview of experimentally observed precipitation phases in Al-Mg-Si-Cu system

在合金n(Mg)/n(Si)=2的樣品中，MATSUDA等[7]通過高分辨電鏡(High resolution transmission electron microscopy, HRTEM)觀察到細(xì)小的板狀相出現(xiàn)在早期時(shí)效階段。分析認(rèn)為這些小板是Mg和Si〉〈100原子柱交替排列組成的在鋁基體{001}FCC面上的復(fù)合{MgSi}片層，鋁原子層可以插到{MgSi}片層間。MURAYAMA等[28]對(duì)Mg和Si摩爾比是2和1的合金探測發(fā)現(xiàn)了尺寸在2 nm左右且Al含量很高的團(tuán)簇，但沒發(fā)現(xiàn)任何板狀相。后來的研究表明，無論在 Mg和Si摩爾比小于1或大于1的合金中，早期時(shí)效階段的主要析出相都是針狀的。2006年，陳江華等[8]利用波函數(shù)重構(gòu)結(jié)合定量高分辨顯微像分析測定了早期的針狀析出相結(jié)構(gòu)，為單斜晶體結(jié)構(gòu)，單胞的成分近似為Mg2Si3Al6。這個(gè)相被認(rèn)為是pre-β″和β″相的前驅(qū)相，故被稱為 initial-β″。Initial-β″含有較高含量的 Al(約60%)，單胞大小與鋁點(diǎn)陣完美匹配，且原子位置與鋁基體點(diǎn)陣原子位置基本相同，即這個(gè)相與鋁基體共格關(guān)系非常好，可以認(rèn)為是鋁基體部分被Mg和Si原子取代形成的。用Mg和Si不斷地取代initial-β″中的Al可以產(chǎn)生一些變體結(jié)構(gòu)，最后可以得到實(shí)驗(yàn)測定的β″。這些相都是具有單斜結(jié)構(gòu)的針狀相，其中最重要的特征是這些相中都有沿鋁基體〉〈100方向生長的Si2原子柱。這些 Si2原子柱形成一個(gè)穩(wěn)定的骨架，而這些原子柱間的成分可變。提出的 Si2原子骨架模型是一個(gè)非常新穎和有用的模型，它允許析出相內(nèi)化學(xué)計(jì)量的波動(dòng)，因此它能提供在早期時(shí)效階段非常有利的組合熵。這些早期的析出相只有可能是針狀的，因?yàn)檠刂€(wěn)定的Si2原子柱擴(kuò)展能量非常有利于析出針狀相。

早期析出相成分可以定義為MgxSiyAlz，其在熱處理過程中不斷變化，鑒于實(shí)驗(yàn)測定的復(fù)雜性和難度，人們不可能測出所有可能的早期析出相的原子結(jié)構(gòu)。利用第一原理計(jì)算人們可以對(duì)所有猜測的早期原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到不同相的固溶形成焓和晶格錯(cuò)配度(弛豫后的參數(shù)與鋁基體相比較)，從而預(yù)測不同亞穩(wěn)相的穩(wěn)定性。固溶形成焓較低且與鋁基體晶格匹配較好的早期析出相在時(shí)效處理過程中更易于形成。計(jì)算結(jié)果[29]表明，對(duì)于Mg和Si的摩爾比小于1的早期相，綜合來說initial-β″最易于形成；對(duì)于Mg和Si的摩爾比為1的早期相，Mg1Si1板狀相不易于形成，而中間夾有Al層的{MgSi}片層很有可能形成；對(duì)于Mg和 Si的摩爾比大于 1的早期相，板狀的Mg2Si1Al3、Mg3Si21Al5和{MgAl}1Al10是有利的結(jié)構(gòu)，這3個(gè)結(jié)構(gòu)是在Mg1Si1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上部分原子替換成Al而構(gòu)造成的。這些計(jì)算結(jié)果顯示，在Mg和Si的摩爾比小于 1的合金中，更易形成針狀的 β″系列相，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相符。由于一般的高分辨透射電鏡像受到襯度離散效應(yīng)的影響，圖片中的亮點(diǎn)并不代表原子(見圖 2)，initial-β″和 β″針狀相的原子結(jié)構(gòu)是采用先進(jìn)的電子顯微學(xué)方法精確測定而獲得(見圖2)，而板狀Mg1Si1相的結(jié)構(gòu)只是在一般HRTEM照片的基礎(chǔ)上猜測得到的，盡管能量計(jì)算表明有可能形成部分板狀相，但尚未有嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)觀察證明板狀相的存在。在AlMgSi合金中添加一定量的Cu可以加快早期相的析出[21]，但添加Cu對(duì)早期時(shí)效析出的影響尚未認(rèn)識(shí)清楚。

2 中后期析出相的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性

AlMgSi合金硬度達(dá)到峰值時(shí)會(huì)析出 β″針狀相，在此之后的析出相一般稱為中后期析出相(見圖1)。很多實(shí)驗(yàn)都在過時(shí)效的樣品中發(fā)現(xiàn)了桿狀的β′相，但一直以來其晶體結(jié)構(gòu)仍存在爭議。JACOBS等[17]測定該相的單胞參數(shù)后，人們公認(rèn)該相具有六方結(jié)構(gòu)，但文獻(xiàn)[14, 19, 30]中報(bào)道的該相的Mg和Si摩爾比差別較大，而且能量計(jì)算發(fā)現(xiàn)很多文獻(xiàn)提出的原子結(jié)構(gòu)很不合理[9]。VISSERS等[11]先用波函數(shù)重構(gòu)提出初始模型然后用考慮了動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的定量電子衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)精化，并且結(jié)合能譜分析，測定了一個(gè)新的β′相晶體結(jié)構(gòu)模型(見表1)。提出的新模型仍具有六方結(jié)構(gòu)，但其c軸長度不等于鋁單胞長度，而是它的3倍。原子在c軸方向有一定位移而不是正好處在與之平行的鋁基體基面高度，而且Mg原子沿c軸投影不是正好在一個(gè)原子柱上而是有微量偏移。提出的新模型與實(shí)驗(yàn)匹配較好，且能量計(jì)算顯示其非常合理。當(dāng)合金Mg和Si的摩爾比較小時(shí)，與β′同時(shí)出現(xiàn)的還有U1、U2和B′相，這些相有時(shí)又分別稱為Type A、Type B和Type C。在過時(shí)效后期AlMgSi合金會(huì)析出β相(Mg2Si)，其晶體結(jié)構(gòu)是反螢石結(jié)構(gòu)。對(duì)中后期析出相的能量計(jì)算[31]顯示，Si含量較高時(shí)有利于形成亞穩(wěn)相 U1；n(Mg)/n(Si)=1時(shí)，利于形成U2相；Mg含量較高時(shí)，易于形成B′和β′相。當(dāng)然第一原理計(jì)算結(jié)果并不一定與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致，因?yàn)橄嗟男纬膳c局域的成分有很大關(guān)系。另外，由于計(jì)算容量的限制，界面、鋁基體中的應(yīng)力、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、相變激活能和墑的影響沒法全部在計(jì)算中考慮。

3 納米析出相結(jié)構(gòu)演變及其與性能間的關(guān)系

一直以來，揭示鋁合金中納米析出相結(jié)構(gòu)演變及其與性能間的關(guān)系是非常重要但難度較大的工作。理解鋁合金中析出相的結(jié)構(gòu)和形貌演變規(guī)律，可以幫助改善合金的熱處理工藝和加工工藝，有利于合金成分的優(yōu)化和材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。此類工作難度較大又具有挑戰(zhàn)性，一方面是因?yàn)榇祟惞ぷ鞯倪M(jìn)展有賴于測量手段分辨本領(lǐng)的提高和測量方法的創(chuàng)新和改善；另一方面是因?yàn)殇X合金中的有效強(qiáng)化相往往是在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)的條件下形成的單個(gè)納米尺度的亞穩(wěn)相。這些細(xì)小顆粒不但結(jié)構(gòu)測量很困難，而且它們成核與生長的過程較特殊且復(fù)雜，不按通常理解的平衡態(tài)相變規(guī)律發(fā)展。因此，這方面的工作較多，但突破性的進(jìn)展較少，尚有很多難題沒有較完善的答案。

Al-Mg-Si(Cu)系合金析出相的普遍接受的析出序列如圖1所示。需要指出的是本研究中所論述的各種相實(shí)際上大多并不在一個(gè)時(shí)效溫度形成。β″系列針狀相以及一些早期相主要在時(shí)效溫度 180 ℃以下時(shí)出現(xiàn)[7-10]，而 β′、U1、U2 和 B′相主要出現(xiàn)在 200～300 ℃時(shí)效的樣品中[11-15]，β相則往往在300 ℃以上才能形成[9,17]。后面這些相比較粗大，強(qiáng)化效果較差。Van HUIS等[31]利用原子面整體相對(duì)滑移的模型并結(jié)合能量計(jì)算的方法猜測了 β″相到 β相各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變機(jī)理，但由于這些相通常不在同一溫度出現(xiàn)，因此猜測的機(jī)理實(shí)際上不一定發(fā)生?？偟膩碚f，AlMgSiCu合金中β′、U1、U2、B和β等后期相到底是直接從前驅(qū)相轉(zhuǎn)變而來還是從鋁基體中重新成核生長尚沒有完全揭示清楚。

對(duì)于 AlMgSi合金中的早期析出相的成核生長規(guī)律，本研究給出了一個(gè)較完善的理解。時(shí)效早期，過飽和固溶體中的Mg和Si原子取代鋁基體中的格點(diǎn)位置，溶質(zhì)原子富集然后有序化排列形成GP區(qū)。第一個(gè)有序化的證據(jù)就是作者在 initial-β″中發(fā)現(xiàn)的 Si2原子柱。實(shí)驗(yàn)測定與合理猜測并結(jié)合能量計(jì)算[8]顯示，AlMgSi合金早期強(qiáng)化相具有一個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)有一個(gè)由 Si2原子柱構(gòu)成的骨架。在時(shí)效過程中該結(jié)構(gòu)中的原子成分不斷變化，但 Si2原子柱形成的骨架不變。把實(shí)驗(yàn)測定的Mg2Si3Al6中的一個(gè)Si原子換成Al得到Mg2Si2Al7，這個(gè)相可能是Si2原子柱結(jié)構(gòu)的最早形式。早期相的動(dòng)態(tài)成分可以用以下分子式描述：[Mg1-u-v(SiuAlv)]2Si2[Al1-x-y(SixMgy)]7(0＜u(t)＜1/2,v(t)≈0, 0＜x(t)+y(t)＜1, 其中 t是時(shí)效時(shí)間)。顆粒起始于[Mg]2Si2[Al]7，然后其他原子取代里面的Al和部分Mg，最后形成[Mg1/2(Si1/2)]2Si2[(Si3/7Mg3/4)]7(Mg5Si6=β″)。早期針狀相沿 〈 100〉A(chǔ)l增長的過程中伴隨有成分的變化(見圖 3)，Mg2Si2Al7轉(zhuǎn)變到 Mg2+xSi2+yAl7-x-y(1＜x+y＜3)，成分繼續(xù)變化就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?pre-β″和β″相。

早期硬化納米顆粒的動(dòng)態(tài)變化與溫度密切相關(guān)，溫度越高臨界尺寸越大，室溫時(shí) Mg2Si2Al7不可能形成，低溫時(shí)(如70～80 ℃)Mg2Si2Al7雖然能形成但其向Mg2+xSi2+yAl7-x-y的轉(zhuǎn)變會(huì)非常慢甚至不可能，這樣就阻礙了硬化顆粒的增長。以上分析很好地解釋了汽車工業(yè)上應(yīng)用廣泛的鋁合金車身板烘漆強(qiáng)化過程：預(yù)時(shí)效形成在室溫穩(wěn)定的 Mg2Si2Al7顆粒，此時(shí)合金強(qiáng)度較低易于沖壓成形，在180 ℃左右進(jìn)行烘漆處理時(shí)預(yù)時(shí)效階段形成的“種子”納米顆粒快速生長為Mg2+xSi2+yAl7-x-y，合金強(qiáng)度增大抗凹陷性能提高。Initial-β″到 pre-β″相轉(zhuǎn)變是添加的合金元素取代鋁基體格點(diǎn)的擴(kuò)散過程，而pre-β″原子結(jié)構(gòu)中的Al原子柱沿針狀相生長方向位移0.5倍鋁基體單胞長度并被Mg原子取代就可轉(zhuǎn)變成β″相。β″相以前的相均可以通過元素替代鋁基體格點(diǎn)形成，因此其結(jié)構(gòu)是面心立方的而 β″相結(jié)構(gòu)不是面心立方的?？偟膩碚f，AlMgSi合金早期納米析出相經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的相變過程，包含有元素富集，顆粒內(nèi)部的有序無序轉(zhuǎn)變，形貌改變以及部分原子柱的位移[32]。從測定 β″的結(jié)構(gòu)到測定Initial-β″結(jié)構(gòu)并理解其中的結(jié)構(gòu)演變，研究者們不斷嘗試測定其中的結(jié)構(gòu)，不斷積累認(rèn)識(shí)，改進(jìn)測量技術(shù)和方法，花費(fèi)了大約10年的時(shí)間(見圖3)?？梢姶祟惞ぷ鞯奶魬?zhàn)性和難度。

4 含銅的 6×××系合金(AlMgSiCu)中的析出相

銅引入到 Al-Mg-Si系合金中產(chǎn)生的現(xiàn)象或影響主要為：1) 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高[33]；2) 自然時(shí)效的速度降低，固溶淬火后到人工時(shí)效之間停放的不良影響減弱[34-35]。前者是因?yàn)殂~元素的加入改變了Al-Mg-Si系合金的時(shí)效析出序列，形成了新的強(qiáng)化相，而后者是因?yàn)殂~元素使自然時(shí)效條件下形成自然時(shí)效原子團(tuán)簇的自由能升高。然而Al-Mg-Si-Cu系鋁合金中強(qiáng)化相種類多，析出序列更加復(fù)雜(見圖 1和表2[18-25])，其析出相的演變規(guī)律至今尚未有較完善的理解，根本原因在于析出相早期原子結(jié)構(gòu)的測量尚未取得突破性進(jìn)展。

圖3 Initial-β″到β″相轉(zhuǎn)變過程的示意圖Fig.3 Schematic illustration of phase transformation from initial-β″ to β″

自20世紀(jì)末到現(xiàn)在，人們采用各種手段試圖理解添加Cu的Al-Mg-Si合金體系中強(qiáng)化相的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律[19-20,24,36-40]，測定并定義了多種強(qiáng)化相。Al-Mg-Si-Cu合金在時(shí)效后期會(huì)形成Al-Mg-Si合金中不會(huì)析出的四元Q相(AlxCu2Mg12-xSix)。若銅含量升高甚至?xí)纬?×××系合金中的典型強(qiáng)化相θ相和S相。Al-Mg-Si-Cu合金的性能主要由 Q相的前驅(qū)相 QP、QC、C、L、Q″、Q′等決定。這些亞穩(wěn)相沿鋁基體的一個(gè) 〈1 00〉A(chǔ)l方向完全共格，但在垂直于這個(gè)方向上具有不同的晶體取向和截面形狀。Al-Mg-Si-Cu合金中的亞穩(wěn)相類型與n(Mg)/n(Si)和Cu含量有關(guān)，且大部分亞穩(wěn)相的結(jié)構(gòu)和成分尚未弄清楚，因此文獻(xiàn)中的命名和結(jié)論存在不小差異。CAYRON和 BUFFAT等[19]提出QP通過位移可以轉(zhuǎn)變?yōu)镼C，而QC通過重建可以轉(zhuǎn)變成Q相。但是QP和QC相是在Al-Cu-Mg合金中SiC顆粒界面處發(fā)現(xiàn)的，到目前為止沒有在鋁基體中均勻析出QP和QC相的報(bào)道。從目前已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)綜合分析可知，C相應(yīng)該是L或Q″相粗化后形成的，C相再轉(zhuǎn)變成Q′或Q相。另有報(bào)道指出，QC和Q相可能是β′和B′相中摻入Cu形成的，盡管從原子結(jié)構(gòu)上講比較合理但缺乏嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。總的來說，人們利用一般透射電鏡研究了Al-Mg-Si-Cu合金中析出相的形貌、分布、取向關(guān)系和簡單的有序規(guī)律(一般的高分辨電鏡觀察和選區(qū)衍射觀察)[19-20]，但大部分析出相中的原子結(jié)構(gòu)和成份尚未測定[20-21,36-37]，主要探明了后期析出相[19-21,36-37]，對(duì)早期析出相所知較少[37]，提出了析出相結(jié)構(gòu)的部分猜測模型[18-19,21]，但大多是對(duì)單個(gè)析出相進(jìn)行測量分析[21-23]，很少把實(shí)驗(yàn)測定與第一原理計(jì)算證明相結(jié)合。實(shí)際上析出相的生長是動(dòng)態(tài)的過程，為了真正理解添加銅元素對(duì)Al-Mg-Si三元體系強(qiáng)化相析出序列的影響，必須弄清楚以下問題：1) 對(duì)Al-Mg-Si-Cu系合金中不同 Mg/Si比例和 Cu含量樣品，在熱處理各階段不同亞穩(wěn)相的原子結(jié)構(gòu)和成分及其與鋁基體的界面原子排布到底是什么樣的？2) 不同階段亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)演變的規(guī)律和機(jī)理是什么？3) 晶界處溶質(zhì)原子的偏聚和強(qiáng)化相析出的規(guī)律是什么？

圖4 AlMgSi合金中兩個(gè)早期析出相在不同欠焦量下的圖像Fig.4 Images of two initial-stage precipitates in AlMgSi alloy under different defocuses: (a) “Disordered” clusters; (b) Revealing monoclinic lattice

5 結(jié)語和展望

由于每個(gè)析出相各有其演變進(jìn)程，只有把結(jié)構(gòu)、成分、形貌、取向、分布等信息綜合起來考慮才能較全面理解析出相微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。Al-Mg-Si(Cu)合金中的析出相尺寸非常小有時(shí)甚至只有一兩個(gè)單胞且嵌在鋁基體中[8]，由于透射電鏡復(fù)雜的成像原理和襯度離散效應(yīng)，常規(guī)高分辨像不能給出析出相的原子結(jié)構(gòu)和界面原子排布(見圖 4)。雖然三維原子探針技術(shù)(3-DAP)可以較精確探測元素的聚集和分布，卻不能給出析出相的結(jié)構(gòu)[39-40]。正是由于研究方法和手段的限制，弄清Al-Mg-Si(Cu)系合金中析出相的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律變得困難而復(fù)雜。而對(duì)析出相的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其與性能間的關(guān)系認(rèn)識(shí)不清制約了該類合金的成分優(yōu)化、熱處理及加工成形工藝的改善，也制約了開發(fā)新的高性能6×××系(Al-Mg-Si-Cu)鋁合金的思路。

近年來電子顯微鏡結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的新進(jìn)展，如納米束電子衍射[10]、波函數(shù)重構(gòu)[8,10]、球差矯正透射電鏡[41]和掃描透射電鏡(高角度環(huán)形暗場技術(shù))[20,42]及其定量分析技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)原子尺度結(jié)構(gòu)和成分的測量提供了現(xiàn)實(shí)的可能性，為較徹底地解決Al-Mg-Si-Cu鋁合金中納米尺度析出相的結(jié)構(gòu)表征(測量)問題提供了技術(shù)支撐。另一方面，計(jì)算方法如第一原理、分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡洛方法等的完善和計(jì)算容量的提升為解釋和預(yù)測納米析出相演變的規(guī)律提供了良好的理論平臺(tái)。

在理解和較充分認(rèn)識(shí)Al-Mg-Si(Cu)系合金中納米析出相在不同熱處理階段的結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合性能測試，探明該類鋁合金中析出相的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與性能間的關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)從納米尺度和原子尺度改變?cè)擃惡辖鸬慕M織結(jié)構(gòu)及強(qiáng)韌化調(diào)控，以及從根本上設(shè)計(jì)合理的理化工藝非常重要，對(duì) 6×××系(Al-Mg-Si-Cu)鋁材在汽車輕量化和航空領(lǐng)域的應(yīng)用更有重要實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。

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本文實(shí)證數(shù)據(jù)主要來源于聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署(UNDP)聯(lián)合國人類發(fā)展報(bào)告、世界銀行數(shù)據(jù)庫、國際貨幣基金組織(IMF)以及荷蘭格羅寧根大學(xué)格羅寧根增長和發(fā)展中心。

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Microstructure evolution of precipitates in AlMgSi(Cu) alloys

CHEN Jiang-hua, LIU Chun-hui
(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The performances of AlMgSi(Cu) alloys widely used in the industry, largely correlate with the precipitates formed in the thermal process. The morphologies, the structural features and the phase stabilities of all well-known precipitates that possibly form in the AlMgSi(Cu) alloys were reviewed. In order to understand the structural transformations between the early-stage hardening precipitates in the alloys, and their relations with the mechanical properties of the materials, a concept of dynamic structure to describe the evolution of the hardening particles was introduced. For further development of the high-strength 6××× series alloys, a few un-answered questions about the structural transformations in Cu-containing 6××× series alloys are crucial.

aluminum alloy; precipitate; heat treatment; artificial aging; microstructure

TG111.5；TG115.21

A

1004-0609(2011)10-2352-09

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009CB623704)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171063)；湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目

2011-05-10；

2011-07-20

陳江華，教授，博士；電話：0731-88664009；傳真：0731-88664010；E-mail: jhchen123@hnu.edu.cn

自20世紀(jì)中期開始，人們采用各種檢測方法測定該系合金中的強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)和成分，以理解其時(shí)效硬化特性[7-17]，以便在理解其演變規(guī)律的基礎(chǔ)上優(yōu)化合金成分、改善熱處理和加工成形工藝。然而由于各種測量手段的局限性和測量儀器精度及分辨本領(lǐng)的限制，加之析出相自身演變形態(tài)和過程的復(fù)雜性，在相當(dāng)長的一個(gè)時(shí)期內(nèi)，研究者們一直沒有獲得一幅能夠較完整地描述 AlMgSi合金中強(qiáng)化相成核、生長和演變的物理冶金圖像。甚至對(duì)同樣一個(gè)問題的研究，不同研究組得到不同的測量結(jié)果得出不同的結(jié)論及理解。近年來，隨著微觀結(jié)構(gòu)測量技術(shù)的快速發(fā)展，6×××系A(chǔ)lMgSi合金中主要強(qiáng)化相演變的物理冶金圖像得到了較完整的揭示和理解。但含銅 6×××系合金中強(qiáng)化相的成核生長過程更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)測量工作更具挑戰(zhàn)性。本文作者結(jié)合本研究小組的工作，介紹關(guān)于AlMgSi(Cu)合金中納米析出相結(jié)構(gòu)演變的研究手段和方法，不同時(shí)效階段析出相的原子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，納米析出相結(jié)構(gòu)演變及其與力學(xué)性能間的關(guān)系，以及該研究方向依然面臨的挑戰(zhàn)性科學(xué)難題。

(編輯 李艷紅)