铝锂合金的相场模拟与实验研究

论文摘要

本文以铝锂合金为研究对象，基于微观相场和连续介质相场动力学方程，模拟计算研究了不同原子间相互作用势下，不同成分合金中δ′相沉淀机制；采用透射电镜研究了不同时效状态下亚晶、T1相和δ′相的形态、分布等微观组织，采用扫描电镜及半定量统计方法研究了不同热处理工艺下细观断裂方式以及与宏观力学性能关系。为我国新一代铝锂合金的开发和应用提供理论和实验基础。主要研究内容和结果如下：亚稳区合金δ′相沉淀机制以非经典形核长大机制为主，具有一定的失稳机制特征；失稳区合金首先形成大范围的有序畴，而后发生失稳分解，表现出一定的形核长大机制特征。过渡区合金同时表现出形核长大和失稳分解两种机制的特征。因此无论合金成分如何，δ′相的形成机制均为形核长大机制与失稳分解机制的结合，随Li含量升高，失稳分解机制的特征逐渐加强。在整个成分范围，包括平均场失稳线上，δ′相沉淀机制的变化是渐进的，未突变。改变原子间相互作用势也不会引起沉淀机制的突变。增大原子间相互作用势使δ′相沉淀机制向失稳分解机制偏移。δ′相沉淀最初均经或长或短的等成分有序化，并形成非化学计量比有序相，而后逐渐发展成化学计量比有序相。随原子间相互作用势增大，有序相界面厚度逐渐增大，但所占比例逐渐下降；临界形核功逐渐减小，临界晶核半径先保持不变，而后增大；形核率先增后减；原子簇聚速度加快，非化学计量比有序相存在时间缩短。原子间相互作用势对过渡区合金的影响比较大。2090和2090+Ce合金中亚晶均为等轴状；T1相析出的孕育期比δ′相的长很多。模拟计算与实验观测δ′相粗化规律相符，均为数量逐渐减少，尺寸长大。稀土元素Ce促进T1相和δ′相的析出，但抑制二者粗化，抑制亚晶长大。2090+Ce合金的微观组织演化速度比2090合金慢。随时效温度升高或时间延长，室温拉伸断裂方式从以韧窝开裂为主，逐渐变成以分层开裂为主，而后逐渐向沿亚晶界开裂过渡。不同预拉伸量下，断裂韧性试样断口特征随裂纹扩展，逐渐由以韧窝为主转变为以分层开裂为主，最后转变为准解理断裂。预拉伸量增大、时效温度提高、或时间延长大，韧窝比例下降，分层开裂比例和准解理比例逐步提高，分层厚度均逐间变薄。2090+Ce合金断裂方式演化速度比2090合金要慢，与两合金微观组织演化速度的规律相对应。时效过程中δ′相与T1相的尺寸、数量、分布，沿晶稳定相，晶界无沉淀带等微观组织对晶内和晶界强度的不同作用是影响细观断裂方式最主要的因素。分层裂纹由于时效过程中晶界弱化，试样中心在三向拉应力作用下产生首个裂纹，随后在试样四分之一处、八分之一处……，不断产生。分层开裂是微观组织与外应力共同作用的结果。2090和2090+Ce铝锂合金在各时效状态下，强度相当。随时效时间延长，合金强度先升后降。随时效时间延长，2090合金延伸率先降后升。2090+Ce合金延伸率先略升再下降，与强度规律变化相似。2090+Ce合金的延伸率在各时效温度和时间均高于2090合金的延伸率。随着预拉伸量的增大，断裂韧性下降，临界裂纹长度略降。时效温度高，断裂韧性降幅增大。随时效时间的延长，断裂韧性下降，临界裂纹长度基本不变。预拉伸量增大、时效温度升高或时间延长，都使分层比例越大、分层厚度减小。随裂纹扩展，分层比例先升后降，在稳态扩展区往往出现最大值，分层厚度单调下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文的主要贡献和创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 铝锂合金概况
• 1.2 多尺度研究概述
• 1.3 本文研究内容及架构体系
• 第二章 计算模型和实验方法
• 2.1 多原子体系微观相场动力学模型
• 2.2 连续介质相场动力学模型
• 2.3 实验材料与方法
• 第三章 亚稳区合金沉淀机制及原子间相互作用势影响的微观相场模拟
• 3.1 Al-8.5at.%Li合金δ′相沉淀机制
• 3.2 最近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 3.3 次近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 3.4 最近邻、次近邻原子间相互作用势协同作用对δ′相沉淀机制的影响
• 3.5 亚稳区合金δ′相沉淀机制及原子间相互作用势影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 失稳区合金沉淀机制及原子间相互作用势影响的微观相场模拟
• 4.1 Al-15.0at.%Li合金δ′相沉淀机制
• 4.2 最近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 4.3 次近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 4.4 最近邻、次近邻原子间相互作用势协同作用对δ′相沉淀机制的影响
• 4.5 失稳区合金δ′相沉淀机制及原子间相互作用势影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 过渡区合金沉淀机制及原子间相互作用势影响的微观相场模拟
• 5.1 Al-12.0at.%Li合金δ′相沉淀机制
• 5.2 最近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 5.3 次近邻原子间相互作用势对δ′相沉淀机制的影响
• 5.4 最近邻、次近邻原子间相互作用势协同作用对δ′相沉淀机制的影响
• 5.5 过渡区合金δ′相沉淀机制及原子间相互作用势影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 δ′相沉淀机制及原子间相互作用势影响的连续相场模拟
• 6.1 Al-8.5at.%Li合金δ′相临界晶核及原子间相互作用势的影响
• 6.1.1 临界晶核的特征
• 6.1.2 原子间相互作用势对Al-8.5at.%Li合金形核的影响
• 6.2 Al-10.6at.%Li合金δ′相临界晶核及原子间相互作用势的影响
• 6.2.1 临界晶核的特征
• 6.2.2 原子间相互作用势对Al-10.6at.%Li合金形核的影响
• 6.3 Al-11.5at.%Li合金δ′相临界晶核及原子间相互作用势的影响
• 6.3.1 临界晶核的特征
• 6.3.2 原子间相互作用势对Al-11.5at.%Li合金形核的影响
• 6.4 Al-12.0at.%Li合金δ′相临界晶核及原子间相互作用势的影响
• 6.4.1 临界晶核的特征
• 6.4.2 原子间相互作用势对Al-12.0at.%Li合金形核的影响
• 6.5 δ′相沉淀机制综合比较
• 6.6 本章小结
• 第七章 铝锂合金微观组织研究
• 7.1 不同热处理状态下亚晶特征研究
• 1相沉淀特征研究'>7.2 不同热处理状态下T₁相沉淀特征研究
• 7.3 不同热处理状态下δ′相沉淀特征研究
• 7.3.1 不同热处理状态δ′相沉淀特征的实验研究
• 7.3.2 δ′相沉淀实验研究及与模拟研究的关联关系
• 7.4 本章小结
• 第八章 铝锂合金细观断裂特征研究
• 8.1 室温拉伸断裂特征研究
• 8.1.1 室温拉伸断口分析
• 8.1.2 室温拉伸断口的半定量统计分析
• 8.1.3 分层裂纹的形成过程
• 8.2 室温拉伸细观断裂方式与微观组织的关联关系
• 8.2.1 微观组织对断裂方式的影响
• 8.2.2 稀土元素Ce对微观组织与断裂方式关联关系的影响
• 8.3 断裂韧性试样断裂特征研究
• 8.3.1 断裂韧性试样断口分析
• 8.3.2 断裂韧性试样断口的半定量统计分析
• 8.3.3 分层裂纹的形成过程
• 8.4 断裂韧性试样断裂方式与微观组织的关联关系
• 8.5 本章小结
• 第九章 铝锂合金宏观力学性能研究
• 9.1 室温拉伸性能研究
• 9.2 室温拉伸性能与细观断裂特征的关联关系
• 9.2.1 分层比例与合金强度的关系
• 9.2.2 分层厚度与合金强度的关系
• 9.2.3 分层比例与合金塑性的关系
• 9.2.4 分层厚度与合金塑性的关系
• 9.3 室温拉伸性能与微观组织的关联关系
• 9.4 断裂韧性实验结果
• 9.4.1 预拉伸量对断裂韧性的影响
• 9.4.2 时效温度和时效时间对断裂韧性的影响
• 9.5 细观断裂方式与断裂韧性的关联关系
• 9.5.1 分层比例与断裂韧性的关系
• 9.5.2 分层厚度与断裂韧性的关系
• 9.6 断裂韧性与微观组织的关联关系
• 9.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位论文期间发表的论文及获得奖励