湖南大学陈江华《JMST》：位错诱导析出，调控铝合金时效强化！
题目：Structures and formation mechanisms of dislocation-induced precipitates in relation to the age-hardening responses of Al-Mg-Si alloys
第一作者：赖玉香
通讯作者：陈江华
通讯单位：湖南大学
论文DOI：10.1016/j.jmst.2019.11.001
在小变形后热处理的Al-Mg-Si合金中，位错诱导的析出相颗粒往往会连续排布在基体中，与基体中弥散分布的析出强化颗粒一起形成复杂的微结构，对材料性能产生深刻影响。由于表征工具和研究方法的局限，该合金中位错诱导的析出相复杂微结构和其形成机理一直没有得到较彻底的认识理解。本研究利用先进电镜原子成像技术结合处理工艺，揭示了这种复杂析出相的结构和形成规律，并且发现它们对合金中的基体强化析出相和时效硬化性能有显著影响。
Al-Mg-Si合金由于具有较高的比强度、良好的成形性、出色的可焊接性和耐蚀性等，是汽车车身用铝合金的关键材料。作为可时效强化合金，Al-Mg-Si合金优异的综合性能主要取决于合金在热处理过程中形成的大量弥散的纳米析出相。在以往的合金研发中，人们通常习惯根据合金成分分类来判断某种合金的主要强化析出相和性能。但近期一些研究结果正在改变这种情况，因为研究表明同一种成分的合金在不同的工艺条件和微合金化元素作用下其析出相的析出相变序列可能发生反转。因此，在本文中我们提出，根据合金中正常热处理条件下形成的主要强化析出相的类型，可以把Al-Mg-Si合金分为两类：β"相强化的合金和β'相强化的合金。但复杂的工艺处理和微合金化可能改变和可以调控其中的强化析出相类型和性能。
在工业生产中，铝合金往往在最终时效处理前会经历一定程度的小变形（应变＜10%），如成型或矫直过程。已有研究证明，在β"相强化的Al-Mg-Si合金中引入小变形会造成时效过程中无序析出相在位错处形成，并降低合金的时效硬化潜力。然而，这些无序析出相的精确原子结构和形成机制及其与基体析出相之间的联系仍有待研究。
本文揭示了小变形预处理的Al-Mg-Si合金中位错诱导的析出相主要为短程有序而长程无序的纳米多晶相和多相复合相，并且发现它们的形成会造成在β"相强化的合金基体中β"相发生粗化，而在β'相强化的合金基体中β'相反转成β"相，从而导致前一类合金的时效硬化潜力降低，而后一类合金的时效硬化潜力升高。
研究采用两种代表性的Al-Mg-Si合金：A合金（Mg/Si=1）和B合金（Mg/Si=2），人工时效温度为250℃，热处理工艺包括直接人工时效（简称为AA处理）和5%小变形+人工时效（简称为PDA处理）。
图1 经AA处理（a）和PDA处理（b）的A合金整体的析出相微观组织。
图2 经AA处理(a，c)和PDA处理(b，d)的B合金整体的析出相微观组织和基体析出相。
图3 位错诱导形成的多晶U2相原子分辨率图像。
图4 位错诱导形成的B'/B'-2/U2复合相和B'-2相原子分辨率图像。
图5 位错诱导形成的β'/β'-2复合相和β'/U2复合相原子分辨率图像。
图6 小变形引入的位错和位错诱导的析出相三维示意图。
本文系统地研究了两种具有代表性的Al-Mg-Si合金中位错诱导析出相的原子结构及其对基体析出相和时效硬化的影响，丰富了对Al-Mg-Si合金时效析出的认识和理解，为实际生产中设计合金成分和通过预变形调控组织结构和性能提供了理论基础。
赖玉香，2009-2019年在湖南大学材料学院获学士和博士学位，师从陈江华教授从事铝合金的微结构表征和电子显微技术的学习和研究，发表论文10余篇，曾获国家励志奖学金和国家研究生奖学金。现为湖南大学材料学院助理教授、全国首批“黄大年式教师团队”成员。
陈江华，湖南大学材料学院教授，长江学者特聘教授，全国首批“黄大年式教师团队”负责人，全国优秀科技工作者，教育部科技委材料学部委员，亚太材料科学院院士。长期从事材料的微结构表征研究和先进电子显微学技术的理论和方法学研究。曾是世界上第一台球差矫正电镜样机的测试研究员，为推动该先进电镜的蓬勃发展作出过实质贡献并提出过宝贵建议。曾是欧洲波函数重构（电子全息）技术发展的参与者，回国后在湖南大学建立起有自己特色优势的软件矫正电镜技术平台并成功应用于铝合金微结构测量表征。在电子显微学理论和技术以及材料研究方面发表过150余篇论文和11项发明专利，其中以第一和通讯作者在Science发表过关于汽车车身用铝合金材料的论文。主持过国防基础研究、国家基金委重大科研仪器项目和重点项目、“973”计划课题、中车“高铁材料可靠性与国产化研究”等课题。
Y.X. Lai, W. Fan, M.J. Yin, C.L. Wu, J.H. Chen，J. Mater. Sci. Technol. 41 (2020) 127–138.
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