CN104537253B - 一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法 - Google Patents

Abstract

一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法，采用耦合了宏/纳观应力场的原子尺度的相场模型，模拟时效成形的预时效组织遗传性，针对不同的沉淀组织转变机制，分析预时效组织形成机制对预时效组织结构的影响规律，得到预时效组织形成机制、预时效组织向时效成形组织转变机制，对遗传效应的影响，以及时效成形组织弥散度、排列的响应关系；该方法包括两个步骤，分别是第一预时效组织控制、第二预时效组织对时效成形组织的遗传效应。本发明从根本上改变时效成形动态沉淀相早期形貌，进而优化时效成形终了组织，消除晶粒粗大和取向排列，获得具有细晶强化和弥散强化效果的弥散分布、交叉排列的组织形貌。

Description

一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法

技术领域

本发明涉及塑性成形领域的计算机模拟和组织优化，具体涉及一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法。

技术背景

时效成形的宏观弹性应力和纳观界面错配应力的叠加，使最低界面错配弹性应力方向呈定向排列，诱发2000系θ″、θ′、S″、S′相形核、生长、定向粗化，导致性能各向异性，降低沉淀相分散位错运动的作用，引起共面滑移，造成微观应力集中，降低强度、断裂韧性等。将静态预时效与时效成形相结合，预时效的θ″相交叉排列性遗传于时效成形过程，在消除θ″、θ′相定向排列具有较好效果。

宏-纳观应力耦合效应诱发或抑制动态沉淀，7000系铝合金时效成形发生宏-纳观应力耦合效应抑制动态沉淀形核，降低形核弥散度，高应力区η′、η相弥散度低，有损强度、塑性、耐蚀性等。7075、7050铝合金等采用多级时效工艺，可增大形核率，细化η′、η相，变窄晶间无沉淀带，断开沿晶η相等。将多级时效技术原理引入时效成形，在时效成形前采用预时效，首先形成弥散的η′相核心，表现出解决7000系铝合金时效成形η′、η相弥散度低的潜力。

时效成形动态沉淀组织形貌与预时效时期的组织密切相关。通过预时效控制沉淀早期组织，进而改变时效成形全过程的动态沉淀组织演化和最终组织，是解决沉淀相颗粒粗大，取向排列的很有前景的技术原理和工艺方法。目前，预时效实验证明在时效成形过程人工引入预时效，能通过影响沉淀相尺寸、密度、纵横比来提升构件性能[L. Zhan, J.Lin, T.A. Dean, M. Huang, Int. J. Mech. Sci. , 53 (2011) 595-605]。然而，实验方法无法捕捉预时效-时效成形的瞬时动态组织演化、对预时效-时效成形组织遗传的科学原理研究没有优势。

用微观相场法模拟预时效→时效成形的组织演变，从预时效组织稳定性、弥散度、排列及沉淀相转变机制方面解析早期无应力时效组织对后期应力时效组织的影响规律，明晰预时效工艺——预时效组织特征——时效成形过程的遗传效应——时效成形组织特征——力学性能——时效成形工艺性能的关联，提出优化预时效组织、时效成形组织的科学原则。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法，该方法采用含宏观弹性应力、纳观界面错配应力的微观相场方程，定量计算原子在晶格的跃迁，模拟预时效至时效成形全过程的微观结构演化，以预时效控制时效成形初始组织，从根本上改变时效成形动态沉淀相早期形貌，进而优化时效成形终了组织，消除晶粒粗大和取向排列，获得具有细晶强化和弥散强化效果的弥散分布、交叉排列的组织形貌。

本发明的技术解决方案是：

一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特殊之处在于：该方法采用耦合了宏/纳观应力场的原子尺度的相场模型，模拟时效成形的预时效组织遗传性，针对不同的沉淀组织转变机制，分析预时效组织形成机制对预时效组织结构的影响规律，得到预时效组织形成机制、预时效组织向时效成形组织转变机制，对遗传效应的影响，以及时效成形组织弥散度、排列的响应关系；该方法包括两个步骤，分别是第一预时效组织控制、第二预时效组织对时效成形组织的遗传效应。

上述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特殊之处在于，该方法具体包括以下三个方面进行：

(1)获得具有强遗传效应的稳定预时效组织的条件和机制，得出预时效工艺对预时效组织稳定性的影响，及其在随后时效成形过程的遗传效应；

(2)获得交叉排列预时效组织的条件和机制，得出预时效工艺参数对预时效组织排列的影响，及其在随后时效成形过程的遗传效应；

(3)获得预时效组织转变机制与遗传效应的本质关系，得出预时效组织形成机制、预时效组织向时效成形组织转变机制对遗传效应的影响。

上述预时效组织控制是指：针对低、中、高三种预时效组织稳定性情况，围绕获得高稳定性预时效组织的条件和机制，分析预时效工艺对预时效组织稳定性的影响，预时效组织回溶的临界条件，对时效成形过程组织演化的影响。

上述预时效组织对时效成形组织的遗传效应是指：针对不同纳观错配应力的合金，围绕获得交叉排列预时效组织的条件和机制，探讨决定预时效组织排列的要素，分析预时效组织排列在时效成形过程的遗传效应。

上述预时效组织形成机制包括形核长大机制、失稳分解机制、形核长大与失稳分解混合机制；所述形核长大机制的组织弥散度高、稳定性好，对应强遗传效应；所述失稳分解机制的组织，弥散度低、稳定性差，对应弱遗传效应；在过渡区的情况居中；预时效沉淀相结构与时效成形沉淀相结构之间的差异越小，遗传效应越强。

上述预时效组织稳定性低、中、高，对应的对时效组织的遗传效应为无遗传效应、负面遗传效应、强遗传效应。

上述组织取向排列与纳观界面错配应力有关；纳观界面错配应力高，在时效成形早期形成时效成形组织定向排列，采用预时效可以有效预防之；当纳观界面错配应力低时，在时效成形后期形成时效成形组织定向排列，预时效不能克服之；纳观界面错配应力居中时，时效成形早期和后期共同决定时效成形组织定向排列，预时效可以在一定程度减弱时效成形组织定向排列。

上述耦合了宏/纳观应力场的原子尺度的相场模型是原子尺度时间相关的沉淀相形核、长大或回溶、粗化过程。

首先，从热力学角度分析，预时效组织稳定性低、中、高，对应的对时效组织的遗传效应为无遗传效应、负面遗传效应、强遗传效应。对于低稳定的预时效沉淀相，2000系合金低温预时效时的原子簇聚形成的G.P区，在时效成形过程完全回溶，无沉淀相析出，时效强化效果不足。对于稳定性居中的预时效沉淀相，时效成形初期部分或绝大部分回溶，剩余少量作为时效成形组织的核心，严重降低时效成形动态沉淀的形核率，呈现沉淀相粗大、弥散度低的情况，有损于塑性、强度、韧性、疲劳等性能，是需要避免的负面遗传效应。7000系铝合金室温时效、低温短时时效的G.P区，呈现负面遗传效应。对于稳定性高的预时效沉淀相，时效成形过程不回溶，成为稳定的核心，预时效组织的分布、弥散度对时效成形的微观结构演化有决定性的影响，表现强遗传效应。合理的预时效工艺，2000系铝合金弥散的θ″、S″相，7000系铝合金弥散的η′相，是时效成形组织演化的稳定核心。

其次，从组织学角度，组织取向排列与纳观界面错配应力有关。纳观界面错配应力高，在时效成形早期形成时效成形组织定向排列，采用预时效可以有效预防之；当纳观界面错配应力低时，在时效成形后期形成时效成形组织定向排列，预时效不能克服之；纳观界面错配应力居中时，时效成形早期和后期共同决定时效成形组织定向排列，预时效可以在一定程度减弱时效成形组织定向排列。如Al-Cu合金、Al-Cu-Mg-Ag等高界面错配应力合金，时效成形呈现强的宏-纳观应力耦合效应，诱发θ″、θ′相定向排列，通过合理的预时效可以获得细小、弥散、交叉排列的θ″相，在时效成形过程又有强的遗传效应，从而消除了θ″、θ′相定向排列。低界面错配应力合金，如，7075铝合金、7050铝合金，时效成形时宏-纳观应力耦合效应较弱，不足以诱发η′、η相定向排列，主要问题是沉淀相弥散度低。

最后，从动力学角度，预时效沉淀组织转变机制、时效成形沉淀组织转变机制均影响时效成形组织。预时效组织形成机制包括形核长大机制、失稳分解机制、形核长大与失稳分解混合机制。形核长大机制的组织弥散度高、稳定性好，对应强遗传效应；失稳分解机制的组织，弥散度低、稳定性差，对应弱遗传效应；在过渡区的情况居中。预时效沉淀相结构与时效成形沉淀相结构之间的差异越小，遗传效应越强。2000系、7000系铝合金，当预时效组织为不稳定的G.P区，时效成形分别在θ″、θ′、S″、S′、η′、η相的形成温度，对应弱遗传效应，或者不表现出遗传效应。

本发明的有益效果在于：

本发明针对时效成形沉淀相颗粒粗大、取向排列的问题，提出以预时效控制时效成形初始组织，利用初始组织的遗传性来控制时效成形终了组织的模拟分析方法。通过组织稳定性、组织的应力取向效应、和沉淀组织转变机制三方面的分析，建立预时效工艺——预时效组织特征——时效成形过程的遗传效应——时效成形组织特征——力学性能——时效成形工艺性能的关联，得出获得弥散分布、交叉排列组织的预时效条件。

附图说明

图1是该发明的技术路线示意图；

图2是该发明实施例中的预时效组织稳定性对时效成形组织的影响的形貌图；

图3是该发明实施例中预时效组织弥散度对时效成形组织的影响的形貌图；

图4是该发明实施例中预时效组织的排列对时效成形组织的影响的形貌图；

图5是该发明实施例中预时效组织转变机制基对应的时效成形组织转变机制。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

图1是本发明的技术路线图。该发明利用耦合了宏观时效成形应力、纳观界面错配应力的微观相场方法，依照“以预时效控制初始组织，进而优化时效成形全过程的组织演化和最终组织”的思路，通过预时效达到消除定向排列和粗化，获得弥散分布、交叉排列时效成形组织的目的。通过两个步骤从三个方面可实现上述目的，首先，通过控制预时效工艺参数控制预时效组织的稳定性、弥散度、排列和沉淀相沉淀机制。其次，研究预时效组织的稳定性、弥散度、排列和沉淀相沉淀机制对时效成形稳定组织的稳定性、弥散度、排列和沉淀相沉淀机制的影响规律，进而反推获得弥散分布、交叉排列的预时效工艺参数。

图2是两组稳定性及其组织遗传的对照图。两组图的合金成分完全一致，预沉淀相工艺不同。第一行预时效温度低，沉淀相组织稳定性高；第二行预时效温度高，沉淀相组织稳定性低。从第一行的形貌演化图可以看出，预时效阶段沉淀相弥散析出，在时效成形阶段沿预时效沉淀相边界处有另一种沉淀相析出，并且两种沉淀相均随着时效成型的时间的延长而粗化，至时效成形结束，沉淀相粗化程度不明显，沉淀相取向也无明显的方向性，沉淀相依然弥散分布，稳定的预时效沉淀相在时效成形过程具有强遗传性。对比第一行的预时效弥散分布在时效成形过程的遗传性，第二行代表了一组在当前时效形成温度下不稳定的沉淀相，预时效的沉淀相颗粒大小对比第一组明显较大，在时效成形阶段第二相沿预沉淀相边界析出，二者随时效成形时间的延长而粗化，至时效成形结束，沉淀相颗粒粗化严重、取向排列非常明显。两幅图对比说明稳定性高组织在后续时效成形过程的粗化和取向排列均较小。

图3是两组弥散度及其组织遗传性的对照图。第一行是一组低弥散度高稳定性的形貌演化图，预时效阶段形成少量几个沉淀相颗粒，时效成形阶段，以预时效沉淀相为核心长大粗化，并伴随有第二相颗粒沿相界析出，时效成形终了阶段沉淀相颗粒粗化严重。第二行是一组高弥散度高稳定性形貌演化图，预时效阶段形成的弥散颗粒在时效成形阶段伴随有第二相沿相界析出，两相竞争长大粗化，时效成形终了，沉淀相粗化不明显，颗粒相依然弥散分布。两组图对比说明，弥散度遗传效应明显。

图4是一组排列遗传效应的图，该例中，预时效阶段形成大量的沿[001]方向排列的沉淀相，相与相之间分布有沿[001]方向延伸的晶间无沉淀带，时效成形过程在先析相相界处第二相弥散析出，随时效时间的延长，第二相颗粒在取向生长的先析相夹缝中生长，最终形成和先析相一样沿[001]方向粗化的形貌。

图5是预时效、时效成形沉淀相的沉淀机制。预时效阶段，无序固溶体有序化析出沉淀相，依据合金成分不同，沉淀相机制有等成分有序化和等成分有序化/失稳分解混合机制两种沉淀机制。时效成形阶段，预时效先析相长大粗化，第二相则沿先析相相界析出。预时效以等成分有序化机制析出的，时效成形阶段，第二相则以失稳分解或者非经典异相形核方式析出；预时效以混合机制析出的，在时效成形阶段依旧以混合机制析出。等成分有序化机制沉淀相有序度接近平衡相，但是成分接近初始组分的有序化过程，沉淀相析出数目少，颗粒大，弥散度低。异相形核机制是第二相在先析相的反相畴界处形核长大的机制，该机制在预时效后期或时效成形阶段较为常见，在图2、图3、图4的示例中异相形核机制均起作用，该方式沉淀相形貌受预时效先析相形貌影响大。非经典形核机制特点是沉淀相核心成分值较低，成分分布在相界面有一定的延展尺度，无明显界面。失稳分解的特点是无须形核，共格的成分涨落自发形成，随时效进行，调幅波发展成均匀细小的两相混合组织，弥散度高。等成分有序化/失稳分解混合机制的形貌介于等成分有序化和失稳分解之间，但沉淀相稳定性受温度、合金成分影响而不同。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于：该方法采用耦合了宏/纳观应力场的原子尺度的相场模型，模拟时效成形的预时效组织遗传性，针对不同的沉淀组织转变机制，分析预时效组织形成机制对预时效组织结构的影响规律，得到预时效组织形成机制、预时效组织向时效成形组织转变机制，对遗传效应的影响，以及时效成形组织弥散度、排列的响应关系；该方法包括两个步骤，分别是第一预时效组织控制、第二预时效组织对时效成形组织的遗传效应；

所述预时效组织控制是指：针对低、中、高三种预时效组织稳定性情况，围绕获得高稳定性预时效组织的条件和机制，分析预时效工艺对预时效组织稳定性的影响，预时效组织回溶的临界条件，对时效成形过程组织演化的影响；

所述预时效组织对时效成形组织的遗传效应是指：针对不同纳观错配应力的合金，围绕获得交叉排列预时效组织的条件和机制，探讨决定预时效组织排列的要素，分析预时效组织排列在时效成形过程的遗传效应。

2.根据权利要求1所述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于，该方法具体包括以下三个方面进行：

(1)获得具有强遗传效应的稳定预时效组织的条件和机制，得出预时效工艺对预时效组织稳定性的影响，及其在随后时效成形过程的遗传效应；

(2)获得交叉排列预时效组织的条件和机制，得出预时效工艺参数对预时效组织排列的影响，及其在随后时效成形过程的遗传效应；

(3)获得预时效组织转变机制与遗传效应的本质关系，得出预时效组织形成机制、预时效组织向时效成形组织转变机制对遗传效应的影响。

3.根据权利要求1或2所述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于：所述预时效组织形成机制包括形核长大机制、失稳分解机制、形核长大与失稳分解混合机制；所述形核长大机制的组织弥散度高、稳定性好，对应强遗传效应；所述失稳分解机制的组织，弥散度低、稳定性差，对应弱遗传效应；在过渡区的情况居中；预时效沉淀相结构与时效成形沉淀相结构之间的差异越小，遗传效应越强。

4.根据权利要求3所述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于：所述预时效组织稳定性低、中、高，对应的对时效组织的遗传效应为无遗传效应、负面遗传效应、强遗传效应。

5.根据权利要求4所述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于：所述组织取向排列与纳观界面错配应力有关；纳观界面错配应力高，在时效成形早期形成时效成形组织定向排列，采用预时效可以有效预防之；当纳观界面错配应力低时，在时效成形后期形成时效成形组织定向排列，预时效不能克服之；纳观界面错配应力居中时，时效成形早期和后期共同决定时效成形组织定向排列，预时效可以在一定程度减弱时效成形组织定向排列。

6.根据权利要求5所述时效成形预时效过程的微观相场分析方法，其特征在于：所述耦合了宏/纳观应力场的原子尺度的相场模型是原子尺度时间相关的沉淀相形核、长大、回溶或粗化过程。