Al-Mg-Si-Yb合金的微观结构、位错行为及沉淀演变：实验与第一性原理分析

《Computational and Theoretical Chemistry》：Microstructure, dislocation behavior and precipitation evolution in Al-Mg-Si-Yb alloys: experiments and first-principles insights

Al-Mg-Si合金中添加0.31 wt% Yb通过异质形核细化晶粒和析出相，协同固溶强化与析出强化显著提升强度达12.7%，促进Al3Yb相与β'相协同作用，EBSD和第一性原理计算表明Yb增强位错钉扎并抑制空位迁移，优化热处理动力学，为轻量化高强铝合金设计提供理论支撑。

　　

叶俊峰|赵宏进|张冰|梁晓霞

江西科技大学材料科学与工程学院，中国赣州34100

摘要

为了研究镱（Yb）对Al-Mg-Si合金微观结构、位错行为和沉淀强化机制的影响，制备了Al-Mg-Si-Yb合金，并对其进行了热挤压、固溶处理和时效处理。通过拉伸试验、多种微观结构表征技术和第一性原理计算研究了它们的力学性能和微观结构特征。结果表明，添加0.31 wt%的Yb可使合金的抗拉强度提高12.7%，同时韧性略有下降，时效峰值时间提前2小时。Yb作为异质形核位点，细化并均匀化了强化沉淀物的分布，促进了Al?Yb沉淀物的形成以及AlFeSiYb金属间化合物的球化。EBSD分析显示，Yb细化了晶粒，并降低了合金在时效峰值时的KAM值，这归因于含Yb沉淀物对位错的钉扎作用，促进了位错的重排和湮灭，从而减轻了晶格畸变。TEM/HRTEM观察证实了Al?Yb相与β’相之间的协同强化效应。第一性原理计算表明，α-Al/Al?Yb界面的空位迁移活化能和势垒较高，显著提高了位错运动的能量障碍，增强了沉淀强化效应。本研究验证了Yb通过晶粒细化、固溶强化和沉淀强化的协同作用，优化了Al-Mg-Si合金的综合力学性能，并阐明了含Yb沉淀物、位错和空位之间的原子尺度相互作用机制，为高性能含稀土Al-Mg-Si合金的开发提供了理论基础。

引言

Al-Mg-Si系列铝合金作为一种典型的可热处理强化轻合金，由于其低密度、高比强度、良好的成形性和耐腐蚀性，在汽车、航空航天和建筑领域得到广泛应用，尤其是在强调节能和减排的汽车轻量化领域[1]、[2]、[3]。然而，传统的Al-Mg-Si合金存在时效峰值强度低和时效硬化响应慢的问题，这限制了它们在高性能结构部件中的应用。通过稀土元素微合金化可以有效优化铝合金的微观结构并改善其力学性能，因为稀土元素具有较大的原子半径、高化学活性和独特的电子结构，可以在铝合金中发挥晶粒细化、固溶强化和沉淀强化的作用。

稀土微合金化已被证明是改善合金结构材料综合性能的有效方法，特别是对于金属材料。Pogatscher等人[4]在Al-Mg-Si合金中添加了少量Sn，发现Sn可以延缓自然时效硬化并显著加速人工时效的硬化速率，从而促进自然时效后的烘烤硬化效应。Zhang等人和Sun等人[6]发现，在纯铝体系中添加Sc和Zr后，基体中会形成Al?(Sc, Zr)强化相颗粒，且热稳定性更佳。Zhang等人[7]通过测量电阻率评估了Sc、Er和Yb在铝基体中的固溶度，结果表明在相同温度条件下，Yb在铝基体中的临界形核尺寸和临界形核功较小，形核速率较高，更容易获得细分散的强化相。稀土在铝合金中具有多种积极作用，主要包括[8]、[9]：净化、改性和细化以及微合金化。当稀土元素含量较低（<0.2%）时，稀土元素以溶质原子的形式掺入铝基体，发挥固溶强化作用；当稀土元素含量较高时，会形成L1?结构的Al?X相，发挥沉淀强化作用，并与其他相相互作用产生更复杂的效果[10]。因此，了解稀土元素在材料中的演变和机制有助于设计和调控Al-Mg-Si合金的纳米特性。

近年来，作为重稀土元素的镱（Yb）在Al-Mg-Si合金的改性研究中受到了越来越多的关注。Yb可以与Al形成稳定的金属间化合物，其添加有望引入新的强化相，调节传统强化相的沉淀顺序，从而提高合金的强度。然而，Yb在Al-Mg-Si合金中的具体作用机制，特别是含Yb沉淀物与位错之间的相互作用、含Yb沉淀物与基体界面处空位的偏聚和迁移行为，以及含Yb沉淀物与传统Mg-Si基强化相之间的协同强化机制，尚未完全明确。此外，还需要结合实验和理论计算进一步研究Yb添加对Al-Mg-Si合金时效硬化动力学和时效过程中微观结构演变规律的影响。

本研究的技术路线是从宏观力学性能到微观结构，再到原子尺度界面行为，全面分析Yb微合金化在Al-Mg-Si合金中的强化机制，并为含稀土元素的高强度Al-Mg-Si铝合金的设计和开发提供实验数据和理论支持。同时，研究结果有望为稀土改性铝合金在汽车轻量化等领域的工业应用提供参考。本研究的技术路线如图1所示。

合金制备

本研究使用的合金化学组分为（wt%）：0.84% Mg、0.6% Si、0.23% Fe、0.23% Cu、0.16% Cr、0.11% Mn和0.31% Yb。

该合金使用MTS SYSTEMS-YAW4304四柱液压机热挤压成尺寸为15 mm × 47 mm、壁厚为2 mm的空心矩形型材。随后，将挤压型材在540°C下进行60分钟的固溶处理，然后水淬至室温

拉伸试验

合金的应力-应变曲线如图3(a)所示。经过时效处理后，Al-Mg-Si-Yb合金和Al-Mg-Si合金的极限抗拉强度分别为319 MPa和283 MPa，相应的伸长率分别为13.8%和14.3%。Yb的添加使抗拉强度提高了12.7%，而韧性仅有轻微下降。这主要归因于Yb作为微合金元素在凝固和时效过程中的异质形核作用

结论

• (1)
  作为微合金元素，Yb在凝固和时效过程中作为异质形核位点，增加了GP区、β″和β'沉淀物的数量密度并细化了其尺寸。同时，Yb加速了Mg和Si原子的扩散以及沉淀物的形核和生长，从而促进了时效硬化响应，并使时效峰值时间提前2小时。
• (2)
  热加工过程中的动态恢复作用与时效过程中含Yb沉淀物的共同效应

展望

本研究系统研究了稀土元素Yb在Al-Mg-Si合金中的改性效果。具体而言，Yb的添加可以显著细化合金晶粒，优化杂质相的分布和形态，推迟合金的时效峰值时间，并诱导细小且分散的Al?Yb强化相的沉淀，从而有效提高材料的力学强度。

迄今为止，已有大量研究关注其他

CRediT作者贡献声明

叶俊峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，资源管理，数据整理，概念构思。赵宏进：数据可视化，方法学研究，资金获取，正式分析。张冰：研究工作，正式分析，概念构思。梁晓霞：研究工作，正式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了广东省肇庆市创新与创业团队及领军人才的支持（项目编号：2022RD09，主题为“绿色铝型材在汽车轻量化中的关键技术研究与产业化应用”）。

本研究得到了企业委托项目（合同编号：2023360702016413）的资助。

本研究还得到了国家自然科学基金（项目编号：51961013）的资助。