利用电子背散射衍射技术(EBSD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨电镜(HRTEM)、差示扫描热分析(DSC)等手段,研究了Al-Si合金共晶生长及沉淀强化行为。详细探讨了变质前后Al-Si共晶结构以及Si相的形核、生长机制；继而以Al-Si-Cu-Mg合金为对象,研究了热处理工艺参数、微量合金化元素对合金力学性能和断裂行为影响,重点分析了等温沉淀动力学过程、沉淀组织特征及合金强化机理。 EBSD Mapping可在较大范围内显示共晶(团)晶粒中Al、Si两相的结晶位向。在Sr变质的合金中,综合考察了光学微观组织以及EBSD Mapping的结果表明：共晶(团)晶粒都是由许多不同位向的小“区域”构成,其中的共晶α与Si相有着紧密的耦合生长关系,而在未变质的Al-Si合金中,共晶两相的耦合生长关系不如变质的合金紧密。共晶α相以重复形核的方式来满足两相之间的耦合生长要求。基于位向的测量和微观组织分析,无论变质与否,在同一个共晶(团)晶粒中,Al或Si相都不是单晶体。 Zr作为晶粒细化剂元素,加入到Sr变质的Al-Si合金中,在共晶Si变质的同时,枝晶α-Al相和共晶(团)晶粒都显著细化。这结果表明,枝晶α-Al相的细化对共晶晶核的数量和分布有较大的影响。 研究发现,在未变质的Al-Si合金中,板片状共晶Si表(侧)面及生长末端存在着亚宏观尺度的台阶,它们是由单原子高度生长台阶聚并而形成的。单原子尺度生长台阶(源)的形成是由一个全位错分解为两个不全位错(中间夹着一片层错),在生长界面上出现了位错的露头而形成的,TEM的观察证实了这一结论。从目前的观察和分析来看,由晶体缺陷所诱发的台阶(源)是片状共晶Si生长的主要机制。 对片状共晶Si的生长末端(各种不同形态)进行了SAD(选区衍射花样)分析,并没有获得代表孪晶特征的双斑点花样。但是,SEM和TEM分别观察到孪晶迹和孪晶面凹角,且平行于板片表面并一直延伸到共晶Si生长的末端,这表明不能完全排除孪晶面凹角对共晶Si生长的贡献,但要一直维持这种生长关系(TPRE)较为困难。本文提出的“伪凹角”(pseudo re-entrant corner)概念,可较好地说明未变质共晶Si孪晶几率较少的原因；同时也解释了小角度分枝机制。 共晶Si变质不仅改变了外在的形貌,同时也改变了内在晶体缺陷的性质、大小以及分布。在共晶Si的主干上一般包含两套薄的孪晶(或称微孪晶),而中心脊处没有明显的缺陷；对于单个分枝一般为一套很薄的孪晶(或以一套为主)或高密度的层错,沿着分枝的生长方向并一直到生长界面的最前端,SAD中显示为细长的衍射条纹(longdiffraction streak),且垂直分枝的生长方向。高度发达的Si枝晶生长方向较为灵活,尤其在凝固驱动力较低时,并没有恒定的、合理的生长轴可确定,这与EBSD Mapping的结果是一致的。就其本质来看,主要是由于变质元素(Sr)及凝固条件显著地改变固一液生长界面的微观结构。 Mg对未变质的共晶Si有一定细化作用。然而,在较低冷却速率下,Mg加入到Sr变质的Al-Si合金中,显著地影响了共晶Si的变质效果。其原因是由于Sr和Mg之间的交互作用,形成复杂的金属间化合物,结果导致熔体中有效Sr量的减少。 DSC的结果证实,在500℃固溶处理条件下,Al-Si-Cu-Mg合金中的富Cu相溶解速度较慢；而四元共晶相,即使在500℃保温12h也不能完全溶解。为了提高富Cu相的溶解速度,推荐两步固溶处理制度。其工艺过程为：第一步在500℃保温4h,随后升温至515℃保温8-12h。 Al-Si-Cu-Mg合金断口的SEM观察表明,微裂纹起始于组织中的Si相、富Cu相、富Fe相以及缺陷处,其中Si相是主要的裂纹源。断口处Si相基本处于开裂状态,而断口附近(及远离)断口处的Si相部分开裂。值得指出的是几乎没有发现Si相与Al基体脱粘的情况,这可能是由于Si相与Al基体的附着力大于Si相原子之间的结合力。裂纹的扩展一般在共晶区或沿枝晶与共晶区的边界；次生裂纹以类似的方式扩展,但一般中止于枝晶α-Al相。由此可知,合金组织中Si的形貌、大小及分布对自身的开裂及裂纹的扩展有着较大影响。 Al-Si-Cu-Mg合金沉淀硬化行为主要与沉淀相的析出序列及沉淀相特征有关。峰值时效时,组织中的沉淀强化相主要由θ、θ"及Q三相构成。通过对共晶区、近共晶区及远离共晶区的组织观察发现,θ相的大小及分布极不均匀。这主要是由于Si相的存在,使得合金在淬火时组织中位错的密度及分布发生变化。一般认为,θ相可在位错线上择优(或直接)析出,TEM观察提供了最直接的证据。应该提及的是在峰值时效组织中,即使在高分辨率电镜(HRTEM)下,θ"相的形貌观察也较为困难。但是在选区衍射花样中,可依据连续或断续的沿<100>Al方向上细长的衍射条纹来确证θ"相的存在。 研究表明,微量的Zr对Al-Si-Cu-Mg合金沉淀序列没有任何影响,但影响了合金中诸相等温沉淀的动力学过程。综合DSC分析及TEM观察,主要表现为两方面：一是推迟了G.P1区的形成(或G.P1区的数量减少),这可能与溶质原子Cu的数量以及空位浓度有关；二是促进了θ相的形核率,同时抑制了θ相向平衡相θ的转变。TEM观察及相应的选区衍射花样或EDAX分析均表明,在合金(铸态和时效态)组织中,存在细小富Zr的析出相,强烈地“钉扎”住位错或亚晶界。这也暗示着富Zr的析出相抑制了时效过程中位错的可动性,使位错线成为θ相更稳定的形核衬底。因此,合金中微量的Zr,除晶粒细化作用外,可改善θ相的分布与大小,进一步提高合金的力学性能。