含银Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu合金的强化固溶行为

肖 静,崔学敏,彭小燕,段雨露

(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073; 2.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410083)

·材 料·

含银Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu合金的强化固溶行为

肖 静1,2,崔学敏2,彭小燕2,段雨露2

(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073; 2.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410083)

采用拉伸力学性能测试、金相显微观察、扫描电镜及透射电镜等分析手段,研究了Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金的强化固溶行为。结果表明:经强化固溶处理后,合金固溶态的抗拉强度和屈服强度以及伸长率分别较常规固溶的低15 MPa、16 MPa和1.7%;峰值时效态的抗拉强度和屈服强度较常规固溶的分别高62 MPa和68 MPa,伸长率低0.8%。;强化固溶可使Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金固溶后的第二相粒子减少,但使其时效后的强化相数量增多,密度增大。

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金;强化固溶;力学性能

Al-Zn-Mg-Cu合金具有质量轻,强度高的特点,是航空航天的主要结构材料,可减少航空航天器及地面运载工具质量,可显著提高运载能力和机动性,降低燃料消耗。随着航空航天技术的迅速发展,对Al-Zn-Mg-Cu系合金提出了更高的要求,对合金的强度要求越来越高并且希望在提高强度的同时保持较高的伸长率和抗应力腐蚀性能[1,2]。固溶热处理是该系合金加工过程中重要的热处理步骤,固溶处理中合金组织的变化,尤其是第二相的变化将对后续的变形和热处理过程产生显著的影响,从而影响产品的最终性能。传统的固溶温度低于非平衡低熔共晶点,粗大化合物相的溶解不彻底[3,4]。这类脆硬的粗大第二相尽管在后续的变形过程中会有所碎化,但总有一部分仍保留至最终组织中,从而降低合金的断裂韧度,减少粗大脆性相的有害影响是实际加工过程的一大难题。强化固溶是一种高温的固溶热处理,该处理可一定程度上减少粗大相的数量,目前针对强化固溶对铝合金组织和性能的影响已有一些报道[5～9]。本实验对 Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金热轧板进行常规固溶和强化固溶处理后再进行峰值时效处理,研究了不同固溶制度对合金组织和力学性能的影响,旨在为该合金的最佳热处理工艺提供参考。

1 实验材料及方法

实验合金化学成分(w/%)为Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金。采用工业纯铝,工业纯锌,工业纯镁,电解铜和纯银,在井式电阻炉中熔炼,铸锭经470℃×24 h均匀化退火后进行热轧,热轧温度为420℃,总变形量为85%,板材厚度为2 mm,对热轧态板材分别进行常规固溶和强化固溶处理,常规固溶:470℃保温1.5 h,水淬;强化固溶:470℃保温1.5 h后,再以10℃/h升温至490℃,水淬。淬火后立即进行T6人工时效,温度为120℃,时间为20 h。将时效后的合金分别进行拉伸力学性能测试。拉伸试验在CSS-44100电子拉伸机上进行;扫描电镜观察在 Sirion200电镜上进行;透射电镜分析在TecnaiG220型电镜下进行,其样品在MIT-Ⅱ型双喷电解仪上用30%HNO3+70%CH3OH(体积比)溶液双喷减薄,双喷温度为-25℃,电压为10～20 V,电流为80～100 mA。

2 实验结果与分析

2.1 合金拉伸力学性能

不同固溶制度的合金固溶态和时效态的拉伸力学性能见表1,由表1可以看出,合金经时效处理后强度较固溶态明显提高,伸长率显著降低,并且强化固溶处理的合金时效效应较常规固溶处理的合金更明显,常规固溶的合金时效后抗拉强度和屈服强度分别提高96 MPa和123 MPa,伸长率降低6.9%;强化固溶的合金时效后抗拉强度和屈服强度分别提高173 MPa和107 MPa,伸长率降低6.0%。强化固溶后合金固溶态抗拉强度和屈服强度较常规固溶后的合金分别低15 MPa和16 MPa,伸长率低1.7%,而经时效后强化固溶的合金较常规固溶的合金抗拉强度和屈服强度分别高62 MPa和68 MPa,伸长率低0.8%。可见,经强化固溶处理可使合金固溶态的强度和伸长率降低,但是可使合金时效后的强度显著升高,并且伸长率略有降低。

表1 合金的拉伸力学性能

2.2固溶态合金金相组织

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金经常规固溶和强化固溶后的金相显微组织如图1所示,合金经固溶处理后,晶粒呈现扁平状,在扁平的晶粒周围存在大量的在结晶小晶粒,经强化固溶处理后,在结晶晶粒的数量较常规固溶的合金多并且尺寸较大,说明在强化固溶过程中,较高的温度和较长的保温时间使得再结晶的数量增多,在完成再结晶后,细小的再结晶晶粒发生了晶粒长大。

图1 固溶态合金金相显微组织

2.3 固溶态合金SEM形貌

图2为两种固溶制度的合金固溶态的SEM第二相粒子分布形貌,由图2(a)可以看出,经常规固溶后,合金中依然分布着尺寸较大的未固溶的第二相粒子,并且呈现流线状分布。经强化固溶后,合金中未固溶的第二相粒子尺寸减小,数量减少(图2(b))。说明强化固溶可以使更多的第二相粒子发生固溶,因而其基体的过饱和固溶程度较常规固溶的合金增大。由图1和图2可以说明,合金经固溶处理后,形成过饱和固溶体,基体中没有强化相析出,因而合金的时效强化机制不能起到强化合金的作用,此时,合金的力学性能的高低由其晶粒大小程度决定,经强化固溶以后合金晶粒较常规固溶的合金大,根据常温下的Hall-Petch公式,在该合金的晶粒尺寸范围内,晶粒越小合金强度越高,塑性也越好,因而合金经常规固溶时合金固溶态的强度和伸长率均高于强化固溶态合金(见表1)。

图2 固溶态合金第二相形貌

2.4 时效态合金TEM形貌

经两种固溶制度处理的合金峰值时效后的TEM相貌如图3所示。峰值时效时合金中析出了大量细弥散的η′相,但是经强化固溶并时效处理后合金中的析出相数量较常规固溶的合金更多,密度更高(图3(b))。

图3 时效态合金析出相形貌

经两种固溶制度处理的合金峰值时效态的拉伸断口SEM形貌如图4所示,由图4可以看出,合金断口中存在韧窝和沿晶界断裂的特征,这说明断裂属于穿晶断裂与沿晶断裂的混合断裂。由图4(a)可以看出,经强化固溶的合金,时效后的拉伸断口中存在较多大小不一的韧窝,且大小韧窝相连,拉伸数据显示,合金的伸长率更高,韧性更好。而经强化固溶的合金时效后的拉伸断口中韧窝大小均匀,深度较浅,合金晶界断裂的程度增加,断裂更多地起源于晶界,呈现出部分解理断裂的特征。

图4 时效态合金拉伸断口SEM形貌

Al-Zn-Mg-Cu系合金主要通过时效析出而起到强化合金的效果,在此合金中加入微量的Ag会使合金的时效相应时间改变,而不影响合金的时效析出序列和强化相类型,当时效过程中分解产生的析出相,细小弥散分布时可以阻碍位错运动,提高合金的强度,强化固溶可以使合金元素尽可能多地固溶在基体中,减少未溶相的数目(图2),同时提高了合金的过饱和程度,使合金时效析出时的相变驱动力增大,析出相数量增加(图3),可以达到强化合金的目的。强化固溶对合金塑性的影响较为复杂,在常规固溶条件下未固溶的相在晶界处大量残留,会导致合金变形时晶界易于过早断裂,而晶内析出相数量较少,位错运动较容易,导致晶内具有较好的塑性,从而在拉伸断口上表现出韧窝较深的特征。强化固溶使这种晶界粗大相减少,基体过饱和程度增加,从而改变了合金的断裂行为,由于强化固溶后晶界析出相尺寸减小,呈连续状分布,晶内的析出相数量增多,裂纹容易在晶界处形成和扩展,因而强化固溶后沿晶断裂的程度增强,并且由于晶内析出相分布均匀、弥散,阻碍了位错运动,使得合金塑性降低,晶粒断面平整,呈现出部分解理断裂的特征[7,9]。

3 结 论

1.Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金经强化固溶处理后,固溶态的抗拉强度和屈服强度以及伸长率分别较常规固溶的低 15 MPa、16 MPa和1.7%。

2.Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金经强化固溶处理后,峰值时效态的抗拉强度和屈服强度较常规固溶的分别高62 MPa和68 MPa,伸长率低0.8%。

3.强化固溶可使 Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金固溶后的第二相粒子减少,但使其时效后的强化相数量增多,密度增大。

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Effect of Strengthening Solution on the Microstructure and Mechanical Properties of Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag Aluminum Alloy

XIAO Jing1,2,CUI Xue-min2,PENG Xiao-yan2,DUAN Yu-lu2
(1.College of Aerospace and Materials Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha410073,China;2.College of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)

The mechanical properties and microstructures after strengthening solution heat treatment of Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag aluminum alloy were investigated by means of tensile test,optical microscopy(OM),scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM).The results show that the tensile strength and yield strength and elongation of solution alloys after strengthening solution treatment were lower than conventional solution treatment of 15MPa,16MPa and 1.7%respectively;the tensile strength and yield strength of peak-aged alloys after strengthening solution treatment were higher than conventional solution treatment of 62 MPa,68 MPa,elongation lower of 0.8%;the second phase decreased after solution treatment but the number and density of strengthening phase after aging increase,when the alloy treatment by strengthening solution.

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag alloy;strengthening solution;mechanical properties

TG113.21

A

1003-5540(2011)05-0038-03

国家重点基础研究发展规划项目资助(G2005CB623705)

肖 静(1982-),女,工学硕士,从事高性能铝合金的研究。

2011-08-12