Cu含量對Al_Zn_Mg_Cu合金的組織性能和斷裂行為的影響

1、2006,Vol.34, 2輕 合 金 加 工 技 術LAFT 31Cu含量對Al Zn Mg Cu合金的組織性能和斷裂行為的影響樊喜剛,蔣大鳴,單長智,李念奎,孫兆霞11222(1.哈爾濱工業(yè)大學材料學院,黑龍江哈爾濱150001;2.東北輕合金有限責任公司,黑龍江哈爾濱150060)摘要:介紹了Cu含量對Al Zn Mg Cu合金組織性能和斷裂行為的影響。利用光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射等方法對合金的組織和斷口進行了分析。結果表明,Cu含量對合金中粗大金屬間化合物的類型和含量有較大的影響。含w(Cu)=2.3%的高Cu的Al Zn Mg Cu合金中粗大金屬間化合物較多,Al2CuMg較

2、多。過時效狀態(tài)下,高Cu的Al Zn Mg Cu合金斷口以粗大的Al2CuMg粒子開裂的韌窩為主;含w(Cu)=1.7%的低Cu合金斷口以晶粒內小的穿晶韌窩為主。高Cu的Al Zn Mg Cu合金中粗大的Al2CuMg粒子消耗了大量的Cu,降低了合金強化的潛力,在過時效狀態(tài)下促進合金開裂。關鍵詞:Al Zn Mg Cu合金;時效;性能;斷裂行為中圖分類號:TG146.21 文獻標識碼:A 文章編號:1007-7235(2006)02-0031-05EffectofcoppercontentonthepropertiesandfracturebehaviorinAl Zn Mg Cualloys

3、FANXi gang,JIANGDa ming,SHANChang zhi,LINian kui,SUNZhao xia2.NortheastLightAlloyCo.,Ltd.,Harbin150060,China)Abstract:TheeffectofcoppercontentonthemicrostructuresandpropertiesandfracturebehaviorofAl Zn Mg Cualloyswasinvestigated.Themicrostructureandfracturesurfacewerestudiedbyopticalmicroscopyandsca

4、nningelectronmicroscopy.Theresultsshowthatthecoppercon tenthasagreatinfluenceonthetypeandvolumefractionoftheintermetallicphase.ThealloywithhighercoppercontentcontainshighervolumefractionoftheintermetallicphaseAl2CuMg.Thefailuremodeofthetwoalloysisintragranularductilefracture.Inthealloywithhighercopp

5、ercontent,thedimplesaremainlyinitiatedfromthecoarseAl2CuMgphase.ThecoarseAl2CuMgphaselowersthehardeningcapabilityandpro motesthefailureofthealloywithhighercoppercontent.Keywords:Al Zn Mg Cualloy;ageing;property;fracturebehavior11222(1.MaterialsScienceandEngineeringDepartment,HarbinInstituteofTechnol

6、ogy,Harbin150001,China;超高強Al Zn Mg Cu鋁合金具有高的強度,廣泛應用于航空工業(yè)1。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展,對鋁合金的性能提出了更高的要求2。超高強鋁合金較低的抗應力腐蝕性和斷裂韌性使其應用的潛力受到限制。其中合金中富Fe和富Cu粗大的第二相是降低合金韌性的主要原因3 5。成分調整和時效工藝研究一直是改善鋁合金綜合性能的主要途徑6僅顯著地提高抗應力腐蝕性能,而且能改善組織,提高合金強度7 8。但Cu的加入也會增加粗大的S相的數量,導致合金韌性下降。對合金的性能有害的粗大(尺寸大于1 m)的富Cu和富Fe相的形成與合金成分、鑄造工藝、均勻化過程和擠壓(熱軋)過

7、程有關。研究了Al Zn Mg Cu合金中Cu含量對合金組織性能和斷裂行為的影響。Cu是Al Zn Mg合金最重要的添加元素,它不收稿日期:2005-10-25第一作者簡介:樊喜剛(1978-),男,黑龍江樺南人,博士。32 LAFT輕 合 金 加 工 技 術2006,Vol.34, 21 試驗材料和方法試驗中制備兩種成分的合金,化學成分見表1。 表1 各合金元素的質量分數%合金A1A2Zn6.316.32Mg2.332.40Cu1.72.32Zr0.120.12Fe0.090.10Si0.050.05Al余量余量2 試驗結果2.1 顯微組織460 均勻化24h后合金的顯微組織見圖1,對比圖1

8、a和圖1b可以明顯看出,A2合金中粗大相的含量比A1合金的多。A2合金的晶界上有剩余的粗大第二相,如圖1b箭頭所示。能譜分析結果顯示A1合金中多數粗大第二相富含Fe、Cu。A2合金中粗大第二相有兩種:一種富含Fe、Cu,另一種富含Cu、Mg。利用XRD分析技術對均勻化后的合金進行了分析,結果見圖2。從圖2中看到,A1和A2合金都含有MgZn2相,可知圖1c和1d中的片狀相為MgZn2相。另外,還從A2合金的XRD衍射譜中看到Al2CuMg的衍射峰,結合掃描電鏡觀察的結果可知,在A2合金中,晶界上粗大的富Cu、Mg的相為Al2CuMg相。而A1和A2合金中都含有的富Fe、Cu的相,在XRD衍射譜

9、中沒有觀察到相應的峰,但從能譜分析結果可以判斷該相為Al7Cu2Fe。合金A1和A2采用半連續(xù)鑄造技術,制備成直徑200mm的圓鑄錠。鑄錠在460 下均勻化24h。均勻化后的A1和A2鑄錠,車削表皮后在20MN擠壓機上擠壓成25mm!100mm的帶材,擠壓比為11.31。鑄錠加熱溫度為380 400 。擠壓后的帶材在470 固溶后,在120 時效24h,溫度升高到175 時效8h。利用光學顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X射線衍射(XRD)對合金的組織結構和斷口進行了分析。圖1 均勻化后合金的顯微組織照片(BSM)時效后,在光學顯微鏡下觀察組織變化不大。160 時效14h合金的

10、顯微組織如圖3所示,合金的晶粒拉長,在晶粒內部可以看到小尺寸的亞晶,亞晶的形狀為橢圓形,長軸方向與擠壓方向一致。在A2,在晶界上。從以上的結果可以看出,A1和A2合金的Cu含量不同,導致在均勻化后A2合金中含有更多剩余的粗大的Al2CuMg,固溶后二者粗大第二相的差別仍然Cu,2006,Vol.34, 2輕 合 金 加 工 技 術2.2 力學性能LAFT 33 部分以固溶方式存在基體里,另一部分以粗大的Al2CuMg相存在合金中,見圖3。A1合金在均勻化和擠壓態(tài)的強度略高于A2合金的。在透射電鏡下很難觀察到Cu含量不同的合金沉淀析出相的差別。但Cu的加入提高了合金中沉淀析出相的體積分數,同時共

11、格和非共格粒子的增加促進合金的均勻變形,使合金的強度隨合金中Cu含量的提高而升高,而合金的伸長率降低,見圖4。9圖2 均勻化后合金XRD衍射譜圖4 不同合金的性能2.3 斷口觀察圖3 時效后合金顯微組織的光學照片時效態(tài)合金的拉伸斷口見圖5。A1合金的宏觀斷口仍與拉伸軸呈45#,而A2合金的則出現了杯錐圖5 時效態(tài)合金拉伸斷口的掃描電鏡照片型斷口特征,為鋁合金的典型斷口10。微觀上,A1合金的斷口主要包括穿晶韌窩和沿晶開裂部分(見圖5a)。穿晶韌窩的部分比例較大。穿晶韌窩的尺寸在1 m7 m(見圖5c),這是由晶粒內部較大的34 LAFT輕 合 金 加 工 技 術2006,Vol.34, 2富F

12、e彌散相或破碎的Al7Cu2Fe粒子引起的。另外對圖5a中A處的沿晶斷裂表面進行放大,見圖5d。合金A1的沿晶斷裂為韌窩型沿晶斷口,在韌窩中可以看到橢球形的晶界析出相,尺寸為0.1 m0.4 m,這些晶界析出相促進了合金中的韌窩型沿晶斷裂。從圖5b中可以看到,A2合金斷口則以粗大韌窩為主,大韌窩之間有尺寸小一些的韌窩。粗大韌窩由合金中粗大的第二相引起。說明溶入基體的Cu形成的粗大第二相會影響合金的拉伸斷裂過程。在時效制度下,含粗大第二相較少的A1合金的斷口以小韌窩為主,而含粗大第二相較多的A2合金以粗大的韌窩為主,降低合金的塑性。合金的斷裂過程以韌窩的形成和合并為主。韌窩的合并包括韌窩中剪切片

13、的形成和韌窩之間的連接。所以各種尺寸的第二相決定合金的斷裂過程。開始階段,粗大的第二相處產生應力集中,達到臨界斷裂應力后,第二相開裂或沿第二相與基體界面開裂,形成孔洞11。在斷口表面可以看到兩種類型的韌窩,說明在斷裂過程中在彌散相處顯微裂紋的形成導致小尺寸韌窩的形成,促進先形成大尺寸韌窩的相互連接。從研究結果看,高Cu的A2合金的強度比低Cu的A1合金的強度高約20Nmm-2。應該指出,在A2合金中存在較多的Al2CuMg相,降低了A2合金強化的潛力。如果降低合金中粗大Al2CuMg相的含量,會使A2合金的強度有所提高。對于7055合金,陳康華等人利用階段固溶技術,在保證合金在固溶后沒有過燒的

14、前提下,大幅度降低合金中粗大第二相含量,改善了合金的性能11。所以,有必要對A2合金的均勻化和熱處理制度進行進一步的研究,改善合金的性能。3 分析與討論本試驗所制備合金的Fe和Si含量都很低,在合金組織中粗大的富Fe粒子較少,沒有發(fā)現含Si的粗大相。說明Fe和Si雜質含量的降低對于降低合金中粗大的第二相有很明顯的效果。但同時發(fā)現在含Cu量較高的A2合金中存在較多粗大的Al2CuMg相(見圖1b)。這對合金的性能會產生不利的影響,一方面降低了合金基體中Cu的含量,從而降低了合金過飽和固溶體的濃度,使合金沉淀析出強化的潛力沒有充分發(fā)揮;另一方面,生成的粗大第二相對合金的韌性和抗疲勞性能都會產生不利

15、的影響。所以有必要對合金的均勻化和固溶制度做進一步的研究,使更多粗大第二相回溶到基體里。經120 24h+175 8h的時效處理后,合金A1與合金A2的斷口出現明顯差別。含較少粗大第二相的A1合金的斷口中以穿晶韌窩的尺寸較小,另外在斷口中含有一部分的沿晶斷裂部分,沿晶界析出相開裂形成韌窩。而含較多粗大第二相的A2合金的斷口在宏觀上發(fā)生明顯的頸縮,斷口中以粗大第二相處形成的大韌窩為主?？梢钥闯?在該時效制度下,合金中粗大第二相在斷裂過程中起著主要的作用。4 結 論探討了具有不同Cu含量的兩種Al Zn Mg Cu合金在均勻化、擠壓、時效后的組織和性能的變化。特別考察了Cu含量對合金中粗大第二相的

16、影響,以及粗大第二相對合金性能和斷裂行為的影響。主要得出以下結論:(1)在均勻化后,兩種合金的基體內均勻析出板狀的MgZn2,晶界剩余粗大的Al7Cu2Fe和Al2CuMg粒子。w(Cu)=2.3%的A2合金比w(Cu)=1.7%的A1合金的粗大第二相多一些,多出的第二相為未回溶的Al2CuMg粒子。(2)時效態(tài)A1合金的斷口以穿晶韌窩為主,有一部分沿晶斷裂,斷口表面為沿晶界析出相開裂的淺韌窩。A2合金宏觀上為杯錐型斷口,斷口表面以粗大第二相處形成的大的韌窩為主。參考文獻:1 DeschampsA,BrechesY,LivetF.Influenceofcopperadditiononpreci

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