熱處理工藝對超高強鋁合金組織與性能的影響 - 圖文-

1、熱處理工藝對超高強鋁合金組織與性能的影響曾渝1,尹志民1,朱遠志1,潘青林1,崔建忠2(1.中南大學材料科學與工程學院,湖南長沙410083;2.東北大學冶金與材料學院,遼寧沈陽110015摘要:通過硬度、拉伸性能測試,金相、掃描電鏡、透射電鏡觀察,X射線衍射分析,研究了熱處理工藝對新型電磁鑄造合金(Al2 9.0Zn22.52.8Mg22.02.4Cu20.10.15Z r20.224Ag顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明:合金的峰時效制度為120/24h。在峰時效條件下,合金的抗拉強度達到730MPa,屈服強度達到705MPa,延伸率為8.8%。合金有顯著的時效硬化特性,其強化機制主要是沉淀強

2、化,合金的主要強化相為G P區(qū)和過渡相。合金的斷裂形式為微孔聚集型韌性斷裂。關(guān)鍵詞:超高強鋁合金;熱處理;顯微組織;力學性能中圖分類號:TG146.2文獻標識碼:A文章編號:0253-6099(200403-0067-03The E ffect of H eat T reatment on Microstructure and MechanicalProperties of U ltra H igh Strength Aluminum AlloyZE NG Y u1,YI N Zhi2min1,ZH U Y uan2zhi1,PAN Qing2lin1,C UI Jian2zhong2(1.C

3、ollege o f Materials Science and Engineering,Central South Univer sity,Changsha410083,Hunan,China;2.College o f Metallurgy and Material,Northeastern Univer sity,Shenyang110015,Liaoning,ChinaAbstract:An Al29.0Zn22.52.8Mg22.02.4Cu20.10.15Zr20.20.25Ag Ultra high strength aluminum alloy was pre2 pared b

4、y low frequency electric2magnetic casting process,The microstructure and mechanical properties of the alloy under dif2 ferent treatment conditions was investigated by tensile properties and hardness test,SE M,TE M observations and XRD analy2 sis.The results show that the peak aging occurred at120for

5、24h.Under the peak2ageing condition,the tensile strength, yield strength and elongation of the studied alloy was730MPa,705MPa and8.8%,respectively.The main strengthening mechanism of the alloy was precipitation hardening and the strengthening phase was G P zone and(MgZn2.K ey w ords:ultra high stren

6、gth aluminum alloy;heat treatment;microstructure;tensile properties7XXX系鋁合金具有高強度、低密度、熱加工性能好等優(yōu)點,是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料。現(xiàn)代航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展,要求高強鋁合金具有更高的強度、斷裂韌性及抗應力腐蝕性能1。近年來,材料工作者通過優(yōu)化合金的成分設(shè)計,采用新型的制坯方法23、成形加工及熱處理工藝46,研制開發(fā)出多種使用性能更好的超高強鋁合金,這些材料既具有600 MPa以上的抗拉強度,又能保持較高的韌性和耐腐蝕性,且成本較低,成為目前軍用和民用飛機等交通運輸工具中重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,超高強鋁合金正成

7、為世界各國結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點。本文采用硬度、拉伸性能測試,金相、掃描電鏡觀察,X射線衍射分析等方法,研究了熱處理工藝對一種低頻電磁鑄造高合金化超高強鋁合金微觀組織與性能的影響,以期為國內(nèi)超高強鋁合金的研究提供參考。1材料及實驗方法研究用合金鑄錠采用低頻電磁半連續(xù)鑄造法制備,合金成分(質(zhì)量分數(shù)為Al29.0Zn22.52.8Mg22.0 2.4Cu20.10.15Zr20.2Ag。鑄錠經(jīng)兩級均勻化處理后在800t臥式擠壓機上熱擠壓成直徑為12mm的棒材。擠壓棒材經(jīng)固溶處理,室溫水淬后在120進行單級時效,時效時間為080h。拉伸力學性能實驗在CSS-44100型萬能電子拉伸機上進行,拉伸速度為2

8、mm/min。在PO LY VAR-MET金相顯微鏡上進行了金相組織觀察。透射電鏡觀察在H-800型透鏡上進行。電鏡薄膜樣品采用雙噴電解減薄,電解液為30%硝酸+70%甲醇溶液,雙噴電壓為1215V,電流7090mA,溫度控制在-20以下。在AM ARY KYKY-2800掃描電鏡上進行了第24卷第3期2004年06月礦冶工程MINING AN D META LLURGICA L ENGINEERINGV ol.243June2004收稿日期:2003209226基金項目:國家“863”高技術(shù)研究項目(2001AA332030作者簡介:曾渝(1971-,男,湖南新化人,博士研究生,研究方向為高

9、性能鋁合金。斷口觀察與分析。X 射線衍射物相分析在BD 286X 射線衍射儀上進行。2實驗結(jié)果與討論2.1合金鑄態(tài)和均勻化處理態(tài)的顯微組織圖1(a 為合金鑄態(tài)組織,主要由樹枝狀鋁基固溶體和枝晶間的非平衡共晶組織組成,晶粒尺寸為3060m 。能譜分析結(jié)果表明,共晶相為a +T (AlZn 2MgCu 。圖1(b ,圖1(c 是合金經(jīng)二級均勻化處理后的顯微組織分析結(jié)果。由圖1(a 可看出,經(jīng)過二級均勻化處理后,枝晶偏析基本消除,晶界的低熔點共晶組織大部分溶解。由于冷卻方式為爐冷,冷速較慢,高溫均勻化處理過程中溶入Al 基體中的溶質(zhì)重新析出,形成了大量的針狀、片狀金屬間化合物(圖1(b 。能譜分析結(jié)

10、果(見圖1(c 表明,這些析出物大多為富Cu ,Zn 相,針狀相中含有一定量的Ag 。圖1合金鑄態(tài)和均勻化處理態(tài)顯微組織(a 鑄態(tài)金相組織;(b 均勻化處理態(tài)金相組織;(c 均勻化處理態(tài)能譜分析2. 2合金擠壓態(tài)的顯微組織合金擠壓態(tài)的金相組織及掃描電鏡觀察結(jié)果見圖2。圖2(a 表明,擠壓態(tài)組織為纖維狀未再結(jié)晶組織,圖中還能觀察到由未溶相變形而成的帶狀組織。樣品橫向的SE M 觀察及能譜分析(圖2(b 表明,此時基體中分布著大量的第二相,直徑在5m 左右,為AlZn 2MgCuAg 或AlZnMgCuFe 相,與前人的觀察結(jié)果一致7。XRD 物相分析結(jié)果見圖3,分析結(jié)果表明,擠壓態(tài)組織由(Al

11、、MgZn 2相及T (AlZnMgCu 相組成。2.3固溶處理對合金組織與性能的影響固溶溫度選擇的原則是在不引起組織過燒的情況圖2擠壓態(tài)合金顯微組織(a 金相組織;(b SE M 觀察;(c 圖(b 中B (點能譜分析圖3擠壓態(tài)合金XRD 分析下, 盡可能選擇高的淬火溫度,以提高固溶體的過飽和程度,時效后提高合金強度8。在預研工作的基礎(chǔ)上,固溶處理時,將時效工藝固定為120/24h ,固溶溫度為440490。固溶時間取1h ,不同固溶處理溫度對合金拉伸性能的影響見圖4,固溶態(tài)合金的顯微組織見圖5。可以看出,在460470進行固溶處理并再時效后合金力學性能較好。金相組織觀察表明,經(jīng)固溶處理后,

12、合金組織發(fā)生了部分再結(jié)晶,為部分未再結(jié)晶組織。進一步的SE M 觀察及能譜分析表明,固溶態(tài)組織中未溶第二相減少,但殘留相中Zn 、Mg 、Cu 含量較擠壓態(tài)有所增加。XRD 物相分析還表明此時合金的相組成以(Al 固溶體為主,殘留有部分MgZn 2相。圖4不同溫度淬火并時效后合金的室溫拉伸性能86礦冶工程第24卷 圖5固溶態(tài)合金微觀組織觀察(a 金相組織;(b SE M 觀察2.4時效處理態(tài)合金的顯微組織和性能2.4.1硬度和力學性能合金經(jīng)雙級固溶處理后,在120時效條件下,硬度隨時間變化曲線見圖6,由圖可知,研究合金在固溶態(tài)下硬度較低,時效開始階段,合金的硬度顯著升高,表明合金有顯著的時效硬

13、化特性。經(jīng)過24h 時效后,合金硬度達到峰值,峰值硬度值為H V210,對應的拉伸力學性能分別為抗拉強度730MPa ,屈服強度705MPa ,延伸率8.8%,合金的室溫拉伸性能見表1。時效時間進一步延長,合金硬度基本不變 ,且在實驗時間范圍內(nèi),并未出現(xiàn)明顯的過時效現(xiàn)象。表明合金中的析出強化相具有很高的穩(wěn)定性,抑制了析出相的粗化。表1合金的室溫拉伸性能狀態(tài)b /MPa0.2/MPa /%鑄態(tài)350 2擠壓態(tài)48436012固溶態(tài)55241512.3時效態(tài)7307058.8圖6120時效硬化曲線2.4.2顯微組織時效態(tài)合金的顯微組織示于圖7。結(jié)果表明,T 6態(tài)合金中晶內(nèi)分布著大量細小彌散的析出相

14、(圖6(a ,電子衍射分析(圖7(b 及暗場相觀察表明,此時析出相應為相和G P 區(qū)的混合析出物,同J EG LITSCH F 等人的實驗結(jié)果相吻合9。斷口掃描照片見圖7(c ,由圖可見斷面上分布著大小不一的韌窩,韌窩中可見到微米級的第二相,能譜分析發(fā)現(xiàn)這些相為固溶處理后殘留的富Cu 、Zn 第二相,表明材料的斷裂形式應為微孔聚集型韌性斷裂。圖7時效處理后合金的顯微組織(a 、(b T 6態(tài)合金透射電子顯微組織及電子衍射花樣;(c T 6態(tài)合金斷口形貌3結(jié)論1研究合金的峰值時效制度為120/24h 。在峰時效條件下,合金的抗拉強度達到730MPa ,屈服強度達到705MPa ,延伸率為8.8%

15、。2時效過程中,合金有顯著的時效強化特性,合金的強化機理主要為沉淀強化,強化相為G P 區(qū)和(MgZn 2相。3合金的斷裂形式為微孔聚集型韌性斷裂。參考文獻:1David A L ,Ray M H.Aluminum alloy development efforts for com pressiondominated structure of aircraftJ .Light M etal Age ,1991,2(9:11.2Lengs feld P.M icrostructure and mechanical behavior of spray deposited Znm odified 7

16、XXX series Al alloysJ .International Journal of Rapid S olidi 2fication ,1995,8(4:237.3張永安,熊柏青.Al 10Zn 2.9M g 1.7Cu 超高強鋁合金的噴射成形制備研究J .稀有金屬,2003,27(5:609.4W aren.Aluminum alloy product having im proved combination of propertiesP.U S Patent :5221377,1993-6-22.5R obins on J S.Retrogression reaging and

17、residual stresses in 7010forgingsJ .Fatigue Fracture Engineering M aterial S tructure ,1999,22(1:51.6W U Y i 2lei ,Froes F H.M icrostructure and properties of a new super 2high 2strength Al 2Zn 2M g 2Cu alloy C912J .M aterials and Design ,1997,18(4-6:211.7ZH ANGQing ,CUI Jian 2zhong.M icrostructure and property of CRE M 7075al