Cu含量對(duì)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(shù)LAFT 31Cu含量對(duì)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(zhǎng)智,李念奎,孫兆霞11222(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱150060)摘要:介紹了Cu含量對(duì)Al Zn Mg Cu合金組織性能和斷裂行為的影響。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射等方法對(duì)合金的組織和斷口進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,Cu含量對(duì)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(guò)時(shí)效狀態(tài)下,高Cu的Al Zn Mg Cu合金斷口以粗大的Al2CuMg粒子開(kāi)裂的韌窩為主;含w(Cu)=1.7%的低Cu合金斷口以晶粒內(nèi)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(qiáng)化的潛力,在過(guò)時(shí)效狀態(tài)下促進(jìn)合金開(kāi)裂。關(guān)鍵詞:Al Zn Mg Cu合金;時(shí)效;性能;斷裂行為中圖分類號(hào):TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(qiáng)Al Zn Mg Cu鋁合金具有高的強(qiáng)度,廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)1。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)鋁合金的性能提出了更高的要求2。超高強(qiáng)鋁合金較低的抗應(yīng)力腐蝕性和斷裂韌性使其應(yīng)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(diào)整和時(shí)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(yīng)力腐蝕性能,而且能改善組織,提高合金強(qiáng)度7 8。但Cu的加入也會(huì)增加粗大的S相的數(shù)量,導(dǎo)致合金韌性下降。對(duì)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(guò)程和擠壓(熱軋)過(guò)

7、程有關(guān)。研究了Al Zn Mg Cu合金中Cu含量對(duì)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(jiǎn)介:樊喜剛(1978-),男,黑龍江樺南人,博士。32 LAFT輕 合 金 加 工 技 術(shù)2006,Vol.34, 21 試驗(yàn)材料和方法試驗(yàn)中制備兩種成分的合金,化學(xué)成分見(jiàn)表1。 表1 各合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%合金A1A2Zn6.316.32Mg2.332.40Cu1.72.32Zr0.120.12Fe0.090.10Si0.050.05Al余量余量2 試驗(yàn)結(jié)果2.1 顯微組織460 均勻化24h后合金的顯微組織見(jiàn)圖1,對(duì)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(jié)果顯示A1合金中多數(shù)粗大第二相富含F(xiàn)e、Cu。A2合金中粗大第二相有兩種:一種富含F(xiàn)e、Cu,另一種富含Cu、Mg。利用XRD分析技術(shù)對(duì)均勻化后的合金進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)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(jié)合掃描電鏡觀察的結(jié)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(méi)有觀察到相應(yīng)的峰,但從能譜分析結(jié)果可以判斷該相為Al7Cu2Fe。合金A1和A2采用半連續(xù)鑄造技術(shù),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(jī)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(shí)效24h,溫度升高到175 時(shí)效8h。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X射線衍射(XRD)對(duì)合金的組織結(jié)構(gòu)和斷口進(jìn)行了分析。圖1 均勻化后合金的顯微組織照片(BSM)時(shí)效后,在光學(xué)顯微鏡下觀察組織變化不大。160 時(shí)效14h合金的

10、顯微組織如圖3所示,合金的晶粒拉長(zhǎng),在晶粒內(nèi)部可以看到小尺寸的亞晶,亞晶的形狀為橢圓形,長(zhǎng)軸方向與擠壓方向一致。在A2,在晶界上。從以上的結(jié)果可以看出,A1和A2合金的Cu含量不同,導(dǎo)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(shù)2.2 力學(xué)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(jiàn)圖3。A1合金在均勻化和擠壓態(tài)的強(qiáng)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?jǐn)?shù),同時(shí)共

11、格和非共格粒子的增加促進(jìn)合金的均勻變形,使合金的強(qiáng)度隨合金中Cu含量的提高而升高,而合金的伸長(zhǎng)率降低,見(jiàn)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(shí)效后合金顯微組織的光學(xué)照片時(shí)效態(tài)合金的拉伸斷口見(jiàn)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(xiàn)了杯錐圖5 時(shí)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(kāi)裂部分(見(jiàn)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(jiàn)圖5c),這是由晶粒內(nèi)部較大的34 LAFT輕 合 金 加 工 技 術(shù)2006,Vol.34, 2富F

12、e彌散相或破碎的Al7Cu2Fe粒子引起的。另外對(duì)圖5a中A處的沿晶斷裂表面進(jìn)行放大,見(jiàn)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(jìn)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(shuō)明溶入基體的Cu形成的粗大第二相會(huì)影響合金的拉伸斷裂過(guò)程。在時(shí)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(guò)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(guò)程。開(kāi)始階段,粗大的第二相處產(chǎn)生應(yīng)力集中,達(dá)到臨界斷裂應(yīng)力后,第二相開(kāi)裂或沿第二相與基體界面開(kāi)裂,形成孔洞11。在斷口表面可以看到兩種類型的韌窩,說(shuō)明在斷裂過(guò)程中在彌散相處顯微裂紋的形成導(dǎo)致小尺寸韌窩的形成,促進(jìn)先形成大尺寸韌窩的相互連接。從研究結(jié)果看,高Cu的A2合金的強(qiáng)度比低Cu的A1合金的強(qiáng)度高約20Nmm-2。應(yīng)該指出,在A2合金中存在較多的Al2CuMg相,降低了A2合金強(qiáng)化的潛力。如果降低合金中粗大Al2CuMg相的含量,會(huì)使A2合金的強(qiáng)度有所提高。對(duì)于7055合金,陳康華等人利用階段固溶技術(shù),在保證合金在固溶后沒(méi)有過(guò)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(duì)A2合金的均勻化和熱處理制度進(jìn)行進(jìn)一步的研究,改善合金的性能。3 分析與討論本試驗(yàn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)含Si的粗大相。說(shuō)明Fe和Si雜質(zhì)含量的降低對(duì)于降低合金中粗大的第二相有很明顯的效果。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)在含Cu量較高的A2合金中存在較多粗大的Al2CuMg相(見(jiàn)圖1b)。這對(duì)合金的性能會(huì)產(chǎn)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(guò)飽和固溶體的濃度,使合金沉淀析出強(qiáng)化的潛力沒(méi)有充分發(fā)揮;另一方面,生成的粗大第二相對(duì)合金的韌性和抗疲勞性能都會(huì)產(chǎn)生不利

15、的影響。所以有必要對(duì)合金的均勻化和固溶制度做進(jìn)一步的研究,使更多粗大第二相回溶到基體里。經(jīng)120 24h+175 8h的時(shí)效處理后,合金A1與合金A2的斷口出現(xiàn)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(kāi)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(shí)效制度下,合金中粗大第二相在斷裂過(guò)程中起著主要的作用。4 結(jié) 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(shí)效后的組織和性能的變化。特別考察了Cu含量對(duì)合金中粗大第二相的

16、影響,以及粗大第二相對(duì)合金性能和斷裂行為的影響。主要得出以下結(jié)論:(1)在均勻化后,兩種合金的基體內(nèi)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(shí)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(kāi)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(xiàn):1 DeschampsA,BrechesY,LivetF.Influenceofcopperadditiononpreci

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