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Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金组织性能和断裂行为的研究

樊喜刚  
【摘要】: Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作为一种高强度的铝合金广泛应用于航空航天领域。该系列合金较高的强度、良好的韧性和耐腐蚀性的结合一直是人们追求的目标。尽管国内外的研究工作取得巨大成就。但在合金的成分优化,显微组织控制和强韧化机理方面的研究仍不具体透彻,尤其是粗大第二相和沉淀相的演化规律和作用方面,仍有相当的理论和应用内容需做进一步系统深入的研究。 本文在对比分析国内外Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金组织和性能的基础上,设计了合金A1 (Al-6.3wt%Zn-2.3wt%Mg-1.7wt%Cu)、合金A2 (Al-6.3wt%Zn -2.4wt%Mg -2.3wt%Cu)。利用透射电子显微镜、扫描电镜、差热分析和XRD等分析手段,研究了合金组织的变化规律,主要集中在粗大第二相和沉淀相的演化规律,及其对合金拉伸性能和断裂行为的影响。讨论了各种状态下合金的强化机理和断裂机制。在研究均匀化热处理过程中发现了一种新的相转变过程:η(Mg(Zn,Cu,Al)2)→S (Al2CuMg)。 研究了合金在均匀化热处理过程中粗大第二相的演化规律。合金的铸态组织为枝晶结构,枝晶臂间为层片状的非平衡共晶组织α(Al) + Mg(Zn,Cu,Al)2。在非平衡共晶组织中存在一些粗大的Al7Cu2Fe相。在均匀化过程中非平衡共晶组织逐渐消失,同时发生η(Mg(Zn,Cu,Al)2)→S (Al2CuMg)的转变。新形成的S相在η与基体的界面处形核,沿η长大,转变过程受Zn和Cu扩散的控制。非平衡共晶组织和粗大S相的变化主要包括三个过程:η相的减少到消失;S相的形核和长大伴随含量的增加;S相的粗化伴随含量的降低。Cu含量对均匀化后合金中粗大第二相的演变有着重要的影响,A2合金具有更多的Al2CuMg相。460℃的均匀化可以消除A1合金中粗大Al2CuMg相。而A2合金只有经过460℃/16h+480℃/12h的双级均匀化后才可以完全消除粗大的Al2CuMg相。 研究了合金的时效硬化特性和时效析出行为。在单级时效过程中,当温度为120℃和140℃时,峰值维氏硬度分别为208和206,160℃时峰值硬度降低至193。不同温度下的峰时效对应的主要沉淀相是不同的。120℃时,GP区和η'相为主要的沉淀相;140℃时,η'相为主要的沉淀相;160℃时,η'相和η相为主要的沉淀相。强化效果较好的沉淀析出相为η'。在120℃和140℃单级时效过程中,沉淀相尺寸的变化满足R∝t1/3,能用LSW理论较好地描述沉淀相的粗化过程。双级时效过程中,120℃预时效提高了GP区在高温时效时的稳定性和存在的温度范围,增加了GP区的强化效果,同时促进了GP区向η'相的转变,使合金在高温时效后的性能得到提高。三级时效可以使硬度和电导率达到良好的结合,180℃-200℃为较好的回归温度区间。 研究了合金拉伸性能和断裂行为。两种Cu含量的合金表现为相同的强化规律,在各个时效阶段高Cu的A2合金比低Cu的A1合金的强度高5MPa -30MPa。高Cu的A2合金在120℃时效28h-60h或140℃时效6h-36h,屈服强度超过600MPa,延伸率在12%以上。140℃/20h可使合金均获得最佳性能,A2合金的抗拉强度为659MPa,屈服强度为622MPa,延伸率为14.1%。在拉伸断裂过程中,欠时效状态的合金以剪切断裂为主;峰时效状态的合金以穿晶韧窝和沿晶断裂为主;过时效状态的合金以韧窝型断裂为主,韧窝在粗大的第二相处产生。合金的断裂方式主要受沉淀相的尺寸影响。对于过时效状态合金,粗大的Al7Cu2Fe和Al2CuMg粒子对断裂过程有着较大的影响。在双级时效过程,合金的电导率在达到38%IACS后,屈服强度超过590MPa,相对于单级时效提高7%以上。各种第二相在时效态合金的断裂过程中发挥着重要的作用,按作用大小依次为基体沉淀相、晶界沉淀相、粗大第二相、含Fe弥散相、Al3Zr弥散相。 研究了合金的断裂韧性的影响因素。两种合金都具有较高的韧性,A1合金比A2合金高10%-17%。韧性试样的断裂方式以粗大第二相的开裂和沿晶断裂为主。基体强度和晶界强度以及二者的差别是决定合金断裂方式的最重要的因素。晶界第二相降低合金中晶界的强度,恶化合金的韧性,在峰时效状态,晶界第二相是比较重要的影响因素。粗大的第二相恶化在断裂过程中容易成为裂纹的核心,促进合金的断裂,降低合金的韧性,在各个时效状态都对合金的韧性是有害的。


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