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析出相及其分布对高强铝合金力学性能的影响

宁爱林  
【摘要】: 本文以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金为研究对象,借助室温拉伸、硬度、电导率和抗应力腐蚀性能测试等方法;及差热分析(DSC)、X射线物相分析(XRD)、金相(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等电子显微分析方法,研究了形变热处理(TMT)和回归再时效(RRA)状态下合金中析出相及其分布对合金力学性能、电导率和抗应力腐蚀性能的影响,主要内容如下: 1、研究了形变热处理对2024铝合金时效析出及力学性能的影响。结果表明:大冷变形后合金的时效响应速度明显提高,时效40min就达到峰值强度;合金的时效强化曲线呈现双峰状,时效40min出现第一个峰(σ_b=580 MPa、δ_5=9.2%),时效120min出现第二个峰,但峰值比第一个低;合金的延伸率在时效时间≤40min时,随时效少量增大,且δ_5≥8%;时效时间≥60min时,延伸率显著降低,且随时效呈平台分布,δ_5≤5%。分析表明:大冷变形引入的高密度位错促进GP区析出,是合金的时效响应速度明显提高的根本原因;高密度位错引起的形变强化和时效初期GP区的析出强化构成合金的第一个强化峰,S’相的形核和长大形成合金的第二个强化峰;而时效过程中位错密度及其强化作用的降低,以及S’相析出时间与第一个强化峰值的错位,导致了合金时效双峰强化的现象;伴随S’相析出所产生的晶界无析出带及粗大的晶界平衡相,是合金延伸率显著降低的原因。 2、研究了短时分级固溶对7A04铝合金第二相溶解及力学性能的影响。结果表明:7A04铝合金在470℃/5min+485℃/9min固溶和140℃/6h+150℃/1h时效后σ_b,σ_(0.2)和δ_5值分别达到545MPa,499MPa和11.1%。金相观察表明:高温短时分级固溶(470℃/5min+485℃/3、9min)可以获得比相同时间高温单级固溶(485℃/8、14min)更加细小的晶粒组织;X射线衍射分析表明:470℃/5min+485℃/9min分级固溶后,除少量Al_2Cu外,合金的主要强化相MgZn_2已完全溶解,溶质过饱和度达到了500℃/20min单级固溶的水平。能谱分析表明,各固溶态未溶相属于富Cu相或含Fe、Co杂质相,在所有的含Fe杂质相中都含有较高的Cu,真正富Cu的未溶相数量相对较少,且都出现在单级固溶试样中,说明短时分级固溶具有较强的第二相溶解能力。 3、研究了形变热处理对7A04铝合金时效析出及力学性能的影响。结果表明:大冷变形形变热处理后合金的时效响应速度明显提高,时效5h时就达到峰值强度,但强度值不仅没有增加,延伸率还出现大幅度下降;无冷变形形变热处理时,采用470℃/5min+485℃/12min的短时分级固溶工艺,有效地解决了过时效相的溶解和再结晶新晶粒长大的矛盾,使合金的晶粒细化到11μm。同时,合金的强度和延伸率分别达到585MPa和17.6%; 4、对固溶后大冷变形2024和7A04铝合金时效析出及强化效应进行了对比和分析。拉伸性能测试结果表明,固溶后施加大冷变形,2024铝合金的时效响应速度大幅度提高,同时获得了高达140MPa的强度升幅,延伸率也保持8%以上的水平,而7A04铝合金虽然时效响应速度也大幅度提高,但强度基本上没有提高,延伸率还出现大幅度下降。透射电镜观察表明,2024铝合金中的S’相在位错胞内和胞壁的尺寸分布是均匀一致的,而7A04铝合金中,在位错胞壁甚至位错线上已经形成了棒状η’相时,无位错区依然是细小的球状GP区,同时冷轧态的析出相较非冷轧态的析出相表现出明显的长大粗化趋势。研究表明,2024铝合金中的圆盘状GPⅠ区和圆柱体状GPⅡ区与基体共格的应变能较小,在位错线和位错胞壁异质形核的倾向性相对较小,能够在大冷变形引入位错胞结构及产生不均匀位错分布的情况下,获得均匀的析出相分布,从而得到高的强度升幅。而7A04铝合金中的球状GPⅠ区与基体共格的应变能较大,在位错线和位错胞壁异质形核的倾向性较大,在大冷变形引入位错胞结构及产生不均匀位错分布的情况下,发生了不均匀析出而难以获得高的强度升幅。 5、研究了回归加热方法对7A04铝合金大截面棒材RPA处理的组织及力学性能的影响。结果表明,在200℃电流直接加热回归4min再时效的Φ60mm棒材从心部到表层获得了620~640MPa的拉伸强度,电流直接加热回归10min的心部及表层强度均为550MPa,而辐射式加热回归10min的心部及表层强度均为575MPa,但其延伸率从心部至表层表现极不均匀。在3%NaCl+0.5%H_2O_2水溶液中的抗应力腐蚀性能测试结果表明,电流直接加热回归的都达到了375MPa/30天未断,而辐射式加热回归的只有375MPa/19天。研究表明,电流直接加热回归4min的试样晶界粒子尺寸及间距较大,而且晶内析出相更加弥散及析出较多的η’相,因此,合金能够在基本保持T6态拉伸强度的同时,又展现出优良的抗应力腐蚀性能。 6、研究了回归时间对高锌Al-Zn-Mg-Cu合金RRA处理的组织及力学性能的影响。结果表明,合金经过100℃/24h+200℃/7min+100℃/24h的RRA处理后,力学性能达到:σ_b=795MPa;σ_(0.2)=767MPa;δ_5=9.1%;抗应力腐蚀性能达到:在3.0%NaCl+0.5%H_2O_2腐蚀液环境及210MPa拉伸应力下的断裂时间>720h。透射电镜观察表明,经过100℃/24h+200℃/7min+100℃/24h回归再时效处理的合金,晶内组织最弥散,由大量的GP区和少量的η’相构成;其晶界组织为直径、间距较大的η平衡相,以及再时效析出的弥散粒子组成。研究表明:晶内及晶界的弥散粒子确保了100℃/24h+200℃/7min+100℃/24h回归再时效态的超高强度;其抗应力腐蚀性能则依赖于回归再时效过程大幅度减少晶界及其附近的位错,有效阻止氢原子迁移至晶界的作用,以及晶界大尺寸、大间距粒子捕获氢原子、逸出氢气泡的不可逆陷阱作用。 7、研究了二种高锌Al-Zn-Mg-Cu合金单级时效和RRA处理中第二相的演变及其对力学的影响。结果表明:合金3在100℃单级时效,与110℃和120℃单级时效相比不仅有较高的拉伸强度(753MPa)而且还有较高的延伸率(≥9%),随着单级时效温度从100℃提高到120℃,合金3中与峰值强度相对应的主要强化粒子由GP区粒子变成η’相粒子。合金2在100℃/48h单级时效,最高拉伸强度为788MPa;而该合金经过RRA处理(100℃/24h+200℃/7min+100%/24h)后,最高拉伸强度达到795MPa,当回归时间和再时效时间分别大于7min和24小时后,随着时间的延长,合金2的强度和延伸率同时降低,与合金2极限拉伸强度相对应的主要强化粒子是均匀弥散的GP区。扫描电镜观察表明:合金2在固溶状态下含有较少的未溶粗大第二相粒子,所以合金2单级时效的峰值强度(788MPa)比合金3单级时效的峰值强度(753MPa)大。透射电镜观察表明:在100℃单级时效时与合金2峰值强度相对应的主要强化粒子是η’相,而合金3是GP区。 8、研究了三种Al-Zn-Mg-Cu合金在回归再时效状态下的超峰时效强度行为,硬度和拉伸性能测试结果表明,三种合金经过100℃或者120℃预时效24小时,并在200℃分别回归一定时间后再时效,均显示出超过该合金预时效状态的强度,甚至高于相同温度单级时效的峰值强度,最高达到795MPa,且保持高达9%的延伸率。显微组织及微区成分分析表明,较短时间的回归处理所引起的晶界无析出带,经过再时效后变窄甚至消失,对应的晶内组织也非常弥散。而峰时效状态下虽然晶内组织弥散,但都显示出明显的晶界无析出带组织特征。研究表明,高强铝合金RRA状态的超峰值时效强度的原因可以归结为,再时效使回归时产生的晶界无析出带变窄或消失,使晶界强度提高;与此同时,晶内仍然保持和获得更加弥散的组织状态及更高的析出强化效应。 9、研究了三种Al-Zn-Mg-Cu合金在回归再时效状态下的组织、电导率与抗应力腐蚀性能的关系。结果表明,电导率≥35.46(%IACS)的合金状态均表现出良好的抗应力腐蚀性能,对应的晶界组织为粗大分立的η相,晶内组织弥散;而电导率≤34.63(%IACS)的合金状态虽然拉伸强度较高,但抗应力腐蚀性能较低,相应的晶内组织弥散、晶界组织为尺寸较小的链状η相。分析表明,相对常规T73等过时效状态对应的高电导率(38-42%IACS)而言,回归再时效状态弥散的晶内组织导致了较低的电导率和高抗拉强度,但粗大分立的晶界析出相仍然使其获得了良好的抗应力腐蚀性能。从而使合金表现出电导率适中(35.46-36.82%IACS)、抗应力腐蚀性能良好和拉伸强度高的特点,


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