（材料学专业论文）添加ce、zn、sc对2195铝锂合金显微组织和力学性能的影响.pdf

c “南大学碗i 学位沱文i 而要 摘要 本险文研究了添加微量( 或少量) 铈、锌、钪别2 j9 5 铝钢1 含 金在不同热处理制度( t 8 、t 6 ) 下的微观组织和机械性能的影响， 通过拉伸强度、延伸率的测试以及透射电镜、扫描电镜观察，结果 表刖： 1 添加微量c e 能使2 l9 5 合金组织及性能得到明显改善，微 量c e 使合金强度和塑性同时提高的主要原因在于：一方面微量c e 能使2 l9 5 合金的主要强化相t l 相、日相增加且更均匀微细地弥散 化，另一方衙，微量c e 使合金的组织分层更加“薄化”，可在一定 程度上改善合金的断裂行为，减少低能沿晶断裂倾向。 2 在2 1 9 5 合金中添加少量z n ，能使合金的时效速度明显加 快和时效效应明显增强，即使在t 6 工艺条件下台金机械性能乜能 接近t 8 态的2 i9 5 合金，少量z n 除能促进t 【相、日7 相更细小弥散 分布和数量增加之外，还能生成球形颗粒状含z n 相共同强化，从 而使2 】9 5 合金强度大幅度提高，但少量z n 不能改变合金的断裂机 制，而且列合金的塑肚还有不利影响。 3 在2 l95 合金中添加微量s c ，在t 8 工艺条件下延缓时效 过程，使合金晶内析出的t - 相分布均匀，平均尺寸减小，又使亚 晶界和晶界上析出的t 。相变得细小，几乎不出现明显的晶界无析 出带，因而可在几乎不降低合金强度的前提下，较大幅度地改善其 塑性，且能部分改善合金的断裂模式，使其断口形貌表现为细层状 + 穿品断裂方式，而有别于2 l9 5 合金的层状+ 沿晶断裂的模式。但 添加微量s c 却使2 l9 5 合金在较高温度时效的t 6 工艺条件下表现 出强度和龌性郡有较大幅度的下降。 关键词 2 l9 5 合金c e 、z n 、s c 、t8 、t 6微观组织机械性能 中南大学硕士学崮仑文 b s l - r a f 一【 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fd l f f e r e n ta g i n gt r e a t m e n t ( t 8 、t 6 ) a n dt r a c e ( o rs m a l i ) a d d i t i o n so f c e 、z na n ds co n 山em i c m s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l 】o y2 1 9 5b y t e n s i l et e s t 、t e 】a n ds e 】o b s e r v a t l o n s ，t h ec o n c l u s i o n sc a nb es u m m a r i z e da st h e f o l l o w i n g s ： 1 t h ea d d i t i o no fc ec a nj m p r o v es i g n i 6 c a n t l yt e x t u r ea n dm e c h a n l c a l p r o p e r t i e so f2 1 9 5a l l o yt h et r a c ca d d i t i o no fc ec a ni n c f e a s em en u m b e ro ft h e m a j o rs t r e “g l h e n i “gp h a s e( t l a n dp 7 p r e c i p j t a t i o n ) a n dm a k et h e m a j o r s t r e n g t h e n i n gp h a s ed i s t m u t em o r ed i s p e r s i v e l ya n dh o m o g e n e o u s l y 0 n 出eo t h e r h a n d ，c em a k e st h e1 i g e m e n ts t r u c t u r eo f2 1 9 5a l 】o y 山i n n e lc ei m p r o v e sl h ef r a c t u r e b e h a v i o fo fa 1 i o ya n dd e c r e a s et h et e n d e n c yo f1 0 we n e 唱yi n t e r 酽a n u l a rf r a c t u r ei na c e r t a md e 群e e 2 t h es m a ua d d i t l o no fz nc o2 1 9 5a i l o yl e a d st oa na c e e l e r a t i o no fa g i “g r c s p o n s ea p p a r e n t l hs ot h em e c h a n i c a lp r o p e n l e so fa l i o yi nt 6t e j n p e rc a ng e tc l o s e t ot h a to f2 1 9 5a l l o yi nt 8l c m p e re x c e p cf o rp r o m o t i n gt la n dp 。p r c c i p i t a t i o n s m a l l e ra n dm o r ed i s p e r s i v e l y ，s m a l la d d i t i o no fz nc a nf o r i ns p h e r u l a rp h a s e c o n t a i n i n gz n 。s ot h ea d d i t i o no fz nr a i s e ss t r e n 舒ho f2 1 9 5a u o yn o t a b l yb u ts m a u a d d i t i o no fz nd on o cc h a n g ec h e 疗a c m r em e c h a n i s mo f2 1 9 5a l l o y a n dh a 增 u n f a v o u r a b l e e f f e c t o n t h ed u c t i l i t yo f 2 1 9 5a l l o y 3 i n t 8 t e m p e r s ，t h ea d d i t i o no f s c i n2 1 9 5a l l o yc 8 n f e t a r d t h e8 9 i “g ，m a k e t l p r e c i p i t a t i o n i n 口a i n s d i s t r i b u t em o r eh o m o g e n e o u s l ya n ds m a l l e m a k et 1 p r e c i p i t a t l o ni ns u b 乒a i nb o u n d a r ya n d 盯a i nb o u n d a r ys m a l l e ra n dh a v en op f zi n g r a i nb o u n d a r ys ot | l ea d d m o no fs ci m p m v e sd u c t l l i t ya n df r a c t u r em o d e l ，b u td o e s n o td e c r e a s et h es t r e n g t ho f2 1 9 5a l l o 弘f r a c t u r es h a p eo fl h ea l l o yc o n t a i n i n gs cl s t h i r r l a y e rs h a p e + j n t r a c r y s t a l n ea n dg r a i nb o u n d a r yn l i x t u r ef r a c t u r em o d e l ，n o t f o l i a t e df r a c t u r e + g r a i nb o u n d a r yf r a c t u r eb u tt h ca d d i t i o n o fs cc a nm a k et h e s t r e n g c ho f 2 1 9 5a 1 1 0 yd c c r e a s e i n t 6 t e m p e ro f h i g h e r t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：2 1 9 5a l l o y ， c e ， z n ，s c ，t 8 ，t 6 ，m i c r o s t n l c t u r c ， t e n s i l e p r o p e r t y 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 11a 1 l i 合金的发展概况 1 1 1a l l i 合金的开发历史及现状 l i 是世界上最轻的金属元素，其密度只有o 53 9 c m 3 ，在铝中每 加入l ( w t ) 的l i ，可使合金密度下降3 ，弹性模量提高6 。 由于a l l i 合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性 能、起好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成形性能，用其取代常规铝合 金，可使构件质量减轻15 ，刚度提高15 2 0 【2 1 ，被认为是航天航 空工业中的理想结构材料。 自1 9 2 4 年第一个含l i 的铝合金s c l er o n 合金( a l 1 2 z n 一3 c u o6 m n ol l i ) 在德国诞生以来，a 1 一l i 合金开发已有7 0 余年的历 史了，7 0 余年来，a i l i 合金历经艰难和波折，冲破层层障碍，已 经走向了工业生产和应用。在a 1 l i 合金的发展史中，下列事件具 有重要意义。 l9 4 2 年美国a i c o a 公司申报了2 0 2 0 合金( a 1 45 c u 一1o l i o 8 m n o 15 c d ) 的专利，1 9 58 年a l c o a 公司生产出2 0 2 0 合金板材，并装 配在美国海军r a 5 c 警戒机上。由于该合金韧性低，后停止使用和 生产【3 】。 19 6 1 年，前苏联也研制出成分类似于2 0 2 0 合金的b a 2 3 合金。 19 65 年，在详细研究a 1 一m g l i 三元相图和成分不同的a l m g l i 合 金性能基础上，前苏联轻合金研究院成功地研制出牌号为0 1 4 2 0 ( a 1 5 m g 2 l i 一0 5 m n ) 合金。该合金具有中等强度、低密度、出色 的焊接性能和腐蚀抗力，并生产出挤压件、锻件和板材，大量使用 于军用飞机上【4 】。 19 8 4 年a 1 c o a 公司在详细检讨2 0 2 0 合金的基础上，研制出2 0 9 0 ( a 1 22 l i 27 c u o1 2 zr ) 合金。该合金主要用于应变时效( t 8 e 4 1 ) 状态，具有较高强度和中等的塑性i l 。 19 8 5 年英国a l c a n 公司开始生产8 0 9 0 ( a 1 24 l i 一13 c u 一12 m g ol2 z f ) 和8 0 9 1 ( a l 一26 l i 一19 c u o8 m g o1 2 z r ) 合金的板材、挤 压件和锻件产品。同年法国p e c h i n e r y 公司开始生产2 0 9 l 合金 中甫大学颐士学 立论文 第一章文献综述 ( a i 一2o l 卜23 c u i5 m g ol2 zr ) 。 l9 8 9 年美国m ar t i nm a r i e t t a 和r e v n o l ds 公司研制出w e l d a l i t e 1 、1 0 4 9 合金( 该合金室温超过6 8 0 m p a ，25 0 仍能保持4 8 3 m p a ) 。 并随后在此基础上又成功开发了2 0 9 4 、2 0 9 5 、2 0 9 6 、2 0 9 7 、2 l95 、 2 l9 7 及w e l d a l i t e 一2 l o 等一系列改进型合金。 l9 8 9 年前苏联也开始生产1 43 0 ( a i l5 19 l i 23 3o m g 一14 18 c u o8 o1 4 z r ) ，l4 4 0 ( a l 一21 26 l i o6 11 m g - 12 19 r u o1 o2 z r ) ，l4 5 0 ( a l 一3 o c u 一21 l i 一o2 m 2 一o12 z 卜00 8 t i ) 。这样 前苏联的aj l i 合金己构成一个完整体系。 l9 8 0 年至1 9 9 1 年分别在美国、英国、法国、德国召开了6 次 a 1 l i 合金国际会议，为研究a l l i 合金性能和实用可行性，其倍受 重视的程度在铝合金研究领域中是前所未有的。 19 9 0 年，西方各大铝业公司开始将a l l i 合金大规模打入市场， 主要目标是军用飞机、火箭、导弹等飞行器。 目前国外已有2 0 多种a 1 l i 合金的生产达到工业化水平。世界 各国生产的a l l i 合金的化学成分见表l l 、表1 2 和表1 3 ，部分 合金的性能见表l 一4 。美、欧等国己能生产6 1o t 重的铸锭，而俄罗 斯己具备生产2 5 t 重的铸锭的能力。美国a l c o a 公司a 1 l i 合金的年 产量已超过36 0 0 t ，根据需要可迅速扩大到年产9 0 0 0 t 。英国a l c a n 公司和法国p e c h i n e v 公司联合建造的a 1 l i 合金生产厂年产量可达 1o o o o t 。美、俄、欧等国a l l i 合金轧制、挤压、锻造的生产技术 已达到常规铝合金水平。 表l - l西方国家主要i m 铝锂合金化学成分f 4 】 化学成分( w t ，) 密度 研制公司合金牌号 l ic u m g z rf es i 2 c m 3 英国 8 0 9 0 ( l i t a l a ) 23 27l0 1 5o5 lo o 08 ol6 o3 o225 4 8 0 9 0 ( l i t a l b ) 24 28】6 22o5 l2 o0 8 o16 o 3 o2 25 5 a l c a n 8 0 9 0 ( l i t a l c ) 23 261 0 l6o5 l0 o0 8 ol6 o3 o225 4 8 0 9 0 f a l i t h a l i t e a )2l 27 ll 16 08 l4 o0 8 o15 0l5 o12 55 美国2 0 9 0 ( a 1 i t h a l i t e b )l9 26 24 3o o25 oo8 o15 o15 ol25 9 a l c o a 819 2 ( a l i t h a l i t e c )23 29 04 o7o9 14o0 8 o15 ol5 0l25 4 8 0 9 2 ( a 1 l t h a l i t e d )2l 27 o5 o8 09 l4 00 8 0 l5 ol5 ol2 55 法国 8 0 9 0 ( c p 2 7 1 ) 22 271o l6 06 13 00 4 o16 o2 0l25 3 2 0 9 l ( c p 2 7 4 ) 17 23l8 25ll l900 4 o16 02 0l2 585 p e c h i n e y c p 2 7 619 3325 33 02 08 00 4 ol6 02 ol27 2 美国 w e l d a l i t e l “0 4 9134 5 63 o4 o1 4 o15 ol27 0 r e y n o l d s a g ( o4 ) - 卜 ! 堕查兰堡主堂些笙三 第一章文献综述 表】一2美国w e l d a l i t e 0 4 9 系列合金化学成分i 5 化学成分( 、1 )密度 合金牌号 l 1c “ m ga g z z “t 1m ” g c m 3 w e 】d aj 1 f e l ”0 4 91345 63 o4o4ol427 3 2 0 9 407 1444 5202 5 o802 5 o600 4 0l8 oi002 527 2 2 0 9 507 i5 39 4602 5 o8 o2 5 o6 00 4 o18 0 25 0i o 02 5 26 8 2 0 9 6l3 l923 3o0 25 o8o2 5 o6o0 4 ol802 526 2 2 0 9 7 l2 l8 25 3l 0 3500 4 o 1 6o3 5o15 oi o6 2 1 95o8 l2 37 42o2 5 o8o25 o6 o0 8 0l6o0 2 o2527 1 2 1 9 7l3 l7 25 3lo 08 015ol2ol o5 w e l d a l i t e 2l0l34 5o 4o4o1 40 500 2 表1 3前苏联铝锂合金化学成分【2 合金化学成分( w t )密度 备注 牌号l ic u m g z r 其它 f es i c m 14 2 0l8 2l 49 5 500 8 015 02 0 o2 524 7 24 9 l4 2 1l8 2l49 5 5o0 8 ol5s c o1o 02 0 02 0 o25 24 7 24 9a l - m g 1 4 2 3l8 2l32 42o0 6 0los c 0lo 02 0 ol5 o2 0248 25 2l i 1 4 2 918 2348 6oo0 8 ol5b e 02 0 o3 0 0l5 o1 0l4 5 24 7 s c 02 0 o3 0 y o0 5 o25 1 4 3 0l5 l9 l4 l823 3oo0 8 01 4 ol5 ol o2 58 b e o0 2 o2 0 a l m g t j o0 2 olo - c u - l i b e 0lo 1 4 4 02l 2612 l9o6 1lol0 o2 0 015 olo24 8 t l o0 5 1 4 5 0l8 23 27 3200 8 ol6c e 00 5 ol5 01 5 olo2 58 1 45 l15 l8 27 32o0 8 o16 o15 0l026 0 l4 6 018 23 27 32 o0 8 ol6s c olo _ o2 0 o15 010 2 58 a 1 c u n i o0 0 5 o6 1 4 7 023 26 03 08 l2 l900 8 o1 4 0l5 olol l t i o0 2 oi5 m n o4 0 08 b a 09 l4 48 58 ol5 o1 02 58 c d olo o2 0 3 ， 中南大学硕士学应论文 第一章文献综述 表1 4 西方国家及前苏联主要i m 铝锂合金的机械性能6 拉伸性能断裂韧性弹性 研制制品处理密度 台金名称u t sy se l k i c 模量 公司状态状态( g ，c m 3 ) ( m p a )( m p a )( )( m p a ，”)( gpa ) 厚扳 t 6 5 i4 9 54 5 093 7 7 925 4 9 0 9 0 ( l ie a ia )薄板 t 64 s 53 6 54k c 8 025 4 薄板t 84 8 5 4 1 j4 k c 6 0 25 4 a l c a n 厚板 t 6 5j5 6 55 3 052 4 8 0 25 5 ( 英国)8 0 9 1 f l l t a lb ) 薄板 t 64 8 03 8 045k c 5 525 5 薄板t 85 0 5 4 4 045k c 5 025 5 厚板 t 3 x4 7 03 9 56k c 4 0 7 925 4 8 0 9 0 f l i i a lc 、 厚板 43 03 6 0)k c 9 025 4 8 0 9 0 ( a l l t h a l l t ea )厚板 t 84 7 64 0 09 k q 4 56 7 8625 5 厚板t 85 6 95 3 0 794 257 8525 9 a l c o a 2 0 9 0 ( a l l t h a l l t eb ) 薄板t 85 6 35 1252 25 9 ( 美国)锻件t 64 7 24 1 612 74 【2 125 9 8 19 2 ( a 1 i t h a l l t ec ) 厚板 t 8 x4 4 23 l38 1625 2 8 0 9 2 ( a l i t h a l i t ed )厚板 4 8 84 0 032 5 k q 4 53 7 8623 5 c p 2 7 1 f 8 0 9 0 、厚板t 8 5 l 5 0 0 4 5 57 k c 3 3 3 125 4 p e c h r n e y 厚板 t 8 5 l 4 5 53 4 01 lk c 3 97 825 8 c p 2 7 4 f 2 0 9 l1 ( 法国) 薄板 t 8 4 4 53 3 0i7k c l 4 525 8 c p 27 6 厚板 t 8 5 l6 0 55 9 578 025 2 薄板 2q 7 2 1 4 2 04 3 02 7 01 1 k c 8 l 7 6 r 纵向) 5 0 板材 92 一24 5 2 1 4 2 94 8 0 3 3 07 75 f 纵向) 1 224 7 前 板材 1 4 3 04 5 03 5 0i o 7 9 25 8 苏 ( 纵向) 联 扳材 1 4 4 0 ( 8 0 9 0 ) 4 8 04 0 05k c 3 368 024 8 ( 纵向) 板材 1 4 5 0 f 2 0 9 0 、 5 4 04 5 0 6 7 9525 8 ( 纵向) 1 4 6 0 厚板 5 2 04 6 012 8 026 注： ijl t 方向【2 】l s 方向 4 中南大学硕士学位论文 第章文献综述 国外a 1 l i 合金在航空航天领域的应用已进入实用阶段。在航 空领域，俄罗斯的雅克3 6 ，苏2 7 ，苏36 ，米格2 9 ，米格33 等飞 机都大量采用了a 1 l i 合金，在西欧，英国w e s t a 】a n d 的e h lo l 直 升机有2 5 的构件由a a 8 0 9 0 铝锂合金制造，其用量占飞机结构总 重的l5 。法国的r a f e l e a 军用战斗机以及a i r b u si n d us t r i es 的 a 33 0 和a 3 4 0 客机上都使用了铝锂合金。由于2 19 7 合金比当前战 斗机用的2 l2 4 铝合金的疲劳强度高、密度小，美国已用于f l6 和 f 一2 2 战斗机的后隔框，显著改善了疲劳性能，满足了8 0 0 0 h 使用寿 命的要求。此外，美国的c 一17 运输机使用的铝锂合金，达到每机 2 8 6 0 k g 。e f a 战斗机的铝锂合金用量占结构重量的2 0 ，零部件达 到2 0 0 0 件。 在航天领域，己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。由 于a i l i 合金较碳( 石墨) 环氧复合材料具有较高的工作温度、较 好的高温韧性和蠕变性能，在太空环境下不放气，加工性能好，特 别是价格便宜，因此使a 1 一l i 合金用作贮箱、仪器舱等结构材料占 有较大优势。美国洛克希德公司利用8 0 9 0 a l l i 合金，加工铆接制 造了大力神运载火箭有效载荷舱，使其减轻质量】8 2 k g 。美国“发 现号”航天飞机外贮箱( 直径84 m 、长4 61 m ) 采用了w e l d a l i t e 0 4 9 系列的2 195 a l l i 合金以取代2 2 19 合金，使航天飞机的运载能力提 高了36 t ，相当于每千克有效载荷节约成本1 7 6 4 美元。这种采用 2 19 5 高强可焊a 1 一l i 合金制造的外贮箱己随航天飞机于19 9 8 年发 射升天，表明a 1 一l i 合金在大型薄壁焊接承力结构件上的应用取得 了突破性的进展。俄罗斯已将1 4 6 0 a l l i 合金用于“能源号”运载 火箭的低温贮箱。据透露1 4 2 0 a l l i 合金也已用于某些中、远程导 弹弹头壳体。19 9 7 年7 月俄罗斯用1 4 6 0 合金制造的液氧贮箱卖给 美国麦道公司用于可重复使用垂直升降的d e l t a c l i p p e r 运载火箭 d c x d c x a 上迸行第四次飞行试验，可减轻质量约2 0 。根据美 国先进的低温贮箱计划( a d p 3 l0 6 ) ，单级入轨重复使用的跨世纪运 载火箭x 一33 的液氧箱也决定使用2 19 5 合金。空中发射水平着陆的 x 3 4 运载火箭也准备采用a 1 l i 合金的液氧贮箱。此外，美国海军 正在资助用轻质、耐蚀、高强的a l l i 合金制造新一代重型鱼雷燃 料舱分段的研究工作。 日本也加快了a 1 l i 合金生产和应用的研究工作，建成了4 吨级 的a l l i 合金真空熔铸机组。日本计划在2 0 0 0 年用h i i a 火箭发射 的宇宙往返试验机h o p e 。x 的机体也采用了a l l i 合金。此外，西方 中南大学硕士学位论文 第一章文献综五 国家计划在19 9 8 2 0 0 2 年建设的国际空间站的日本研究舱( j e m ) 也将采用大量的a 1 l i 合金。 最近各向同性的a l l i 变形合金的研制工作也取得重大进展。 美国空军莱特材料实验室开发出一种叫做a f c 4 8 9 第三代a l l 合金，该合金含l i 量超过2 ，可使构件减轻质量18 2 0 ，板材 仅呈现少许各向异性。莱特材料实验室是根据基本的合金化及工艺 原理，以及材料模拟技术，找到了解决材料各向异性问题的方案。 美国a 】c o a 公司研制成功牌号为c l55 的aj l i 合金。其抗疲 劳裂纹性能是7 0 55 一t 6 5 l 铝合金的两倍，断裂韧性是7 0 55 一t 65 l 铝 合金的l35 倍，和2 0 2 4 一t 35 1 铝合金相比，强度大li ，断裂韧 性提高l3 ，抗疲劳裂纹扩展阻力提高1 倍。美国沃特飞机公司将 c 155a 1 一l i 合金、常规铝合金和碳环氧复合材料制成飞机平尾， 在性能相同的情况下，c 一155a l l i 合金比常规铝合金轻3o o k g 。用 c 155a 1 一l i 合金制成的平尾其质量接近碳环氧复合材料制成的平 尾，但它每千克质量的价格比碳环氧复合材料便宜4 8 0 美元。 1 1 2中国a 1 一l i 合金的研究与开发进展情况 从“七五”开始，我国的铝锂合金研究正式起步。由国家立项， 中南大学、东北大学、西南铝加工厂、航天7 0 3 所等联合开展了仿 2 0 9 l 中强铝锂合金的研究。由于当时经费投入有限，技术力量薄 弱，基础条件差，研究工作虽然取得了不少成绩，但水平相对较低。 在“八五”期间，研究工作掀起高潮，国内有多所高校和研究院所 在广泛范围内开展了铝锂合金研究，使我国铝锂合金的基础研究1 作大大前进了一步。上述单位开发试制了14 2 0 和2 0 9 0 铝锂合金， 生产出了小规格板材、型材。同时，由于国家投资强度加大，基地 建设取得较大进展，在西南铝加工厂建成了一吨级的铝锂半连续熔 铸机组，同时，原国防科工委( 现总装备部) 决定从俄罗斯引进六 吨级铝锂合金熔铸生产线。九五期间，国家继续支持铝锂合金研究， 主要以w e l d a l i t e 0 4 9 系列合金中的2 19 5 合金标准成分为基础进行 攻关和理论研究。经费投入和研究单位较“八五”明显集中，工业 化生产和应用目标更加具体。“九五”末，我国引进的六吨级铝锂 合金熔铸生产线己投入正常生产，具备了大规格型、棒材及锻件生 产能力。总之，通过三个五年计划的国家支持，我国铝锂合金研究 开发的基地已基本建立，其规模和水平达到美、俄等国九十年代初 的水平。更为重要的是培养造就了支有较高理论水平和实际经验 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 的从事铝锂合金研究、应用的利技队伍，国内分别在19 9 l 、l9 9 3 和l9 9 6 年召开了三次全国a 1 l i 合金研讨会。这些为我国今后铝 锂合金的研制和应用奠定了良好基础，是使我国铝铿合金研制和应 用水平在进入2 1 世纪后赶上西方发达国家的有利条件。 1 2a l l i 合金的组织 表1 5 、1 6 列出了a 】一l i 基合金在各个不同热处理状态下的各 种析出相及其基本构造和形态特征。【7 1 表1 5铝锂系合金中可能出现的析出相 、时效状态 淬火 兮金、状态 欠时效态峰时效态过时效态 a 1 l i 系6 占76 ( 6 ) ，占 a 1 l 1 z r 系 口j 口7 占娃7 6 7 口? ( 6 ) ，万 a 】l i c u 系( 2 0 2 0 )艿 正：万，占，巧，正 6 1 ，t ；( 6 ) ，正，五，万 ( 2 0 9 0 ) 口，6 a ，臼，正，巧，6 7 口，占，一，巧，( 占，) ，五，疋，占 a 1 “c u 系 a l - l i m g ( 0 1 4 2 0 ) 占占占 ( 占) ，7 j ，6 ( 2 0 9 1 ) 口万口，占 口，占，s 7 口，( 占) ，s ，6 ，s a l ，l i - m g - c u z r 系 ( 8 0 9 0 ) 口7 占 口占 a 1 ，s 6 4 a 7 ，( 占) ，s ，r ，j ，s a 1 - l i c u - m g - z r 系 + a 有文献亦称口7 ( a 1 3 z r ) 12 1 a j l i 二元合金 a l l i 二元合金相图如图l1 所示，l i 在铝中的最大固溶度6 0 0 时约为42 w t ，室温下则较小。由于l i 在铝中的溶解度变化很 大，时效时有占( a 13 l i ) 亚稳相析出而产生强烈的时效硬化现象， a l l i 二元合金的析出过程为： 过饱和固溶体一过渡相万( a 】3 l j ) 一平衡相万( a 】l i ) ， 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表l 一6铝锂合金中主要析出相的构造和形态 晶格常数( n m ) 析出相结晶构造析出形态 b o4 0 1 占( a l ，l 1 ) l 1 2 型 共格不定型一球形 04 0 3 8 a ( a l ，z r ) l 1 2 型 04 0 5 共格，球形一棒状 04 0 4 部分共格晶癣面川0 0 ) 。， 曰7 ( a 1 ，c u )正方晶 05 8 o4 0 8 板条状 0 0 7 】， 10 0j 亚 晶癣面，1 1 1 1 】。t 稳一 pc 2 m o 型斜方晶02 8 7 6 o8 604 0 6 ( 0 1 0 ) 。，( 1 1 0 ) 。，板条状 相 扳状 一 正方晶晶癖面 1 0 0 j 。，板状 s ( a l2 c u m g )斜方晶 o4 0 4o9 2 507 18 1 0 0 ， 1 0 0 。， 0 1 0 】；， 0 2 仇， 针状一扳状 占( a i l i ) n a t l ( b 3 2 ) 型 06 3 8块状 口( a 1 3 z r )d 0 2 3 型 04 3 15l6 9 3 稳 t l ( a l ，c u l i ) 六方型 04 9 709 3 5 ( 1 12 0 ) ( 21 1 ) 。 定 ( o 0 0 1 ) 。( 1 11 ) 。，( 1 0l o ) t 板条状 相 1 0 0 】， 1l o 】。， o o 仉 0 0 1 。 t b ( a l j5 c ”j l l )c a f z 型 o5 3 8 板条状 t 2 ( a 1 6 c u l i 3 ) 六方型 l3 9 1 4 块状 t ( a 1 2 m g l i )六方型 20 2 棒状 p 、一 刮 州 o l l 含量( w t ) 图1 一】 aj l i 二元合金相图 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 占7 相是a l l i 二元合金中的主要强化相，它具有有序的l i ， ( c “3 a u ) 超点阵结构，与基体错配度非常小，其错配度随成分配 比不同和热处理温度变化在00 2 5 至0 3 3 之间变化8 “。由于 与基体错配度小，故占7 相析出动力大，再加上占相的表面能也很小 ( 口= o0 1 4 j m 2 ) ”1 ，且l i 与空位结合能较高13 1 等因素，使占7 相 易于形成，从过饱和固溶体中析出非常快，即使液体急冷也不能抑 制j7 相的形成。 时效初期的6 相析出形状不规则，随时效时间延长而逐渐成为 球形，并且不断粗化，其粗化速率遵从l i f s h ic z w a g n e r 动力学规 则：i r ) 【j4 1 ( 其中，为粒子半径，r 为时效时间) 。67 相粒子的粗 化与下列因素有关：a l 基体一占7 界面能：l i 在a l 中的扩散 系数d l i 在a l 中的平衡固溶度 1 6 】。 a 1 l i 二元合金主要靠占7 相析出产生的时效强化。而与基体完 全共格的j 相容易产生共面滑移，使位错在该滑移面与晶界的交叉 处堆积，从而引起应力集中，诱发裂纹萌生并使得裂纹沿晶界或滑 移面迅速扩展，引起脆性断裂，导致a l 。l i 合金韧性下降7 “”。 影响a 1 一l i 二元合金强韧性的因素还包括晶界不均匀析出粗大 的平衡相万及晶界存在的无析出带( p f z ) 。大的平衡相在晶界析 出，本身不仅对合金的变形和断裂行为产生不利影响，而且将导致 晶界附近l i 原子的贫乏，从而沿晶界形成无析出带( p f z ) 。而无 脱溶带的强度低于晶内，因此合金受力产生塑性变形时将优先在沿 晶界的无沉淀带发生断裂2 0 。”，从而导致a 1 l i 合金的强韧性下 降。 i 2 2a 1 一l i z r 系合金 此系合金中除了析出6 相、占相外，还析出一种与占7 相同为 l 1 2 型结构的亚稳相7 ( a 13 z r ) ，呈球形，与基体完全或部分共格， 它与基体的错配度约为o 3 o 6 2 ”，在双束条件下会出现典型的 共格应变衬度呈半边豆瓣状。口7 相能阻碍亚晶界迁移和合并，抑 制再结晶和晶粒长大，细化晶粒【2 “。同时，有研究表明，d7 相能 优先在口7 相界面上形核长大，形成以卢7 相为核心，占7 相包在周围 的复合结构相 ，这种7 67 复合相的中心硬度较高，合金变形时， 位错不容易切过，因而可有效地抑制局部平面滑移，改善合金塑性。 另有研究表明口7 相能影响67 相析出过程的动力学，加快万7 相的生 中南火学硕士学位论文 第一章文献综述 相的析出特征，使占相分布更为均匀。由于相相当稳定，高温时 ( 5 0 0 ) 仍能使合金保持细晶状态，为材料超塑性的发展提供了有 利条件。但是，zr 的含量不宜过高，否则将使品界出现含zr 的粗 大析出物，破坏晶界性能，并增大合金密度，所以a l l i 合金中z r 含量般为o 卜o2 w t 。 1 2 3a 1 l i c u 系合金 c u 在铝中的最大固溶度为56 5 w t 。由于c u 与l i 结合形成析 出相，从而改变了二元a i l i 合金的析出顺序，析出顺序与含铜量 有关，在很大程度上取决于c u l i 比1 2 引。a 1 l i c u 合金析出过程见 表1 7 。 表1 7a 1 一l i c u 合金的析出过程 c u 含量 ( w t ) 析出过程主要强化相 5 过饱和固溶体( ；三芋j j 烈m 2 c 曲 gp 区，曰，占 过饱和固溶体一g p 区+ 6 一t 1 + 6 2 5 g | d 区，t l ，占 一t l 2 过饱和固溶体僻：j 占 占，t 1 s a i n f or d 指出【”，a l l i 合金中加c u 有两方面的作用：一是导 致j 相层错能升高，从而有利于位错从切过机制转变为绕过机制； 二是能促进t 1 相及臼7 相析出，提高合金强度。t l 相是在f 1 1 1 ) 基体 晶面上形成的六角形板条相。t 1 相可在a 2 位错分解而成的 a ，6 肖克莱不全位错上形核长大，或者在基体与gp 区的界 面上形核长大( 取决于过饱和固溶度的大小) 。t l 相具有很强的强 化效果，不易被位错切过，从而提高a 1 l i 合金的强度f 27 。p 相 有定的强化作用，但过时效时，由于l i 原子的溶入，会转化成 t 2 ( a l6 c u l i 3 ) 、t b ( a l75 c u 4 l i ) 等晶间平衡相，导致合金强度下 降i 3 0 1 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 对中高铜合金，强化主要是由于gp 区和占相的联合析出和 时效后期的t l 相析出。低铜合金由于t l 相析出的体积百分数减少 及gp 区缺乏的原因，时效峰值强度不如高铜合金高。在低铜合 金中，还存在着t 2 相在晶界形核长大，增加了显微孔洞的形成， 从而加强了亚晶间断裂过程。 1 2 4a l l i m g 系合金 m g 在a l 中有较大的固溶度( 1 49 ，4 5 1 ) ，能产生固溶强 化。它可降低合金密度，但同时也降低了弹性模量，故对比刚度没 有影响。a l ，l i m g 系合金的析出过程为： 过饱和固溶体( ；，：；( a l ，m g l i ) m g 的加入使a l l i 合金溶解度曲线上移，降低了l i 在基体中 的固溶度，从而在时效初期阶段促进了j7 共格强化相的析出，增加 了6 相的体积分数，增加了锂的沉淀强化作用。有研究表明，每加 入1 w t 的m g ，能使合金的强度提高约5 0 m p a 【”i 。m g 能促进t 相 析出，抑制占相析出。t 相是一种棒状平衡相，与基体不共格，一 般是过时效的产物，也可在淬火后的人工时效过程中于晶界或亚晶 界上非均匀形核。m g 含量越高，越易在晶界处析出t 相，同时， 由于t 相析出消耗了l i ，导致晶界附近出现无脱溶带p f z ，从而降 低了合金的强韧性。 1 2 5a l l i c u m g zr 系合金 a i l i c u m g z r 系合金的析出过程比较复杂，不同的c u 、m g 含量都会影响时效的析出过程。但该系合金的沉淀析出以及析出相 大致可以认为是相当于a i l i c u 、a l l i zr 、a 1 c u m g 系合金的混 合析出。时效过程中可能出现的析出物有：占、口、t 1 、t 2 、s 、 s 、6 相等。 m g 和c u 的同时加入，促进了针状的亚稳相s ( a l2 c u m g ) 的 形成。细小的、均匀分布的s 相与t 1 相一样难以被位错切过，从 而能有效地分散滑移，促进变形均匀进行而提高合金的强度和塑性。 另外，s7 相在晶界附近析出能减窄或消除p f z 【”】。s 相和t 1 相都 易在位错等缺陷处优先形核长大，因此，时效前的预变形对该系合 金的性能有比较大的影响。因为预变形能引入大量的位错从而促进 t l 、s 相的均匀析出。同时，有人发现预变形不仅能减少晶间沉淀 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的数量，还能减小晶间沉淀物的尺寸2 ”。t os t e n 等人研究表明，不 进行预变形，则有利于晶界沉淀和p f z 的形成，从而导致晶界处应 力集中，裂纹沿粗大的品界析出物形成而导致开裂。这说明，在 a 1 、l i c u m g zr 系合金中，时效前的预变形是优化合金性能的重要 手段。 采用通常的热处理制度，占相在固溶处理后即开始出现，在时 效过程中万7 相的体积分数增加，同时出现占7 复合相：随时效时间 的延长，s 相、t 1 相在位错缺陷处平行析出。 1 2 6a 1 l i c u m g a g z r 系合金 在铝锂合金中加入微量银的研究始于八十年代。p o l m e a r 等人i ” 通过在a 1 4o c u o3 m g o4 a g 合金中加入不同含量的l i 研究l i 对 该合金的影响，结果表明：当l i 的含量为1 时，2 0 0 时效可使其 峰值强度由不含l i 的143dpn 提高到19 5dpn 。但继续增加 l i 的含量，其峰值硬度反而下降。借鉴了p o l m e a r 等人的研究成果， 美国的m a r t i nm a r i e t t a 实验室在p i c k e ns 博士的领导下成功地开发 了以a 1 l i c u 合金为基础的新型a 1 一l i 合金一一w e l d a l i t e ”1 0 4 9 合 金，并申请了专利“。 0 4 9 合金的c u 成分与2 2 19 合金相近，但由于微量m g 和a g 的共同加入促进了多种沉淀相特别是tl 相的细小弥散析出，从而 大大提高了合金的时效强度。g a v l e 等人f ”】指出，0 4 9 合金以多种