Zr对铸造高强铝合金组织和性能的影响_图文

1、 Al-Zn-Mg-Cu 系高强铝合金,因密度小、比强度高等特点被广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业1,主要用作大承载的结构材料。当向其中添加Mn 、Cr 、Ti 等后,能获得一定的组织强化效果。1956年,苏联学者Frindlyander 首次在铝合金中添加Zr 替代Mn 和Cr 2,此后Zr 作为有细化铝合金组织、提高热稳定性等多种效果的微量元素,在铝合金中得到广泛应用3-6。本文中,讨论了添加Zr 对铸造Al-Zn-Mg-Cu 合金的均匀化态、挤压态以及T6态显微组织及力学性能等方面的影响。1试验材料和方法为避免研究中杂质如Fe 、Si 等产生不良影响,合金配制采用高纯Al 、高纯Z

2、n 、高纯Mg 以及中间合金Al-50Cu 、Al-4.85Zr ,在中频感应加热炉中熔炼。先将纯铝锭和Al-50Cu 、Al-4.85Zr 中间合金随炉升温到800,待熔化后依次添加高纯Zn 、高纯Mg ,待完全熔化后保温一定时间,用熔剂(30%NaCl+47%KCl+23%冰晶石进行覆盖造渣,并用六氯乙烷(C 2Cl 6除气。配得IM1、IM2合金,合金成分见表1。浇注采用预热温度130的铁型,浇注温度750,空冷,锭坯规格为150mm 500mm ,锭坯经45024h 均匀化后,进行热挤压为4mm 120mm 的板材,挤压温度为450,挤压速度0.170.23m/min ,挤压比36。固

3、溶处理采用盐浴,温度为460,采用电位差计测量炉温,温度波动2,保温60min ,室温水淬,淬火转移时间5s 。淬火后在时效炉中120,保温24h ,空冷。拉伸力学性能试验在CSS-44100型万能电子拉伸机上进行,样品尺寸符合GB/T228-1987规范,拉伸速度2mm/min 。对典型状态样品进行金相、SEM 扫描电镜分析和Al -余量表1IM1、IM2合金成分Table 1Chemical composition of IM1and IM2alloy w B /%IM1IM2Zn 8.28.2Mg 2.32.3Cu 2.32.3Zr -0.8Fe 0.20.2Si 0.10.1周娟1,肖

4、于德1,马瑞2(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083,2.贵州大学材料科学与冶金工程学院,贵州贵阳550003摘要:采用金相、扫描电镜、透射电镜观察和力学性能测试,研究了添加Zr 对铸造Al-Zn-Mg-Cu 合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明,增加Zr 含量可明显细化铸造高强铝合金组织,抑制合金在变形及热处理过程中的再结晶,促进基体中析出均匀弥散第二相粒子,提高合金的综合性能。关键词:Al-Zn-Mg-Cu 合金;组织和性能;Zr 中图分类号:TG146.2文献标识码:A文章编号:1001-4977(200903-0266-04ZHOU Juan 1,XIAO Yu-d

5、e 1,MA Rui 2(1.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China;2.College of Materials Science and Metallurgy Engineering College,GuizhouUniversity,Guiyang 550003,Guizhou,China Abstract :The tensile test,OM (optical microscopy ,SEM (scanning electron m

6、icroscopy and TEM (transmission electron microscopy were employed to research the effect of Zr on the microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy.The results show that the addition of Zr could refine the as-annealed microstructure of alloy and inhibit the recrystallization during d

7、eformation progress and heat treatment.It also promotes the segregation of uniform dispersoids in the -Al.The combined properties of alloy are obviously increased.Key words :Al-Zn-Mg-Cu alloy;microstructures and mechanical properties;zirconium Zr 对铸造高强铝合金组织和性能的影响Effect of Zirconium on Microstructure

8、s and Mechanical Propertiesof High Strength Aluminum Alloy基金项目:国防科工委军工科研项目(MKPT-05-002。收稿日期:2008-09-11收到初稿,2008-11-10收到修订稿。作者简介:周娟(1982-,女,湖南湘乡人,博士研究生,主要从事铝合金、铁合金热处理工艺研究。E-mai :angelazhou0290 通讯作者:肖于德,教授,电话:0731-*,E-mail :xiaoyudeMar.2009Vol.58No.3铸造FOUNDRY266TEM 透射电镜分析。金相试样研磨抛光后用Keller 试剂腐蚀,在Polyva

9、r-MET 金相显微镜上观察。在KYKY-Amray2800和Sirion2000扫描电镜上进行合金微观组织和拉伸断口形貌观察。透射电镜试样首先用水磨金相砂纸预磨至100m 左右,然后用双喷减薄制备成薄膜样品,在Tecnai G220TEM 透射电镜上观察。2试验结果与讨论2.1显微组织用光学金相显微镜对IM1、IM2合金微观组织进行观察,制备过程中金相组织如图1所示。由图可见,经均匀化处理后,IM1合金呈粗大枝晶网状组织(图1a ,晶内呈深灰色,有析出相MgZn 2和蚀坑7,晶界呈黑色,有大量粗大平衡相Al 2CuMg 析出8。与IM1合金比,IM2合金枝晶尺寸较小(图1b ,晶内第二相细小

10、质点明显增多,晶界析出相分布均匀,尺寸减小。图2为IM2合金均匀化处理后的X 射线衍射图谱。可看出,经均匀化处理后合金组织主要由-Al 基体、MgZn 2、Al 2CuMg 等相组成。由于Zr 含量较低,不在XRD 精度分析范围内,在衍射图谱上显示不出来。图1IM1、IM2合金制备过程中金相照片Fig.1Microstructures of IM1and IM2alloy at different state50m50m50m(a IM1合金均匀化(b IM2合金均匀化(c IM1合金挤压态50m50m50m(d IM2合金挤压态(e IM1合金固溶处理态(f IM2合金固溶处理态经热挤压后由

11、图1c 、图1d 可见,合金晶粒均被拉长呈纤维状,晶界上偏聚大块的Al 2CuMg 相破碎成小块状,沿挤压方向排列。经EDS 分析发现,IM1合金中块状相为Al 2CuMg 和Al 5Mg (图3a 中A 、B ,而IM2合金中的细小块状相除了Al 2CuMg 和Al 2Cu 相外(图3b 中A ,B ,还有不规则状富Zr 粒子(图3b 中C 。通过460/1h 固溶处理后,IM1合金晶粒明显长大,有再结晶倾向,同时还有部分粗大相存在(图1e 。而IM2合金保留了挤压态组织特征,晶粒细小,无再结晶晶粒出现,大部分第二相溶解,未溶相沿变形方向排列,颗粒间不连续(图1f 。这是因为添加Zr 能抑制

12、再结晶,保持合金高温稳定性。Zr 作为微量元素加到铝合金中,对合金显微组织的影响主要有以下几个方面。(1合金冷却凝固后进行均匀化处理时,Zr 与合图2IM2合金均匀化处理态XRD 图谱Fig.2X-ray diffraction pattern of the as-annealed IM2alloy图3IM1、IM2合金挤压态EDS 分析Fig.3EDS analysis of the as-extruded IM1and IM2alloys(a IM1合金(b IM2合金铸造周娟等:Zr 对铸造高强铝合金组织和性能的影响267金基体作用,在合金中析出大量细小弥散的Al3Zr颗粒。Al3Zr粒

13、子作为基体的异质形核核心,在结晶过程中,对晶粒有一定细化作用(图1a、图1b,同时Al3Zr相对晶粒边界也有钉扎作用,阻止晶粒在处理过程中长大。有人9认为,Zr对合金晶粒细化作用机理可从以下两方面进行讨论。一方面,合金熔体中存在一些原子排列规则的群聚态的原子团。这些原子团会根据系统能量的变迁而形成、减小或消失。若熔体中有过渡元素,这些原子团会与之发生作用。过渡金属的细化作用取决于原子结构,其d层电子未填满,有很大的获得电子的能力,与铝有较强的亲和力。另外过渡金属形成的原子参与的原子集团比纯铝原子集团稳定,容易长大成为结晶核心。由于Zr原子的d电子层未填满,获得电子的能力大,这些原子群在一定温度

14、和浓度下达到临界值,成为晶核,减少了形核功。Zr的添加量越多,形成的稳定原子群数目也增多,从而在一定温度下的临界晶核数目增多,促进合金凝固形核,晶粒细化。另一方面,由于合金中Cu、Mg 等与Zr无明显反应,Zr对合金的作用可简化为二元相图来分析。在Al-Zr二元相图中,铝端的包晶反应为:L(液+Al3Zr(Al,液体含0.11%Zr,反应温度为933.5K。Al3Zr初生相转变成(Al,随Al3Zr粒子增多,熔体中的形核核心增加,从而提高形核率,细化合金晶粒。(2合金挤压变形时,Al3Zr颗粒抑制合金的动态回复,使合金的亚晶粒细小(图1c、图1d。随Zr含量增加,各析出相析出密度增大,尺寸更细

15、小。在挤压过程中,由于温度较高,合金中会析出大量平衡相,形成粗大相。而且合金组织通常具有遗传性,有人10-11认为,在铸造过程中,从晶界到晶粒中心Zr存在偏析;在最靠近晶界处,由于Zr含量低于固溶极限,没有弥散物析出;在晶界和晶粒中心之间,Zr含量存在一转变区,形成少量粗大弥散颗粒;晶粒中心Zr含量最高,形成细小、均匀形核的弥散颗粒。(3固溶淬火状态下(图1e、图1f,细小弥散的Al3Zr颗粒抑制合金再结晶形核和长大,使合金的再结晶程度降低。根据再结晶形核机制,相邻亚晶粒边界上的位错通过滑移或攀移,导致中间亚晶界消失,使多个亚晶粒合并成为一个大的亚晶粒,大的亚晶粒边界可吸收更多位错,逐渐转化为

16、大角度晶界,并最终成为再结晶核心。而弥散的Al3Zr质点尺寸小,密集度很高,对位错和晶界具有很强钉扎作用,可稳定变形组织的亚结构,阻碍加热时位错重新排列成亚晶界及随后发展成大角度晶界的过程,从而阻碍再结晶形核。在再结晶核心形成后长大的过程中,Al3Zr质点又能阻碍大角度晶界的迁移而抑制再结晶核心长大,使再结晶过程受阻,从而细化合金再结晶晶粒12-13。2.2力学性能由图4可看出,由于添加Zr,相同状态下IM2合金硬度高于IM1合金,且IM2合金时效硬化峰出现滞后,延缓了时效硬化进程。根据时效硬化曲线,IM1、IM2合金经固溶处理、T6处理后所得试样力学性能见表2。从表2可知,IM2合金的整体性

17、能优于IM1合金。IM2合金的抗拉强度在固溶处理状态比IM1合金高13MPa,伸长率高1.4%,而在T6峰值时效态抗拉强度则高6MPa,伸长率高2.7%。据有人4分析,Zr能够细化合金铸态组织,反应生成的Al3Zr相弥散分布在晶内与晶界处(图5b、图5c。Al3Zr颗粒硬度高,密度大,它的存在对合金基体有一定强化作用。Al3Zr颗粒还对位错、晶界等晶体缺陷有钉扎作用(图5a,使含Zr量多的合金位错密度增加,运动位错彼此相遇并发生各种交互作用,因而阻碍位错继续运动,合金的形变强化效果增强,再加上细化组织所产生的细晶强化作用,提高了材料的抗拉强度以及屈服强度。图6为IM1和IM2合金的固溶处理态与

18、T6时效态拉伸断口SEM照片。肉眼观察两种合金的拉伸试样的断口,发现断口均呈45倾角。通过扫描电镜观察发现,试样断口分层较明显,层与层间有较大的条状孔洞,这是合金中的粗大不溶相或难溶相所导致。在IM1合金固溶处理态断口(图6a中可清晰地看到许多发亮的曲折小面,韧窝形态显著,数量不多;而IM2合金的固溶处理态断口(图6c则暗淡发灰,韧窝形态较细小,数量较多。IM1合金的T6时效态处理断口(图6b中可见许多冰糖块相,并有许多较大孔洞,而IM2合金的时效处理态断口(图6d中的冰糖状形貌较少,韧窝表2IM1、IM2合金固溶、T6处理状态力学性能Table2Mechanical properties o

19、f IM1and IM2alloyat solution and T6state伸长率/%9.87.311.210.0合金IM1IM2热处理制度4601h460/1h+12024h4601h4601h+12028h抗拉强度/MPa512606525612屈服强度/MPa435515446520图4IM1、IM2合金时效硬度曲线Fig.4Aging hardness curve of the IM1and IM2alloy within0-48hFOUNDRYMar.2009 Vol.58No.3268数量增多,韧窝边缘撕裂棱明显,部分韧窝底部可见第二相粒子。铝合金在淬火冷却到室温后,基体是溶质

20、与空位同时过饱和的固溶体,随后的时效过程是沉淀相析出的过程,而时效过程中沉淀相析出的快慢是由合金的动力学条件所决定的。因为合金元素的原子是靠空位的移动来完成扩散聚集的,因此合金中空位的多少将决定沉淀相的大小及分布。在Al-Zn-Mg-Cu 系合金中,Mg 、Zn 与空位结合形成元素-空位复合体,时效过程中这种复合体的扩散比元素原子的单独扩散要快得多。Zr 的加入,一方面由于Zr 与空位结合能低14,使淬火后合金的空位浓度降低和时效时的空位迁移率降低,降低了Mg 、Zn 原子的扩散速度,抑制了MgZn 2相在基体中的析出或延缓MgZn 2相的生长,宏观表现为时效硬化过程滞后,从而有效地抑制局部平

21、面滑移,改善合金塑性;另一方面能减少其它溶质原子与空位的结合,溶质原子一直向晶界扩散,从而抑制粗大平衡相T (Al 2CuMg 的析出,减少T 相所形成的粗大质点引起的合金脆性。也改善了合金塑性。3结论(1添加Zr ,可细化Al-Zn-Mg-Cu 合金晶粒,并细化晶界粗大组织,析出弥散第二相粒子。(2在固溶处理过程中,Zr 能抑制Al-Zn-Mg-Cu 合金再结晶,细化组织。(3在时效硬化过程中,Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金时效硬化峰值滞后,但峰值较Al-Zn-Mg-Cu 合金高。(4Zr 可与基体作用生成Al 3Zr 粒子,细晶作用及对晶界的钉扎作用使Al-Zn-Mg-Cu 合金抗拉强

22、度、屈服强度和伸长率均有提高。参考文献:1张坤.合金元素和热处理制度对高Zn 超高强铝合金微观组织和力学性能的影响D.长沙:中南大学,2003.2Frindelyander I N (Translated by YAO Yizhong .Wrought Structural Aluminum Alloys M.Chongqing :Scientific and Technology Literature Publishing House ,1989.3杨守杰,谢优华,陆政,等.Zr 对超高强铝合金时效过程的影响J.中国有色金属学报,2002,12(2:226-230.4孙立明,于化顺,闵光辉,

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