热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响 - 图文-

1、热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响曾渝1,尹志民1,朱远志1,潘青林1,崔建忠2(1.中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;2.东北大学冶金与材料学院,辽宁沈阳110015摘要:通过硬度、拉伸性能测试,金相、扫描电镜、透射电镜观察,X射线衍射分析,研究了热处理工艺对新型电磁铸造合金(Al2 9.0Zn22.52.8Mg22.02.4Cu20.10.15Z r20.224Ag显微组织和性能的影响。结果表明:合金的峰时效制度为120/24h。在峰时效条件下,合金的抗拉强度达到730MPa,屈服强度达到705MPa,延伸率为8.8%。合金有显著的时效硬化特性,其强化机制主要是沉淀强

2、化,合金的主要强化相为G P区和过渡相。合金的断裂形式为微孔聚集型韧性断裂。关键词:超高强铝合金;热处理;显微组织;力学性能中图分类号:TG146.2文献标识码:A文章编号:0253-6099(200403-0067-03The E ffect of H eat T reatment on Microstructure and MechanicalProperties of U ltra H igh Strength Aluminum AlloyZE NG Y u1,YI N Zhi2min1,ZH U Y uan2zhi1,PAN Qing2lin1,C UI Jian2zhong2(1.C

3、ollege o f Materials Science and Engineering,Central South Univer sity,Changsha410083,Hunan,China;2.College o f Metallurgy and Material,Northeastern Univer sity,Shenyang110015,Liaoning,ChinaAbstract:An Al29.0Zn22.52.8Mg22.02.4Cu20.10.15Zr20.20.25Ag Ultra high strength aluminum alloy was pre2 pared b

4、y low frequency electric2magnetic casting process,The microstructure and mechanical properties of the alloy under dif2 ferent treatment conditions was investigated by tensile properties and hardness test,SE M,TE M observations and XRD analy2 sis.The results show that the peak aging occurred at120for

5、24h.Under the peak2ageing condition,the tensile strength, yield strength and elongation of the studied alloy was730MPa,705MPa and8.8%,respectively.The main strengthening mechanism of the alloy was precipitation hardening and the strengthening phase was G P zone and(MgZn2.K ey w ords:ultra high stren

6、gth aluminum alloy;heat treatment;microstructure;tensile properties7XXX系铝合金具有高强度、低密度、热加工性能好等优点,是航空航天领域的主要结构材料。现代航空航天工业的不断发展,要求高强铝合金具有更高的强度、断裂韧性及抗应力腐蚀性能1。近年来,材料工作者通过优化合金的成分设计,采用新型的制坯方法23、成形加工及热处理工艺46,研制开发出多种使用性能更好的超高强铝合金,这些材料既具有600 MPa以上的抗拉强度,又能保持较高的韧性和耐腐蚀性,且成本较低,成为目前军用和民用飞机等交通运输工具中重要的轻质结构材料,超高强铝合金正成

7、为世界各国结构材料开发的热点。本文采用硬度、拉伸性能测试,金相、扫描电镜观察,X射线衍射分析等方法,研究了热处理工艺对一种低频电磁铸造高合金化超高强铝合金微观组织与性能的影响,以期为国内超高强铝合金的研究提供参考。1材料及实验方法研究用合金铸锭采用低频电磁半连续铸造法制备,合金成分(质量分数为Al29.0Zn22.52.8Mg22.0 2.4Cu20.10.15Zr20.2Ag。铸锭经两级均匀化处理后在800t卧式挤压机上热挤压成直径为12mm的棒材。挤压棒材经固溶处理,室温水淬后在120进行单级时效,时效时间为080h。拉伸力学性能实验在CSS-44100型万能电子拉伸机上进行,拉伸速度为2

8、mm/min。在PO LY VAR-MET金相显微镜上进行了金相组织观察。透射电镜观察在H-800型透镜上进行。电镜薄膜样品采用双喷电解减薄,电解液为30%硝酸+70%甲醇溶液,双喷电压为1215V,电流7090mA,温度控制在-20以下。在AM ARY KYKY-2800扫描电镜上进行了第24卷第3期2004年06月矿冶工程MINING AN D META LLURGICA L ENGINEERINGV ol.243June2004收稿日期:2003209226基金项目:国家“863”高技术研究项目(2001AA332030作者简介:曾渝(1971-,男,湖南新化人,博士研究生,研究方向为高

9、性能铝合金。断口观察与分析。X 射线衍射物相分析在BD 286X 射线衍射仪上进行。2实验结果与讨论2.1合金铸态和均匀化处理态的显微组织图1(a 为合金铸态组织,主要由树枝状铝基固溶体和枝晶间的非平衡共晶组织组成,晶粒尺寸为3060m 。能谱分析结果表明,共晶相为a +T (AlZn 2MgCu 。图1(b ,图1(c 是合金经二级均匀化处理后的显微组织分析结果。由图1(a 可看出,经过二级均匀化处理后,枝晶偏析基本消除,晶界的低熔点共晶组织大部分溶解。由于冷却方式为炉冷,冷速较慢,高温均匀化处理过程中溶入Al 基体中的溶质重新析出,形成了大量的针状、片状金属间化合物(图1(b 。能谱分析结

10、果(见图1(c 表明,这些析出物大多为富Cu ,Zn 相,针状相中含有一定量的Ag 。图1合金铸态和均匀化处理态显微组织(a 铸态金相组织;(b 均匀化处理态金相组织;(c 均匀化处理态能谱分析2. 2合金挤压态的显微组织合金挤压态的金相组织及扫描电镜观察结果见图2。图2(a 表明,挤压态组织为纤维状未再结晶组织,图中还能观察到由未溶相变形而成的带状组织。样品横向的SE M 观察及能谱分析(图2(b 表明,此时基体中分布着大量的第二相,直径在5m 左右,为AlZn 2MgCuAg 或AlZnMgCuFe 相,与前人的观察结果一致7。XRD 物相分析结果见图3,分析结果表明,挤压态组织由(Al

11、、MgZn 2相及T (AlZnMgCu 相组成。2.3固溶处理对合金组织与性能的影响固溶温度选择的原则是在不引起组织过烧的情况图2挤压态合金显微组织(a 金相组织;(b SE M 观察;(c 图(b 中B (点能谱分析图3挤压态合金XRD 分析下, 尽可能选择高的淬火温度,以提高固溶体的过饱和程度,时效后提高合金强度8。在预研工作的基础上,固溶处理时,将时效工艺固定为120/24h ,固溶温度为440490。固溶时间取1h ,不同固溶处理温度对合金拉伸性能的影响见图4,固溶态合金的显微组织见图5。可以看出,在460470进行固溶处理并再时效后合金力学性能较好。金相组织观察表明,经固溶处理后,

12、合金组织发生了部分再结晶,为部分未再结晶组织。进一步的SE M 观察及能谱分析表明,固溶态组织中未溶第二相减少,但残留相中Zn 、Mg 、Cu 含量较挤压态有所增加。XRD 物相分析还表明此时合金的相组成以(Al 固溶体为主,残留有部分MgZn 2相。图4不同温度淬火并时效后合金的室温拉伸性能86矿冶工程第24卷 图5固溶态合金微观组织观察(a 金相组织;(b SE M 观察2.4时效处理态合金的显微组织和性能2.4.1硬度和力学性能合金经双级固溶处理后,在120时效条件下,硬度随时间变化曲线见图6,由图可知,研究合金在固溶态下硬度较低,时效开始阶段,合金的硬度显著升高,表明合金有显著的时效硬

13、化特性。经过24h 时效后,合金硬度达到峰值,峰值硬度值为H V210,对应的拉伸力学性能分别为抗拉强度730MPa ,屈服强度705MPa ,延伸率8.8%,合金的室温拉伸性能见表1。时效时间进一步延长,合金硬度基本不变 ,且在实验时间范围内,并未出现明显的过时效现象。表明合金中的析出强化相具有很高的稳定性,抑制了析出相的粗化。表1合金的室温拉伸性能状态b /MPa0.2/MPa /%铸态350 2挤压态48436012固溶态55241512.3时效态7307058.8图6120时效硬化曲线2.4.2显微组织时效态合金的显微组织示于图7。结果表明,T 6态合金中晶内分布着大量细小弥散的析出相

14、(图6(a ,电子衍射分析(图7(b 及暗场相观察表明,此时析出相应为相和G P 区的混合析出物,同J EG LITSCH F 等人的实验结果相吻合9。断口扫描照片见图7(c ,由图可见断面上分布着大小不一的韧窝,韧窝中可见到微米级的第二相,能谱分析发现这些相为固溶处理后残留的富Cu 、Zn 第二相,表明材料的断裂形式应为微孔聚集型韧性断裂。图7时效处理后合金的显微组织(a 、(b T 6态合金透射电子显微组织及电子衍射花样;(c T 6态合金断口形貌3结论1研究合金的峰值时效制度为120/24h 。在峰时效条件下,合金的抗拉强度达到730MPa ,屈服强度达到705MPa ,延伸率为8.8%

15、。2时效过程中,合金有显著的时效强化特性,合金的强化机理主要为沉淀强化,强化相为G P 区和(MgZn 2相。3合金的断裂形式为微孔聚集型韧性断裂。参考文献:1David A L ,Ray M H.Aluminum alloy development efforts for com pressiondominated structure of aircraftJ .Light M etal Age ,1991,2(9:11.2Lengs feld P.M icrostructure and mechanical behavior of spray deposited Znm odified 7

16、XXX series Al alloysJ .International Journal of Rapid S olidi 2fication ,1995,8(4:237.3张永安,熊柏青.Al 10Zn 2.9M g 1.7Cu 超高强铝合金的喷射成形制备研究J .稀有金属,2003,27(5:609.4W aren.Aluminum alloy product having im proved combination of propertiesP.U S Patent :5221377,1993-6-22.5R obins on J S.Retrogression reaging and

17、residual stresses in 7010forgingsJ .Fatigue Fracture Engineering M aterial S tructure ,1999,22(1:51.6W U Y i 2lei ,Froes F H.M icrostructure and properties of a new super 2high 2strength Al 2Zn 2M g 2Cu alloy C912J .M aterials and Design ,1997,18(4-6:211.7ZH ANGQing ,CUI Jian 2zhong.M icrostructure and property of CRE M 7075al