aa门店铝合金板材的组织性能

aa门店铝合金板材的组织性能

由于织构、颗粒形状和方向差异的影响，铝合金板在45角的方向上通常具有最低的弯曲强度。但是铝合金板材屈服强度厚度方向的各向异性缺少定量的表征，一般认为板材中心厚度处具有较高的屈服强度，而表面层附近的屈服强度最低。AA7055铝合金是由美国铝业公司(Alcoa)开发的一种Al-Zn-Mg-Cu系新型超高强铝合金，通过先进热处理工艺(T77处理)，使该合金具有诸多优点，在航空航天领域具有较大的应用潜力，并已在Boeing777和A380上得到应用。目前，该合金在国内的研究还处于起步阶段。本文通过细致研究AA7055铝合金板材不同厚度层微观组织、织构的变化特征，成功地解释了该合金屈服强度在厚度方向的各向异性。1材料的力学性能和组织试验材料采用美国铝业公司提供的厚19mm的7055-T77铝合金轧制板材，其化学成分见表1。将板材沿厚度方向平均分成9层，每层厚约2mm。考虑到对称性，只对上表层到中心层（共5层）进行力学性能测试和组织观察。常温拉伸试验在Instron5500万能电子拉伸机上完成，试样标距尺寸为15mm×6mm×1.5mm。拉伸方向与板材的轧制方向平行。为了避免试样表面划痕对性能的影响，拉伸试样表面依次用320#、600#和800#金相砂纸处理。利用装配在JEOL733电子探针上的背散射电子衍射（EBSD）系统来表征板材不同厚度层的组织和织构。试样测试前经机械抛光和电解抛光。电解液为10%HCLO4+90%C2H5OH，电解温度为–30℃，电解时电压控制在30V。2试验结果2.1中心层和表层层间距图1为AA7055-T77铝合金板材不同厚度层(L1)的屈服强度与中心层(L5)屈服强度的比值曲线。从图中看出屈服强度的比值从表层到中心层依次升高。从L1到L2增加缓慢，在L3层比值出现跃变，即屈服强度比值突然上升；随后，从L3到L5比值增加又变缓慢。这表明板材的屈服强度在厚度方向上呈现梯度变化，板材表层附近的屈服强度较低，而中心层的屈服强度最高。这一现象被称为屈服强度的厚度方向的各向异性。另外，L3层(板材1/4厚度处)的屈服强度较L1和L2层有较大变化，暗示此层内部的组织结构出现较大变化。2.2晶界与组织的边界图2给出了L1、L3和L5层的晶粒结构。图中黑线表示晶界取向差角大于15°的边界，灰白线表示晶界取向差角在2°～15°之间的边界，鉴于误差，忽略了晶界取向差角小于2°的边界。从图中可以看出3层组织的差异较大。L1层(近表面层)晶粒大部分呈等轴状，随着观察区域逐渐往板材中心移动，晶粒逐渐沿轧制方向拉长。L5层(中心层)晶粒几乎与轧制方向一致。另外，还可以看出小角度晶界的含量随着离表层距离的增加而增加。这种厚度方向组织变化特征揭示了再结晶程度从板材边缘逐渐向中心减弱的趋势。2.3co东南角cup构造表2给出了各层中主要织构组分的最高强度值。从表2中可以看出中心层附近(如L4、L5层)为典型的轧制织构，取向都分布在β取向线上，其组分分别是Brass{011}<211>（35°，45°，90°）取向，S{123}<634>（61°，34°，64°）取向以及Copper{112}<111>（90°，35°，45°）取向（括弧内的是它们的3个欧拉角）。而边缘附近(如L1、L2层)为剪切型织构，尤以{001}<110>(又称CubeND)取向最强烈，其次是{112}<110>取向，其余的为Random随机取向。L3为过渡层，兼有两类织构，但是强度相对较弱。从不同层主要织构组分演变情况来看，Brass、S、Copper3个取向的最大强度从板材中心到表面逐渐减小。而且各层的轧制型织构中Bras取向的含量最大，其次是S、Copper最小。与之相反，CubeND和{112}<110>取向的最大强度从板材中心到表面逐渐增大。另外，Cube取向在各层的含量均较低。图3是L2和L3层的ODF图。从图中可直观地看出这两层的织构类型具有很大差别。3织构变化对屈服强度的影响在热处理时板材内部会发生不同程度的再结晶过程。再结晶可引起两种变化，一是可降低(亚)晶界的数目(即引起晶粒结构变化)，另一种是降低了轧制织构组分的强度(即引起织构的变化)。这两种变化可直接影响板材的屈服强度。一般认为屈服强度依赖于织构和微观组织，它可以表示成：其中∆σgb表示晶界引起的增强效应；M是泰勒因子，与织构类型和拉伸方向有关；τtot是临界分剪切应力，包括本征临界分剪切应力、固溶引起的临界分剪切应力以及位错和析出相引起的临界分剪切应力。在本研究中试验板材是经过T77处理，那么在板材厚度方向，τtot基本恒定，因此可以从晶粒结构（包括晶粒形貌和大小）和织构两个方面阐释AA7055铝合金板材厚度方向屈服强度的各向异性现象。3.1亚晶界和亚晶形貌对相转移的影响根据Marthinsen等人的研究，晶界增强效应可以用下面的公式表示：式中,G是铝的剪切模量，b是柏氏矢量，frex为再结晶分数，δ为未结晶部分的（亚晶）晶粒尺寸，D为再结晶晶粒的尺寸，α2是一常数。由于D远大于δ，因此可以将表达式进行近似处理。从图3中看出，L1层的再结晶分数显然要大于L5层，并且从L1层到L5层再结晶分数逐渐降低。一般定义晶界取向差角大于15°的边界为晶界，那么2°～15°之间的边界为亚晶界。显然，从图2中也可看出中间层亚晶粒的尺寸要小于板材边缘层，这是由于中间层的再结晶程度较低，原始的变形晶粒大部分得到保留。然后，这些变形晶粒中的高密度位错在随后的热处理中由于再结晶驱动力较小，主要发生回复过程。在回复过程中位错进行了重新排列，形成大量亚晶界。通过上述分析得出，从L1层到L5层再结晶分数和亚晶粒尺寸都是逐渐减小的。因此，根据公式(2)，从L1层到L5层晶界提供的增强效应是逐渐增大的。另外，晶粒形貌对屈服强度也有较大影响。Meyers等人认为，由于相邻晶粒对弹性响应的不同会在晶界处产生不协调应力，不协调应力的存在会导致在晶界上的总应力要高于晶内应力。因此晶界附近区域要比晶内先发生塑性变形。一般来讲当最大剪切应力的方向与晶界一致时材料呈现较低的屈服强度。通过以上组织分析可知，板材中心处晶粒沿轧制方向拉长，晶界几乎与轧制方向平行，这时当试样沿轧制方向拉伸时长生的临界分剪切应力与晶界大约呈45°，而板材边缘处呈现等轴晶组织，最大剪切应力方向容易沿晶界扩张，因此由晶粒形貌引起的屈服强度升高是板材中心要大于边缘。3.2织构组分m值的变化通常情况下用泰勒因子M来表征织构和拉伸方向对屈服强度的影响。由于试样的拉伸方向都是沿板材的轧制方向，因此只需考虑织构种类不同而引起的M变化对屈服强度带来的影响。计算泰勒因子时，人们运用了不同的理论模型。Sachs模型假设拉伸时只有一个滑移系开动，得出了M的下限值；Taylor模型假设拉伸时有5个滑移系开动，得出了M的上限值，但是对于多晶材料这两种模型均不适用。Hutchinson提出了一个自洽模型，假设平均有3.5滑移系开动，这一模型可近似应用到多晶材料。表3是3种典型模型下一些织构组分的M值，从表中可以直观的看出轧制织构组分Copper、S、Brass的M值要大于再结晶织构组分Cube、随机织构Random以及剪切织构CubeND的M值。而在织构测试结果中，中间层附近主要以轧制织构组分Copper、S、Brass为主，而在表层附近则以剪切织构CubeND和随机织构为主。那么在沿轧制方向拉伸时，具有轧制织构组分的中间层屈服强度要比具有剪切织构和随机织构的边缘层要高。同时，L2和L3层织构类型的突变是图1中L2和L3的屈服强度出现跃变的原因。4板厚方向上织构的分布1)AA7055-T77铝合金板材的屈服强度沿厚度方向呈梯度分布。从表层到中心层屈服强度逐渐升高，板材中心层的屈服强度最高，在板材1/4层厚度处屈服强度出现突变。2)晶粒形貌在板厚方向也极不均匀。在板材边缘处晶粒呈等轴状，随着观察区域逐渐往板材中心移动，晶粒逐渐沿轧制方向拉长。中心层晶粒几乎平行于轧制方向。另外，小角度晶界的含量也是中心层高于表层。