热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响

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. 5～2. 8Mg22. 0～2. 4Cu20. 1～0. 15Zr20. 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 ℃/ 24 h。在峰
固溶温度选择的原则是在不引起组织过烧的情况
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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 ℃/ 24 h ,固溶温 度为 440～490 ℃。固溶时间取 1 h ,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 460～470 ℃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 ,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 SEM 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α(Al) 固溶体为主 ,残留有部分 MgZn2 相。
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化特 性 。经过 24 h 时效后 ,合金硬度达到峰值 ,峰值硬度 值为 HV210 ,对应的拉伸力学性能分别为抗拉强度 730 MPa ,屈服强度 705 MPa ,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 。
图 4 不同温度淬火并时效后合金的室温拉伸性能
第3期
曾 渝等 : 热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响
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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 5 固溶态合金微观组织观察 (a) 金相组织 ; (b) SEM 观察
第 24 卷第 3 期 2004 年 06 月
矿 冶 工 程
MINING AND METALL URGICAL ENGINEERING
Vol . 24 №3 June 2004
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)
中图分类号 : TG146. 2
文献标识码 : A
文章编号 : 0253 - 6099 (2004) 03 - 0067 - 03
The Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical
Properties of Ultra High Strength Aluminum Alloy
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. 5～2. 8Mg22. 0 ～2. 4Cu20. 1～0. 15Zr20. 2Ag。铸锭经两级均匀化处理 后在 800 t 卧式挤压机上热挤压成直径为 12 mm 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 0～80 h 。
ZENG Yu1 , YIN Zhi2min1 , ZHU Yuan2zhi1 , PAN Qing2lin1 , CUI Jian2zhong2 (1. College of Materials Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083 , Hunan , China ; 2. College of Metallurgy and Material , Northeastern University , Shenyang 110015 , Liaoning , China) Abstract : An Al29. 0Zn22. 5～2. 8Mg22. 0～2. 4Cu20. 1～0. 15Zr20. 2～0. 25Ag Ultra high strength aluminum alloy was pre2 pared by 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 , SEM , TEM observations and XRD analy2 sis. The results show that the peak aging occurred at 120 ℃for 24 h. Under the peak2ageing condition , the tensile strength , yield strength and elongation of the studied alloy was 730 MPa , 705 MPa and 8. 8 % , respectively. The main strengthening mechanism of the alloy was precipitation hardening and the strengthening phase was GP zone andη′(MgZn2) . Key words : ultra high strength aluminum alloy ; heat treatment ; microstructure ; tensile properties
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 mm/ min 。在 POL YVAR 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 12～15 V ,电流 70～90 mA ,温度控制在 - 20 ℃以下 。在 AMARY KYKY - 2800 扫描电镜上进行了
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 30～ 60μm。能 谱 分 析 结 果 表 明 , 共 晶 相 为 a + T ( AlZn2 MgCu) 。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 2 挤压态合金显微组织 (a) 金相组织 ; (b) SEM 观察 ; (c) 图 (b) 中 B (点) 能谱分析
图 3 挤压态合金 XRD 分析
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
3) 合金的断裂形式为微孔聚集型韧性断裂 。
参考文献 :
图 6 120 ℃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 , T6 态合金中晶内分布着大量细小弥散的析 出相 (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η′相和 GP 区的混合析出物 ,同 J EGLITSCH 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
状 态
铸态 挤压态 固溶态 时效态
表 1 合金的室温拉伸性能
σb/ MPa
350 484 552 730
σ0. 2/ MPa
——— 360 415 705
δ/ %
2 12 12. 3 8. 8
图 7 时效处理后合金的显微组织 (a) 、(b) T6 态合金透射电子显微组织及电子衍射花样 ; (c) T6 态合金断口形貌
时效条件下 ,合金的抗拉强度达到 730 MPa ,屈服强度达到 705 MPa ,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
是沉淀强化 ,合金的主要强化相为 GP 区和η′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
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 SEM 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 5μm 左右 ,为 AlZn2 MgCuAg 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α(Al) 、MgZn2 相及 T(AlZnMgCu) 相组成 。 2. 3 固溶处理对合金组织与性能的影响
7XXX 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[2～3 ] 、成形加工及热处理工艺[4～6 ] ,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 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 ,研究方向为高性能铝合金 。
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矿 冶 工 程
第 24 卷
断口观察与分析 。X 射线衍射物相分析在 BD286X 射 线衍射仪上进行 。
3 结 论
1) 研究合金的峰值时效制度为 120 ℃/ 24 h 。在 峰时效条件下 ,合金的抗拉强度达到 730 MPa ,屈服强 度达到 705 MPa ,延伸率为 8. 8 %。
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 GP 区 和 η′(MgZn2) 相 。