超高强铝合金的显微组织

1 Al2Zn2Mg2Cu 系合金中各元素的作用
Al2Zn2Mg2Cu 系合金为热处理可强化合金 ,起主 要强化作用的元素为 Zn 和 Mg ,Cu 也有一定强化效 果 ,但其主要作用是提高材料的抗腐蚀性能 。此外 , 合金中还有少量的 Mn 、Cr 、Zr 、Ni 、Ti 、B 等辅助元素 , Fe 和 Si 在合金中是有害杂质 。一些主要元素在 Al 中的固溶极限见表 1 。
Microstructures of ultra high strength aluminum alloys
TIAN Fu2quan , CUI Jian2zhong
( The Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials , Ministry of Education , Northeastern University , Shenyang 110006 , China)
Abstract : The study things ,in home and abroad ,about the microstructures of the series Al2Zn2Mg2Cu aluminum alloys have been comprehensively introduced and reviewed. The study has shown that :the microstructures of the Al2Zn2Mg2Cu aluminum alloys consist mainly of the MPt , GBP ,PEZ and the compounds which hinder re2crystallization (the compounds are ones of the elements of the tran2 sit groups) ,of which the first three items compose the most important three characteristics describing the unevenness of the mi2 crostructures ,the latter also appears both the unevenness in distribution and the unevenness influencing the distribution of the dislo2 cations. They have all effects on nearly all the macro2properties of the alloys. Therefore ,the main way to control these characteristics is heat2treatment ,i. e. having controlled the unevenness of the microstructures can control the properties. Key words : aluminum alloy ;ultra high strength ;microstructures ; heat treatment
2 Al2Zn2Mg2Cu 合金的强化相
Al2Zn2Mg2Cu 系合金 ( w (Al) = 90 %) 在 400 ℃和
200 ℃的等温截面如图 1 所示 。从图 1 中可以看出 , 俄 В95 合金在 400 ℃时处在α+ S 相区且 S 相很少 , 在 200 ℃时合金组织由铝基α固溶体和 S (CuMgAl2) 相 、η(MgZn2) 相以及 T(Mg3Zn3Al2) 相组成 ,在η相和 T 相内溶有一定量的 Cu 。由此可见 ,Al2Zn2Mg2Cu 系 合金的主要时效强化 (沉淀强化) 相是η相和 T 相 ,S
< 0. 3
640
0. 04
0. 02
-
566
55. 6
13. 8
< 0. 7
665
1. 3
0. 74
-
443
70
28. 8
<4
660. 5
0. 28
0. 08
-
当 w ( Zn) / w (Mg) > 2. 2 ,且 w (Cu) > w (Mg) 时 , Cu 与其他元素能产生强化相 S ( CuMgAl2) 而提高合 金的强度 ,但在与之相反的情况下 S 相存在的可能 性很小 。Cu 能降低晶界与晶内的电位差 ,还可以改 变沉淀相结构和细化晶界沉淀相 ,但对 PFZ 的宽度 影响较小 ,它可抑制沿晶开裂的趋势 ,因而改善了合 金的抗应力腐蚀性能[2 - 5] 。然而当 w (Cu) > 3 %时 , 合金的抗蚀性反而变坏 。Cu 能提高合金过饱和程 度 ,加速合金在 100 ℃～200 ℃之间人工时效过程 ,扩 大 GP 区的稳定温度范围 ,提高抗拉强度 、塑性和疲 劳强度 。此外 ,美国 F S Lin 等人研究了 Cu 的含量 对7 ×××系铝合金疲劳强度的影响 ,发现 Cu 含量 在不太高的范围内 ,随着 Cu 含量的增加合金周期应 变疲劳抗力和断裂韧性增加 ,并在腐蚀介质中降低 裂纹扩展速率 ,但 Cu 的加入有产生晶间腐蚀和点腐 蚀的倾向 。另有资料介绍 ,Cu 对断裂韧性的影响与 w ( Zn) / w (Mg) 值有关 ,当比值较小时 ,Cu 含量愈高 合金的韧性愈差 ;当比值大时 ,即使 Cu 含量较高 ,韧 性仍然很好 。
相仅是补充强化相 。
Al2Zn2Mg2Cu 系合金主要强化相时效序列析出
过程通常是[10 - 12 ] :
α过饱和 →
G. P 区和η″ → η′相
η相 →
→
固溶体
空位2溶质团
MgZn
MgZn2
T[ (AlZn) 48Mg32 ]
或 (Mg3Zn3Al2)
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表 1 各种合金元素在铝中的固溶度
温度/ ℃
最大固溶度
室温下的溶解度
质量分数/ % 摩尔分数/ % (质量分数/ %)
548
5. 65
2. 40
< 0. 1
661
0. 77
0. 40
< 0. 015
600
4. 2
16. 3
< 0. 85
450
17. 4
18. 5
< 1. 9
658
1. 82
0. 90
添加少量的过渡族元素 Mn 、Cr 、V 、Zr 等对合金 的组织和性能有明显的影响 。这些元素可在铸锭均 匀化退火时产生弥散质点 ,阻止位错及晶界的迁移 , 从而提高了再结晶温度 ,有效地阻止了晶粒的长大 , 可细化晶粒 ,并保证组织在热加工及热处理后保持 未再结晶或部分再结晶状态 ,使强度提高的同时具 有较好的抗应力腐蚀性能[2] 。在提高合金抗应力腐 蚀性能方面 ,加 Cr 比加 Mn 的效果好 ,加入 w (Cr) = 0. 45 %的比加同量的 Mn 的抗应力腐蚀开裂寿命长 几十至上百倍 。最近出现了用 Zr 代替 Cr 和 Mn 的
似于球形 ;差值超过 3 %时 ,则产生针状析出物 ;当该
值再增大时 ,则产生圆盘状析出物 。G. P 区的形状
与 Al 原子及溶质原子直径差的关系如表 2 所示 ,可
以看出 ,7 ×××系合金的 G. P 区是球形的 。一些研
究结果表明 ,当沉淀相主要由共格的 G. P 区构成时 ,
合金才有可能获得最高强度 ,但这种组织的合金产 生很强的 SCC 敏感性 。因为该系合金的 G. P 区与η″
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5 %[1] ,有很强的时效强化效果 , Zn 和 Mg 含量的提 高可使强度 、硬度大大提高 ,但会使塑性 、抗应力腐 蚀性能和断裂韧性降低 。
元素
Cu Cr Li Mg Mn Ni Ag Ti Zn Zr
趋势[6 - 8] ,Zr 可大大提高合金的再结晶温度 ,无论是 热变形还是冷变形 ,在热处理后均可得到未再结晶 组织[2] ,Zr 还可提高合金的淬透性 、可焊性 、断裂韧 性 、抗应力腐蚀性能等 ,是 Al2Zn2Mg2Cu 系合金中很 有发展前途的辅助元素 。
Fe 和 Si 在 7 ×××系合金中是不可避免存在的 有害杂质 ,主要来自原材料以及熔炼 、铸造中使用的 工具和设备 。这些杂质主要以硬而脆的 FeAl3 和游 离的 Si 形 式 存 在 , 并 与 Mn 、Cr 形 成 ( FeMn) Al6 、 (FeMn) Si2Al5 、Al ( FeMnCr) 等粗大化合物 。FeAl3 有细 化晶粒的作用 ,但对抗蚀性影响较大 。随着不溶相 含量的增加 ,不溶相的体积百分数也在增加[9] 。这 些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长 ,出现带状 组织 ,粒子沿变形方向呈直线状排列 ,由短的互不相 连的条状组成 。由于杂质颗粒分布在晶粒内部或者 晶界上 ,在塑性变形时 ,在部分颗粒2基体边界上发 生孔隙 ,产生微细裂纹 ,成为宏观裂纹的发源地 ,同 时它也促使裂纹的过早发展 。此外 ,它对疲劳裂纹 的成长速度有较大的影响 ,它具有一定的减少局部 塑性的作用 ,这可能是由于杂质数量增加使颗粒之 间距离缩短 ,从而减少裂纹尖端周围塑性变形流动 性[9] 。因为含 Fe 、Si 的相在室温下很难溶解 ,起到缺 口作用 ,容易成为裂纹的起源而使材料发生断裂 ,对 伸长率 , 特别对合金的断裂韧性有非常不利的影 响[2 ,7 ,9] 。因此 ,新型合金在设计及生产时 ,对 Fe 、Si 含量的控制较严 ,除采用高纯金属原料外 ,在熔铸过 程中也采取一些措施 ,避免这两种元素混入合金中 。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
超高强铝合金主要是指 Al2Zn2Mg2Cu (7 ×××) 系铝合金 ,由于它具有高的比强度和硬度 、易于加 工 、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点 ,使之广 泛应用于航空航天领域 ,并成为这个领域中重要的 结构材料之一 。
超高强铝合金的开发和发展主要围绕提高材料 的强度 、塑性 、韧性 、耐蚀性以及疲劳性能等综合性 能来开展研究 ,而合金的性能又是由其组织决定的 , 因此必须研究该系合金在各种状态下的显微组织及 其对性能的影响 ,并深入研究组织调控技术 。本文 综述了国内外关于 Al2Zn2Mg2Cu 系铝合金显微组织 的研究情况 。
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图 1 Al2Zn2Mg2Cu 系合金( 90 %Al) 在 400 ℃和 200 ℃的等温截面图
G. P 区是时效程度较轻时的产物 , G. P 区在不
同的合金中形状是不一样的 ,它取决于 Al 原子和溶
质原子的直径差 ,差值小于 3 %时 ,则析出物形状近
Zn 和 Mg 是主要强化元素 ,它们共同存在时会 形成η(MgZn2) 和 T(Al2Mg2Zn3) 相 。η相和 T 相在 Al 中溶解度很大 ,且随温度升降剧烈变化 ,MgZn2 在共 晶温度下的溶解度达 28 % ,在室温下降低到 4 %～
收稿日期 :2005 - 11 - 01 第一作者简介 :田福泉 (1966 - ) ,男 ,辽宁抚顺人 ,高级工程师 。
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2006 , Vol . 34 , №2
超高强铝合金的显微组织
田福泉 ,崔建忠
(东北大学 EPM 重点实验室 ,辽宁沈阳 110006)
摘要 :全面地介绍和评述国内外关于 Al2Zn2Mg2Cu 系铝合金显微组织的研究状况 。Al2Zn2Mg2Cu 合金的显微组织主要 由基体析出相 (MPt) 、晶间析出相 ( GBP) 、晶界无析出带 (PFZ) 和抑制再结晶化合物 (过渡族元素化合物) 组成 ,它们几 乎影响着合金的所有宏观性能 。因此 ,控制了显微组织中的基体析出相 、晶间析出相 、晶界无析出带和抑制再结晶 化合物的大小 、分布及均匀性就控制了性能 ,而实现控制的主要途径是热处理 。 关键词 :铝合金 ;超高强 ;显微组织 ;热处理 中图分类号 :TG146. 2 文献标识码 :A 文章编号 :1007 - 7235 (2006) 02 - 0048 - 06