Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金組織性能和斷裂行為的研究.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金作為一種高強度的鋁合金廣泛應用于航空航天領域。該系列合金較高的強度、良好的韌性和耐腐蝕性的結合一直是人們追求的目標。盡管國內外的研究工作取得巨大成就。但在合金的成分優(yōu)化，顯微組織控制和強韌化機理方面的研究仍不具體透徹，尤其是粗大第二相和沉淀相的演化規(guī)律和作用方面，仍有相當?shù)睦碚摵蛻脙热菪枳鲞M一步系統(tǒng)深入的研究。
　　本文在對比分析國內外Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金組織和性能的基礎上，設計了合金

2、A1(Al-6.3wt％Zn-2.3wt%Mg-1.7wt%Cu)、合金A2(Al-6.3wt%Zn-2.4wt%Mg-2.3wt%Cu)。利用透射電子顯微鏡、掃描電鏡、差熱分析和XRD等分析手段，研究了合金組織的變化規(guī)律，主要集中在粗大第二相和沉淀相的演化規(guī)律，及其對合金拉伸性能和斷裂行為的影響。討論了各種狀態(tài)下合金的強化機理和斷裂機制。在研究均勻化熱處理過程中發(fā)現(xiàn)了一種新的相轉變過程：η(Mg(Zn,Cu,Al)2)→S(Al2Cu

3、Mg)。
　　研究了合金在均勻化熱處理過程中粗大第二相的演化規(guī)律。合金的鑄態(tài)組織為枝晶結構，枝晶臂間為層片狀的非平衡共晶組織α(Al)+Mg(Zn,Cu,Al)2。在非平衡共晶組織中存在一些粗大的Al7Cu2Fe相。在均勻化過程中非平衡共晶組織逐漸消失，同時發(fā)生η(Mg(Zn,Cu,Al)2)→S(Al2CuMg)的轉變。新形成的S相在η與基體的界面處形核，沿η長大，轉變過程受Zn和Cu擴散的控制。非平衡共晶組織和粗大S相的變化主

4、要包括三個過程：η相的減少到消失；S相的形核和長大伴隨含量的增加；S相的粗化伴隨含量的降低。Cu含量對均勻化后合金中粗大第二相的演變有著重要的影響，A2合金具有更多的Al2CuMg相。460℃的均勻化可以消除A1合金中粗大Al2CuMg相。而A2合金只有經(jīng)過460℃/16h+480℃/12h的雙級均勻化后才可以完全消除粗大的Al2CuMg相。
　　研究了合金的時效硬化特性和時效析出行為。在單級時效過程中，當溫度為120℃和140℃

5、時，峰值維氏硬度分別為208和206，160℃時峰值硬度降低至193。不同溫度下的峰時效對應的主要沉淀相是不同的。120℃時，GP區(qū)和η'相為主要的沉淀相；140℃時，η'相為主要的沉淀相；160℃時，η'相和η相為主要的沉淀相。強化效果較好的沉淀析出相為η'。在120℃和140℃單級時效過程中，沉淀相尺寸的變化滿足R∝t1/3，能用LSW理論較好地描述沉淀相的粗化過程。雙級時效過程中，120℃預時效提高了GP區(qū)在高溫時效時的穩(wěn)定性和存

6、在的溫度范圍，增加了GP區(qū)的強化效果，同時促進了GP區(qū)向η'相的轉變，使合金在高溫時效后的性能得到提高。三級時效可以使硬度和電導率達到良好的結合，180℃-200℃為較好的回歸溫度區(qū)間。
　　研究了合金拉伸性能和斷裂行為。兩種Cu含量的合金表現(xiàn)為相同的強化規(guī)律，在各個時效階段高Cu的A2合金比低Cu的A1合金的強度高5MPa-30MPa。高Cu的A2合金在120℃時效28h-60h或140℃時效6h-36h，屈服強度超過600MP

7、a，延伸率在12%以上。140/20h℃可使合金均獲得最佳性能，A2合金的抗拉強度為659MPa，屈服強度為622MPa，延伸率為14.1%。在拉伸斷裂過程中，欠時效狀態(tài)的合金以剪切斷裂為主；峰時效狀態(tài)的合金以穿晶韌窩和沿晶斷裂為主；過時效狀態(tài)的合金以韌窩型斷裂為主，韌窩在粗大的第二相處產(chǎn)生。合金的斷裂方式主要受沉淀相的尺寸影響。對于過時效狀態(tài)合金，粗大的Al7Cu2Fe和Al2CuMg粒子對斷裂過程有著較大的影響。在雙級時效過程，合金

8、的電導率在達到38%IACS后，屈服強度超過590MPa，相對于單級時效提高7%以上。各種第二相在時效態(tài)合金的斷裂過程中發(fā)揮著重要的作用，按作用大小依次為基體沉淀相、晶界沉淀相、粗大第二相、含F(xiàn)e彌散相、Al3Zr彌散相。
　　研究了合金的斷裂韌性的影響因素。兩種合金都具有較高的韌性，A1合金比A2合金高10%-17%。韌性試樣的斷裂方式以粗大第二相的開裂和沿晶斷裂為主?；w強度和晶界強度以及二者的差別是決定合金斷裂方式的最重要的