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(qiáng)度的鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。該系列合金較高的強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性的結(jié)合一直是人們追求的目標(biāo)。盡管國(guó)內(nèi)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(qiáng)韌化機(jī)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(dāng)?shù)睦碚摵蛻?yīng)用內(nèi)容需做進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。
　　本文在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金組織和性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(duì)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(qiáng)化機(jī)理和斷裂機(jī)制。在研究均勻化熱處理過程中發(fā)現(xiàn)了一種新的相轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(shí)發(fā)生η(Mg(Zn,Cu,Al)2)→S(Al2CuMg)的轉(zhuǎn)變。新形成的S相在η與基體的界面處形核，沿η長(zhǎng)大，轉(zhuǎn)變過程受Zn和Cu擴(kuò)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(gè)過程：η相的減少到消失；S相的形核和長(zhǎng)大伴隨含量的增加；S相的粗化伴隨含量的降低。Cu含量對(duì)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(jí)均勻化后才可以完全消除粗大的Al2CuMg相。
　　研究了合金的時(shí)效硬化特性和時(shí)效析出行為。在單級(jí)時(shí)效過程中，當(dāng)溫度為120℃和140℃

5、時(shí)，峰值維氏硬度分別為208和206，160℃時(shí)峰值硬度降低至193。不同溫度下的峰時(shí)效對(duì)應(yīng)的主要沉淀相是不同的。120℃時(shí)，GP區(qū)和η'相為主要的沉淀相；140℃時(shí)，η'相為主要的沉淀相；160℃時(shí)，η'相和η相為主要的沉淀相。強(qiáng)化效果較好的沉淀析出相為η'。在120℃和140℃單級(jí)時(shí)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(jí)時(shí)效過程中，120℃預(yù)時(shí)效提高了GP區(qū)在高溫時(shí)效時(shí)的穩(wěn)定性和存

6、在的溫度范圍，增加了GP區(qū)的強(qiáng)化效果，同時(shí)促進(jìn)了GP區(qū)向η'相的轉(zhuǎn)變，使合金在高溫時(shí)效后的性能得到提高。三級(jí)時(shí)效可以使硬度和電導(dǎo)率達(dá)到良好的結(jié)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(qiáng)化規(guī)律，在各個(gè)時(shí)效階段高Cu的A2合金比低Cu的A1合金的強(qiáng)度高5MPa-30MPa。高Cu的A2合金在120℃時(shí)效28h-60h或140℃時(shí)效6h-36h，屈服強(qiáng)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(qiáng)度為659MPa，屈服強(qiáng)度為622MPa，延伸率為14.1%。在拉伸斷裂過程中，欠時(shí)效狀態(tài)的合金以剪切斷裂為主；峰時(shí)效狀態(tài)的合金以穿晶韌窩和沿晶斷裂為主；過時(shí)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(duì)于過時(shí)效狀態(tài)合金，粗大的Al7Cu2Fe和Al2CuMg粒子對(duì)斷裂過程有著較大的影響。在雙級(jí)時(shí)效過程，合金

8、的電導(dǎo)率在達(dá)到38%IACS后，屈服強(qiáng)度超過590MPa，相對(duì)于單級(jí)時(shí)效提高7%以上。各種第二相在時(shí)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(qiáng)度和晶界強(qiáng)度以及二者的差別是決定合金斷裂方式的最重要的