李承波
, 邓运来
LI Chengbo, DENG Yunlai
文献标识码: TG146.2
文章编号: 1005-3093(2018)12-0881-08
通讯作者:
收稿日期: 2018-05-30
网络出版日期: 2018-12-25
版权声明: 2018 《材料研究学报》编辑部 《材料研究学报》编辑部
基金资助:
作者简介:
作者简介 李承波,男,1987年生,博士
展开
摘要
采用热压缩试验、光学显微镜和透射电子显微镜(高分辨电镜)研究了再结晶分数对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性的影响。结果表明：7050合金的淬火敏感性、平衡相尺寸及面积分数随再结晶分数的增加递增,再结晶的面积分数与η相的面积分数具有很好的线性相关性。再结晶分数从10%增加至58%时,相对硬度值从7%增加至17%,平衡相的长度和厚度分别由265 nm和35 nm增加至422 nm和82 nm,其平衡相的面积分数也从6.5%增加至28.4%。亚晶晶内的Al3Zr粒子,与基体的共格性很好,慢速淬火过程中,不利于平衡性的析出;而在再结晶晶内的Al3Zr粒子有利于η相的析出,再结晶分数越多,与基体非共格的Al3Zr粒子越多,η相的形核位置越多,从而导致淬火敏感性增加。
关键词：
Abstract
The effect of recrystallization fraction on quench sensitivity of Al-Zn-Mg-Cu alloys was investigated by means of thermal compression test, optical microscopy, and high-resolution transmission electron microscopy. Results show that the quench sensitivity, the size and area fraction of equilibrium phase for 7050 alloy increases with the increase of recrystallization fraction. The area fraction of recrystallization has a good linear correlation with the area fraction of equilibrium phase. When the recrystallization fraction increases from 10% to 58%, the relative hardness value increases from 7% to 17%, the length and thickness of the equilibrium phase increase from 265 nm and 35 nm to 422 nm and 82 nm, respectively, while the area fraction of the equilibrium phase also increases from 6.5% to 28.4%. The Al3Zr particles in the sub-grained crystals have good coherency with the matrix, which are unfavorable to the equilibrium precipitation during the slow quenching process. However, the Al3Zr particles in the recrystallized grains are beneficial to the equilibrium precipitation. The more recrystallization fractions, the more Al3Zr particles that are incoherent with the matrix, so the more nucleation sites are precipitated by quenching, resulting in the increment of quench sensitivity.
Keywords：
Al-Zn-Mg-Cu合金是时效强化合金,具有高强度、较高的韧性、较好的耐腐蚀性及优良的加工性能,成为航空航天等领域中主要的结构材料之一[1,2]。Al-Zn-Mg-Cu合金材料固溶后进行淬火时,如果冷却速率减小,时效后的硬度、强度、塑性等性能将下降,这通常被称为淬火敏感性。热变形是Al-Zn-Mg-Cu合金板材制备的关键工序,变形速率、变形程度和变形温度对合金的淬火敏感性均有影响,塑性变形导致合金的淬火敏感性增加[3]。Kikuchi等[4]在研究Al-Zn-Mg-Cu系铝合金挤压变形过程的再结晶行为时,发现再结晶导致合金的淬火敏感性增加。张新明等[5,6,7]研究表明：7050铝合金和7055铝合金随着轧制变形量的增加,固溶后再结晶分数增加,导致合金的淬火敏感性增加。Li等[8]研究热变形参数对7085铝合金淬火敏感性影响时发现,随着再结晶分数增加,7085铝合金的淬火敏感性增加。陈送义等[9]研究热变形温度和淬火速率对7085铝合金组织和性能的影响时也发现,7085合金的淬火敏感性随再结晶分数增加递增。这些研究表明,造成含锆7xxx系铝合金淬火敏感性变化的原因主要是由于A13Zr粒子在热处理过程中将发生非共格转变[10],从而提供高能量的界面促使平衡相形核长大,加快过饱和固溶体的分解[11]。7xxx系铝合金淬火敏感性机理的研究已有一定理论基础,但绝大多数的研究集中在合金成分、热变形工艺、热处理工艺、再结晶行为以及含Zr粒子对平衡相析出的影响,再结晶分数及亚晶组织对合金淬火敏感性的影响亦鲜见报道。本文作者研究再结晶分数对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金固溶空淬后微观组织演变的影响,探求慢速淬火过程中平衡相的析出规律,尤其是再结晶过程中的微观形貌演变对平衡相的析出影响,为降低合金淬火敏感性、提高板材力学性能和寻找合适的热加工工艺提供实验依据。
使用Gleeble-1500热模拟机对7050铸态铝合金进行多道次平面应变压缩,经不同终压缩温度(300℃、340℃、370℃、400℃、430℃)热变形后的样品在空气炉中进行470℃/1 h固溶处理,随后进行淬火处理,分别采用室温水(约20℃)和空气两种介质冷却,其淬火速率分别约为960℃/s和2℃/s[1],淬火冷却至室温后,在油浴炉中进行120℃/24 h时效。对时效后的样品采用Model HV-10B维氏硬度计进行硬度测试。金相样品经粗磨、细磨、抛光后用Graff Sargent试剂(1 mL HF+16 mL HNO3+3g CrO3+83 mL H2O)浸蚀,可将合金中未再结晶和再结晶区域区分开来[1]。金相观察在XJP-6A型显微镜(OM)上进行,采用Image-J软件对至少 5 张金相照片进行统计分析,获得再结晶分数。透射电镜分析采用TecnaiG220型电镜,加速电压为200 kV;电镜样品先预磨成约0.08 mm厚薄片,冲成ϕ3 mm圆片后进行双喷电解减薄。电解液为20% HNO3+80% CH3OH,温度控制在-20℃以下。采用Image-J软件对至少5张透射照片进行统计分析,获得析出相的尺寸和面积分数。
图1为不同热变形条件下Al-Zn-Mg-Cu系铝合金固溶后的金相显微组织。图中较大的白色区域为再结晶组织,细小的灰黑色区域为未再结晶组织,可以看出,热压缩变形后合金的晶粒被压缩成纤维状。这是由于未再结晶部分大量的亚结构会被优先腐蚀而变成灰黑色。由图可知,随着终热压缩温度的升高,固溶后样品中的再结晶组织逐渐减少,其再结晶分数依次为58%、42%、30%、18%、10%。图中可以看出,许多再结晶晶粒内都有粗大粒子的存在。在变形过程中这些粗大粒子周围形成强烈的畸变区,储能较高,在固溶过程中产生粒子激发再结晶形核(PSN),因而合金固溶后仍残留许多粗大粒子。当终热压缩温度较高时,由于合金变形过程中的回复过程充分,变形后储能相对较低,在随后固溶处理时,再结晶分数逐渐降低,如图1e所示。
图1 Al-Zn-Mg-Cu合金在不同终热压缩温度固溶后的金相组织
Fig.1 OM images of Al-Zn-Mg-Cu alloy with different final-heat compression temperatures after solid solution treatment (a) 300℃; (b) 340℃; (c) 370℃; (d) 400℃; (e) 430℃
图2为终热压缩温度对Al-Zn-Mg-Cu合金再结晶晶粒尺寸及面积分数的影响。从图中可以看出,随着终热压缩温度的升高,固溶后样品中的再结晶晶粒尺寸和再结晶分数均减少,并对终热压缩温度与再结晶面积分数进行线性拟合(式1)。其中F表示再结晶的面积分数,T表示终热压缩温度,线性相关系数为0.998。
图2 终热压缩温度对再结晶晶粒尺寸及面积分数的影响
Fig.2 Effect of heat-compression temperature on size and area fraction of recrystallization grain (a) curve of final heat compression temperature versus recrystallized grain size; (b) curve of final heat compression temperature versus area fraction of recrystallization
图3为再结晶分数对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性的影响。可以看出,水淬样品的时效态硬度值随着再结晶分数的增加略有降低。而空冷样品时效态的硬度值则随着再结晶分数的增加而显著降低,由再结晶分数为10%的184HV下降至再结晶分数为58%的163HV。再结晶分数越高,合金空冷样品的硬度值下降越大,表明该合金的淬火敏感性越明显。
图3 再结晶分数对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性的影响
Fig.3 Effect of recrystallization fraction on quench sensitivity of Al-Zn-Mg-Cu alloy
为了比较再结晶分数对合金淬火敏感性的影响,现定义相对硬度(Relative hardness)如下：
其中HW为水淬样品的硬度值,HA为空冷样品的硬度值。此式用来表征合金空冷样品硬度值相对水冷样品硬度值的变化程度,RH值越大,合金因淬火速率下降而造成的硬度损失越大,合金淬火敏感性越高。RH由再结晶分数为10%时的7％增加至再结晶分数为58%时的17%,即随着再结晶分数的增加,合金的硬度损失越大,合金淬火敏感性越高。
图4为Al3Zr粒子的TEM形貌。从图4a中可以清晰的看到再结晶晶粒和亚晶晶粒,晶界边缘可以观察到一些Al3Zr粒子在钉扎晶界,这样可以抑制晶粒的长大,从<100>晶带选区电子衍射(SAEDP)谱中可以清晰的看出Al3Zr粒子的斑点,如图4b。为了更好的研究再结晶晶内和亚晶晶内的Al3Zr粒子与基体之间的关系,分别对再结晶晶内和亚晶晶内的Al3Zr粒子进行高分辨分析,如图4c~f。从图4d中可以观察到亚晶晶内的Al3Zr粒子与基体处于共格状态,两侧晶体晶面存在明显的连续性。而从图4f中可以观察到再结晶晶内的两侧晶体晶面连续性不如图4d清楚。
图4 Al3Zr粒子的TEM、HRTEM像
Fig.4 TEM and HRTEM images of Al3Zr particles (a) TEM image; (b) <100>SAEDP; (c, d) HRTEM images of Al3Zr particles in subgrain; (e, f) HRTEM images of Al3Zr particles in recrystallized grains
图5为具有不同再结晶分数的空冷样品显微组织的TEM像。中可以看出,再结晶晶内η平衡相的尺寸及数量均随再结晶分数的增加而增加,再结晶晶内析出的η相上几乎都有Al3Zr粒子的存在,再结晶晶粒中的Al3Zr粒子与基体非共格,为η相的非均匀形核析出提供了有效的位置。
图5 具有不同再结晶分数的空冷样品的TEM像
Fig.5 TEM images of air-cooled alloy with different recrystallization fractions (a, b) 10%; (c, d) 30%; (e, f) 58%
图6为再结晶分数对η相尺寸及面积分数的影响。从图中可以看出,η相尺寸和面积分数均随再结晶分数的增加而增加,再结晶分数由10%增加至58%时,η相的长度和厚度分别由265 nm和35 nm增至422 nm和82 nm,η相的面积分数也从6.5%增至28.4%。对再结晶面积分数与η相的面积分数进行线性拟合(式3),其中A表示η相的面积分数,F表示再结晶的面积分数,线性相关系数为0.997。
图6 再结晶分数对η相尺寸及面积分数的影响
Fig.6 The relationship between the recrystallization fraction and the size of the quenched η phase (a);curve of recrystallization fraction and area fraction of quenched η phase (b)
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是典型的时效强化合金,固溶后淬火的过程中,慢速率冷却将会使溶质原子从过饱和固溶体中脱溶析出,从而影响合金随后时效的强化效果,造成合金性能的损失。合金性能损失越大,淬火敏感性越高,即合金对淬火速率越敏感[12,13,14]。合金固溶后快速水冷至室温,获得了过饱和度较高的固溶体,合金元素较充分地溶在基体中,随后时效过程中在基体内弥散析出大量η′(MgZn2)强化相,这种时效η′析出相强化效果明显。而合金固溶后空冷过程中,有大量的η平衡相析出,由于这些η平衡相尺寸较大,不仅没有强化效果,还消耗了大量Zn、Mg合金元素,降低了合金的过饱和度,导致时效过程中η′强化相析出驱动力不足[1,2]。
本文研究发现,在亚晶晶内,两侧晶体晶面存在明显的连续性。在再结晶晶内,两侧晶体晶面连续性不如亚晶晶内清楚,如图4所示。本课题组的研究[4]也表明,在明场像中,大量的淬火析出相在再结晶晶粒中依托Al3Zr粒子形核析出,而在非再结晶晶粒内则只有Al3Zr粒子分布,Al3Zr粒子在两个区域中都是亚稳态的L12结构。研究结果还表明,Al3Zr粒子在没有发生再结晶前以亚稳态的L12结构共格存在基体中,当再结晶发生后,基体的取向发生了改变,导致Al3Zr粒子与基体的共格关系被破坏[10],但是Al3Zr粒子仍然维持着原来的取向和晶体结构,如图7所示。
图7 再结晶对Al3Zr粒子与基体界面关系的影响
Fig.7 Effect of recrystallization on the interfacial relationship between Al3Zr particles and matrix
当基体中共格或者半共格的Al3Zr粒子所在的区域发生了再结晶,新生晶粒中的Al3Zr粒子将转变为与基体非共格,这种非共格的Al3Zr粒子与基体的界面能较高,这就使得Al3Zr粒子与基体的界面容易成为η平衡相的有效形核位置。合金固溶后空冷过程中,随着温度的下降,合金元素在基体的固溶度降低,短时间内就会以Al3Zr粒子作为非均匀形核位置析出并长大。从图5可以看出,再结晶晶粒内析出的η平衡相上几乎都有Al3Zr粒子的存在。此外,由于亚晶界处存在大量位错等晶体缺陷,能量较高,在慢速率冷却时也容易成为η相形核析出位置。
如果均匀化过程中析出的Al3Zr粒子没有阻止晶界迁移、有效抑制再结晶,将会失去与基体的共格性,随后成为η相的形核位置;大量η相在Al3Zr粒子上形核并脱溶析出,降低合金的过饱和度,从而影响后续的时效强化效果,导致合金最终性能下降[15,16,17]。随着终热压缩温度的升高,合金在变形过程中的回复软化过程更加充分,变形储能逐渐减少,固溶后的再结晶组织逐渐减少,合金的淬火敏感性逐渐降低。
因此,在Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的实际生产中,应严格控制其再结晶组织。尤其是厚板材料的中心部位在固溶后淬火过程冷却较慢,容易造成合金组织性能的不均匀。合金在热变形过程中会产生应变储能,促使合金固溶时发生再结晶,所以热变形工艺参数的确定显得尤为重要。实验结果表明,提高合金热变形的终轧温度可以有效减少合金的变形储能,减少固溶后的再结晶组织,从而降低合金的淬火敏感性。
(1) 合金的淬火敏感性、η相尺寸及面积分数随再结晶分数的增加而增加,再结晶面积分数与η相的面积分数具有很好的线性相关性;
(2) 亚晶晶内的Al3Zr粒子,与基体的共格性较好,慢速淬火过程中,不利于η相的析出,而在再结晶晶内的Al3Zr粒子有利于η相的析出,再结晶分数越多,与基体非共格的Al3Zr粒子越多,η相的形核位置越多,从而导致淬火敏感性增加。
The authors have declared that no competing interests exist.
/
| 〈 |
|
〉 |
