简介概要

1420铝锂合金的各向异性

来源期刊：中国有色金属学报2002年第3期

论文作者：魏齐龙陈铮王永欣

文章页码：573 - 577

关键词：各向异性；时效；δ′相；断裂特征

Key words：anisotropy；aging treatment；δ′ precipitate； fracture character

摘要：以1420铝锂合金为对象，研究了轧板的各向异性在时效过程中的演化，并探讨了δ′相强化的各向异性机制。研究结果表明：随着时效的进行，合金的各向异性逐渐增强，合金的拉伸断裂特征也出现各向异性；且随着时效的进行，合金的断裂方式由沿晶分层断裂向沿亚晶分层断裂转变。可以认为，δ′相是通过共面滑移来软化滑移面、减少滑移系数目，从而增强合金的各向异性。

Abstract: Variations of anisotropy during aging treatment in 1420 Al-Li alloy rolled sheet，and the mechanism by which δ′ phase strengthens the alloy an isotropically were investigated. It is found that anisotropy of properties increases as aging treatment progresses. The fracture character is also anis otropic，and it transits from intergranular one to intersubgranular one as aging treatment progresses. It is deduced that δ′ phase softens slip planes and lessens the number of slip systems by coplanarslip，thereby enhances anisotropy in this alloy.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.03.034

1420铝锂合金的各向异性

魏齐龙陈铮王永欣

西北工业大学材料科学与工程学院

西北工业大学材料科学与工程学院西安710072

摘要：

以 142 0铝锂合金为对象 , 研究了轧板的各向异性在时效过程中的演化 , 并探讨了δ′相强化的各向异性机制。研究结果表明 :随着时效的进行 , 合金的各向异性逐渐增强 , 合金的拉伸断裂特征也出现各向异性 ;且随着时效的进行 , 合金的断裂方式由沿晶分层断裂向沿亚晶分层断裂转变。可以认为 , δ′相是通过共面滑移来软化滑移面、减少滑移系数目 , 从而增强合金的各向异性

关键词：

各向异性;时效;δ′相;断裂特征;

中图分类号： TG146.2

收稿日期：2001-07-09

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 0 710 46 );

Anisotropy of 1420 Al-Li alloy

Abstract：

Variations of anisotropy during aging treatment in 1420 Al-Li alloy rolled sheet, and the mechanism by which δ′ phase strengthens the alloy anisotropically were investigated. It is found that anisotropy of properties increases as aging treatment progresses. The fracture character is also anisotropic, and it transits from intergranular one to intersubgranular one as aging treatment progresses. It is deduced that δ′ phase softens slip planes and lessens the number of slip systems by coplanar slip, thereby enhances anisotropy in this alloy.

Keyword：

anisotropy; aging treatment; δ′ precipitate; fracture character;

Received： 2001-07-09

为获得一定程度的形变强化效果, 1420合金多在未再结晶状态以轧板或型材的形式使用。这样, 在热变形过程中形成的织构将使合金的性能出现各向异性。合金中仅有的晶内强化相δ′易为位错切过 ^[1,2] , 可能对合金的各向异性产生作用。 δ′相的数量、形貌和尺寸在时效过程中均发生变化, 其强化效果及其各向异性也将发生变化。目前, 对1420合金的研究主要集中在时效过程中析出相的形核、长大以及晶界无沉淀区 (PFZ) 等微观特性方面, 而对合金力学性能及断裂特性的各向异性的研究很少。由于1420合金中仅有δ′相一种晶内强化相, 在分析其强化及各向异性时不需考虑不同类型的晶内析出相之间的交互作用和耦合关系, 可以较容易地分析单个析出相的强化各向异性, 这对研究多个析出相的强化各向异性具有重要的理论意义。

1 实验方法

采用俄罗斯生产的1420铝锂合金轧板, 其化学成分见表1。供应状态为T1 (轧制+水淬+冷校正) 。

表1 1420铝锂合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions of 1420 Al-Li alloy (mass fraction, %)

Li	Mg	Zr	Al
2.140	5.150	0.081	Balance

在轧制平面内分别沿轧制方向、横向和与轧制方向成45°的方向取样。采用460 ℃, 0.5 h的固溶处理工艺, 空气电阻炉加热, 空冷。随后在120 ℃进行时效处理, 时间分别为10 h和20 h, 烘箱加热, 空冷, 将部分经过120 ℃, 20 h时效处理的试样进行265 ℃, 5 min的回溶处理, 于盐浴炉中加热, 水冷。

试样加工成型后在Instron-1196电子拉伸机上进行拉伸实验, 拉伸速率为0.2 mm/min。采用Amray Model 1000B扫描电子显微镜分析拉伸断口形貌, 加速电压为20 kV。采用Keller's腐蚀剂制样分析光学金相组织。

2 实验结果

合金的屈服强度、延伸率随取样方向和时效状态的演化如图1所示。其中, 0°为轧制方向, 45°为短横向, 90°为横向。

在固溶状态, 合金的强度水平较低, 强度的各向异性也较小; 在120 ℃时效10 h后, 合金在各方向的屈服强度均有较大幅度的提高, 尤其是在轧制方向和横向, 其各向异性也凸现出来; 时效20 h后, 合金的屈服强度及其各向异性均进一步提高; 其后的回溶处理, 则使合金的强度水平显著下降, 甚至低于固溶状态的强度水平。总之, 合金在轧制方向和横向的屈服强度较高, 且两者差异较小; 而短横向的屈服强度则低于上述2个方向的值, 尤其是在较长时间时效之后。

合金延伸率的变化则有所不同: 在各状态均是短横向的延伸率最大, 而轧制方向的值略小, 横向的值最小。在同一取样方向, 以固溶状态延伸率最大, 其次为回溶状态及时效状态。

图2所示为1420合金在120 ℃时效20 h后的显微组织。在轧制平面内, 大小晶粒并存, 大晶粒尺寸在30~50 μm之间, 小晶粒尺寸在1~10 μm之间; 横截面内为普遍的流线组织, 流线带起伏较大, 其内有少量的细小再结晶晶粒, 其余均为未再结晶的拉长晶粒, 流线带宽度在1 μm上下。晶粒的空间形貌即为薄饼状。

图3所示为1420合金拉伸断口形貌在时效过程中的变化, 试样沿轧制方向取样。在固溶状态, 合金出现一定比例的沿晶分层断裂, 并伴有穿晶解理面及少量韧窝 (其底部有破碎颗粒) , 二次裂纹较浅。在120 ℃时效10 h后, 在断口上出现细密的沿晶分层, 由于轧制流线的起伏, 分层带取向略显紊乱, 二次裂纹较深, 在局部有少量穿晶解理面及韧窝。在120 ℃时效20 h后, 断口上除有较紊乱的沿晶分层外, 还出现了较多的沿亚晶分层, 二次裂纹较深。经回溶处理后, 合金的断口特征变化不大。

其余2个取样方向试样的断裂特征随时效及回溶处理的变化与上述相似。

图4所示为1420合金在120 ℃时效20 h后沿轧制方向、短横向和横向取样的拉伸断口形貌。短横向取的试样, 其断口与拉伸轴垂直; 在低倍下表现为粗大的分层断裂, 裂纹较深, 而分层带表面变形较小。沿轧制方向和横向取样的试样, 其断口与拉伸轴约成45°角; 在低倍下可见细小沿晶分层断裂, 裂纹较浅, 并有一定数量的穿晶解理面及韧窝出现。在高倍下可见, 3个试样的断口均为如图3 (c) 所示的典型的沿晶和沿亚晶分层开裂, 只是分层尺寸及比例略有差异而已。而在不同状态下, 这些方向的断裂特征尽管出现一些变化, 但基本差异仍与上述相同。

图1 1420铝锂合金的屈服强度 (a) 和延伸率 (b) 在不同状态下随取样方向的变化

Fig.1 Variation of yield strength (a) and elongation (b) of 1420 Al-Li alloy with sampling direction

图2 1420铝锂合金时效20 h的组织

Fig.2 Microstructures of 1420 Al-Li alloy aged for 20 h (a) —Rolling plane; (b) —Transverse section

图3 1420铝锂合金拉伸断口形貌随时效的变化 (沿轧制方向取样)

Fig.3 Fractographies of 1420 Al-Li alloy sampled along rolling direction (a) —Solutioned; (b) —Aged for 10 h; (c) —Aged for 20 h; (d) —Reverted after aged for 20 h

3 讨论

1420合金在时效及回溶处理过程中性能和断裂特性的演变取决于析出相及晶界PFZ的变化。合金的主要强化相δ′在固溶淬火过程中形核, 在时效过程中长大和粗化。其平均颗粒半径与时效时间t存在正比关系:

$\overset{?}{r}^{3} \propto t ? ? ? (1)$

在达到峰值时效之前δ′相为位错切过。合金的临界分切应力为

$τ_{A} = Κ \frac{γ_{S}^{3 / 2} φ^{1 / 2}}{G b^{3}} r^{1 / 2} + τ_{0} ? ? ? (2)$

式中 τ_A和τ₀分别为合金、基体的临界分切应力, K为常数, G为剪切模量, φ为颗粒体积分数, r为颗粒半径, b为柏氏矢量, γ_S为反相畴界能 ^[1] 。

可见, 颗粒体积分数一定时, 位错切过颗粒的强化效果随其尺寸增大而增大; 而在时效过程中, 除颗粒尺寸增大外, 颗粒的体积分数也将增大。因此, 随着时效的进行, 合金的强度水平不断升高。

由于合金固溶采用空冷淬火, 在冷却过程中有一定数量的细小的δ′相析出; 而回溶之后, 采用水冷淬火, 可有效抑制δ′相的形核与长大。所以, δ′相在回溶处理后的强化效果低于固溶后的强化效果, 合金在回溶处理之后的强度水平低于固溶状态的强度水平。

由于δ′相与基体完全共格, 反相畴界能小 (约0.150 J/m²) ^[3] , 第1个位错切过δ′相后, 后续位错更易从该滑移面滑过, 即产生共面滑移。由于形变铝锂合金的晶界强度较低, 共面滑移带将使晶界断裂, 由于薄饼状晶粒的存在, 合金中产生沿晶分层断裂。

在固溶和人工时效过程中, 由于平衡的T相

图4 1420铝锂合金于120 ℃时效20 h的拉伸断口形貌

Fig.4 Fractographies of 1420 Al-Li alloy aged at 120 ℃ for 20 h (a) —Sampled along rolling direction; (b) —Short-transverse direction; (c) —Transverse direction

(Al₂MgLi) 在晶界及亚晶界非均匀析出, 晶界、亚晶界无析出带 (PFZ) 形成并长大。 PFZ的宽度W与时效时间t之间存在如下关系 ^[2,4] :

W∝t^1/2 (3)

即随着时效的进行, PFZ逐渐变宽。

在固溶状态, 合金中只有在淬火过程中形成的极小的δ′相, 其强化作用有限。此时, 合金的变形与断裂特性即取决于基体。合金的组织为薄饼状晶粒组成的流线 (横截面内) , 变形即以沿晶分层的方式进行。但由于晶界、晶内强度差异不大, 合金的分层不完全, 且较粗大。随着时效的进行, 淬火组织中的亚结构形成亚晶粒, 且亚晶粒不断长大, 其取向差也增大, 且PFZ也在亚晶界形成 ^[1] 。由于晶内强化 (δ′相) 和晶界、亚晶界弱化 (PFZ) , 在时效过程中, 沿晶分层断裂逐渐显现, 且沿亚晶分层断裂的比例也逐渐增加。回溶处理使δ′相溶于基体, 它使晶内强化效果大大减弱。但由于在时效20 h后晶界、亚晶界的弱化已十分显著, 合金的断裂方式并未发生明显的变化。

共格有序的δ′相的强化各向异性是与它容易被位错切过而产生共面滑移相关的。 Vasudeven等认为, 如果析出相不可切过, 则它对合金的各向异性没有影响 ^[5] 。但是, 在时效之初至峰值时效之前, δ′相是被运动位错切过的。这样, 它诱发位错的共面滑移, 将变形限制于几个可动的滑移面上, 即软化了滑移面, 减少了滑移系数量 ^[6,7] , 使合金的变形出现不均匀, 故对合金的各向异性是有作用的。此外, 由于δ′相与基体共格, 且晶粒在多组元织构存在的条件下择优取向, δ′相的分布也相应具有择优取向。