2090铝锂合金中δ′相和T1相的复合强化作用

赵志龙, 刘 林, 陈 铮

(西北工业大学 机电学院, 西安 710072)

摘 要: 采用TEM观察2090和2090+Ce两种铝锂合金中δ′相和T₁相与位错的交互作用行为, 利用图形定量分析结果和微观变形理论分别计算两个相的强化贡献, 进而分析两相复合强化作用形式。 分析结果表明: 在近峰值时效区域, δ′和T₁相强化作用的叠加关系与q=1.4的关系符合较好; 欠时效时, δ′、 T₁相强化贡献的叠加关系接近线性关系(q=1); 过时效时, 却与抛物线型关系(q=2)符合较好。 δ′和T₁相强化作用的叠加关系对时效时间表现出较强的依赖性。

关键词: 铝锂合金; 沉淀相; 强化 中图分类号: TG146.21

文献标识码: A

Co-strengthening contribution of δ′ and T1 phases of Al-Li alloy 2090

ZHAO Zhi-long, LIU Lin, CHEN Zheng

(School of Mechatronic Engineering, Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China)

Abstract: The microstructures of dislocation in two kinds of aluminum-lithium alloy 2090 and 2090+Ce were observed by TEM. The contribution of precipitates of δ′ and T₁ phases were separately calculated by the results of quantitative metallography and micro-deformation theory. Furthermore, the co-strengthening effects of δ′ and T₁ phases were studied. The results show that the adding relationship of co-strengthening of δ′ and T₁ phases accords with that of q=1.4 at near peak-aged condition. But the adding relationship is approximately linear relation (q=1) at under-aged condition, and become parabola form at over-aged (q=2). The adding relation of co-strengthening contribution of δ′ and T₁ phases is obviously dependent on aging time.

Key words: aluminum-lithium alloy; precipitates phase; strengthening

   球状的δ′相和片状的T₁相是2090铝锂合金中两个主要的时效强化相。 δ′相强化的主机制是有序强化作用, 但Miura等^[1-3]提出位错与δ′相间的交互作用依赖于成分和时效条件。 Howe利用HRTEM清楚地观察到T₁相可被位错切截, 化学强化和Orowan机制是T₁相两种可能的强化机制, 甚至有人提出了混合强化机制^{[ 4-6]}。 由此可见, 目前对T₁相和δ′相的强化贡献主机制仍未彻底搞清, δ′相与T₁相复合强化的问题要从实验和理论分析来量化是件困难较大的工作。 本文作者采用2090铝锂合金和添加微量稀土Ce的2090+Ce铝锂合金, 利用TEM及体视分析技术在沉淀相随时效的变化和位错组态分析的基础上, 利用微观力学原理计算了δ′相和T₁相的强化贡献, 进而探讨了两相的复合强化形式。

1 实验

2090和2090+Ce铝锂合金的化学成分如表1所列。 实验材料采用铸冶法获取。 铸锭经均匀化处理后, 锻制开坯, 经热轧和温轧至2mm厚板材。 采用T8(固溶处理+预变形+人工时效)处理, 于190℃时效3~48h。 经时效处理后, 线切割出拉伸试样, 在电子拉伸机上获取不同时效条件试样的屈服强度(σ_0.2)。 制作透镜试样: 机械减薄至60~80μm, 双喷穿孔, 电解液为25%的硝酸甲醇溶液, 液氮冷却。 消光轮廓法测量薄膜厚度为250~350nm。 采用H-800型透射电镜(加速电压为200kV)分别观察和记录δ′和T₁相中心暗场像, Leica图形分析系统确定和计算沉淀相的体积分数。 位错组态的观察采用透射电镜JEM-200CX(加速电压为160kV)。

表1   实验材料的化学成分

Table 1   Chemical composition of experimental materials (mass fraction, %)

2.1 δ′相的强化贡献

图1所示为2090+Ce铝锂合金在190℃时效3h时试样的TEM像。 由图1可看出, 在位错组态中, 许多位错都是成对出现的。 由此说明, 在欠时效时, 位错主要以切截方式通过δ′相; 而过时效时, δ′相已足够大(大于18nm), 位错以绕过的方式通过δ′相, 因此位错组态中位错环特征占优势^{[7, 8]}。

在欠时效条件下(190℃, 3h), δ′相以有序强化作用为主(其它强化机制贡献作用可略而不计)。 利用共格有序强化公式^{[9, 10]}:

可表示为

图1   2090+Ce合金190℃时效3h试样的TEM像

Fig.1   TEM images of 2090+Ce alloy specimen aged at 190℃ for 3h

  在峰值时效和近峰值区域, 由于δ′相已粗化到一定程度, 此时位错出现了较大的弯曲, Friedel统计规律已不再适合。 采用半经验估算法^{[10, 11]}, 表达式为

在过时效条件下, 由于δ′相尺寸较大, 位错与其交互作用时以绕过的方式通过, 采用Orowan数学模型进行计算^[8]:

在不同时效条件下, δ′相强化贡献的计算如表2所列。

2.2 T₁相的强化贡献

T₁相与位错交互作用情况图1(c)所示。 图1(d)所示为束向接近〈112〉的T₁相中心暗场像。

由图1可见, 欠时效时, 在T₁相聚集的区域存在着大量的短弯曲位错。 图1(c)中箭头所示为T₁相与位错交互作用的情况, 可以观察到位错切过T₁相, 但又不是单一切过, 由于此时位错具有较大的弯曲角, 位错线张力不容忽视; 而过时效时, 虽然存在大量Orowan环, 但仍可观察到位错切过T₁相。 因此, 位错与T₁相间的交互作用形式为切过和绕过的混合型。

在所有有关切过机制的理论模型中, 由于T₁相刃边的半共格性以及较大的长厚比, 位错切过刃边造成的界面能增加是位错运动能量的消耗源, 因此, 有关切过机制的计算中只考虑化学强化作用。 化学强化作用的表达式为

Orowan形式经推演所得到的表达式形式为

T₁相的强化作用τ_cT1应该为

根据实验结果的对比以及和回溶实验结果的对比来看, η₁=2/3, η₂=1/2为好。 计算结果表明, T₁相的强化贡献约为屈服强度的30%~60%, 其计算结果如表2所列。

2.3 δ′和T₁相的复合强化作用形式

如用Δτ_p表示δ′和T₁相的复合强化作用, 则Δτ_δ′和Δτ_T1分别表示δ′和T₁相的强化贡献。 一些研究者认为, Δτ_p和Δτ_δ′、 Δτ_T1间关系式为

基体的强化作用τ_m对合金总的剪切抗力τ_c的贡献符合线性叠加律^{[3, 12]}, 即

τ_c的计算利用了Taylor关系式, 即τ_c=σ0.2/M, M为Taylor系数^[13-15]。 τ_c和τ_m实验结果及理论分析结果如表2所列。

图2所示为Δτ_p随时效时间的变化情况以及q为1和2时式(10)的计算结果。 由图2可看出, 实

表2   实验结果及理论计算结果

Table 2   Experimental results and theoretical results

图2   合金的Δτ_p随时效时间的变化曲线

Fig.2   Change curves of Δτ_p with aging time of alloy

验结果基本上处于Δτ_p∣_q=1和Δτ_p∣_q=2两条曲线所包容的区域中, 说明理论分析结果基本可靠。

经过演算发现在近峰值时效区域(时效时间为12h), 2090合金利用式(10)计算的q=1.374, 而2090+Ce合金的q=1.404。 由此可见, 在峰值及近峰时的时效区域, δ′和T1相强化作用的叠加关系与文献[2]所提出q=1.4的关系符合得较好。 在欠时效时, δ′和T1相强化作用的叠加关系接近q=1的线性叠加关系; 而过时效时, 实验结果更接近于抛物线型的叠加关系, 即q=2的关系。 因此, 由本实验的结果及理论分析结果可以看出, δ′和T1相强化作用的叠加关系并非一成不变, 而是与时效时间呈现一定的依赖关系, 则式(10)更准确地表达为

3 结论

1) 在近峰值时效区域, δ′和T1相强化作用的叠加关系与q=1.4的关系符合得比较好, 即Δτ^1.4_p=Δτ^1.4_δ′+Δτ^1.4_T1。

2) 欠时效时, δ′和T₁相强化贡献的叠加关系接近线性关系(q=1); 而过时效时, 却与抛物线型的关系(q=2)符合得较好。

3) δ′和T₁相强化作用的叠加关系表现出较强的对时效时间的依赖性。

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(编辑李艳红)

基金项目: 航天创新基金资助项目

收稿日期: 2005-04-30; 修订日期: 2005-08-08

作者简介: 赵志龙(1963-), 男, 副教授, 博士

通讯作者: 赵志龙, 博士; 电话: 029-88493498; E-mail: zhaolong@nwpu.edu.cn