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外加应力对Al-Cu-Mg-Ag合金时效析出行为的影响

来源期刊:中国有色金属学报2010年第8期

论文作者:曹素芳 潘清林 刘晓艳 陆智伦 何运斌 李文斌

文章页码:1513 - 1519

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;应力时效;应力位向效应;微观组织

Key words:Al-Cu-Mg-Ag alloy; stress aging; stress-orientation effect; microstructure

摘    要:采用维氏硬度、光学显微镜、双臂电桥电阻及透射电子显微镜等手段,研究普通时效与应力时效时,外加应力对Al-Cu-Mg-Ag合金时效析出行为的影响。结果表明:外加应力会降低Al-Cu-Mg-Ag合金的时效硬化速率,减小峰值硬度和延长欠时效时间;外加应力能够促进Al-Cu-Mg-Ag合金中θ′相的析出,抑制Ω相的析出和长大;在外加应力的影响下,Ω相产生应力位向效应,且应力位向效应的产生主要在Ω相的形核阶段形成。

Abstract: Comparing the normal aging and stress aging, the effects of external stress on the aging precipitation behavior of Al-Cu-Mg-Ag alloy were studied by Wicker hardness test (HV), optical microscopy (OM), two-bridge electric-resistivity test and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the external stress during aging decreases the aging process of Al-Cu-Mg-Ag alloy and the hardness of peak aging, and prolongs the time of underaging stage. The external stress can enhance the precipitation of θ′ phase and retard the precipitation and growth of Ω phase. With the effects of the external stress, the preferential oriented precipitation of Ω phase is observed, which mainly forms in the nucleation stage of Ω phase.



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文章编号:1004-0609(2010)08-1513-07

外加应力对Al-Cu-Mg-Ag合金时效析出行为的影响

曹素芳1,潘清林1, 2,刘晓艳1,陆智伦1,何运斌1,李文斌1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院,长沙 410083;

2. 中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083)

摘  要:采用维氏硬度、光学显微镜、双臂电桥电阻及透射电子显微镜等手段,研究普通时效与应力时效时,外加应力对Al-Cu-Mg-Ag合金时效析出行为的影响。结果表明:外加应力会降低Al-Cu-Mg-Ag合金的时效硬化速率,减小峰值硬度和延长欠时效时间;外加应力能够促进Al-Cu-Mg-Ag合金中θ′相的析出,抑制Ω相的析出和长大;在外加应力的影响下,Ω相产生应力位向效应,且应力位向效应的产生主要在Ω相的形核阶段形成。

关键词:Al-Cu-Mg-Ag合金;应力时效;应力位向效应;微观组织

中图分类号:TG146

Effects of external stress on aging precipitation behavior of Al-Cu-Mg-Ag alloy

CAO Su-fang1, PAN Qing-lin1, 2, LIU Xiao-yan1, LU Zhi-lun1, HE Yun-bin1, LI Wen-bin1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering, Ministry of Education,

Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Comparing the normal aging and stress aging, the effects of external stress on the aging precipitation behavior of Al-Cu-Mg-Ag alloy were studied by Wicker hardness test (HV), optical microscopy (OM), two-bridge electric-resistivity test and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the external stress during aging decreases the aging process of Al-Cu-Mg-Ag alloy and the hardness of peak aging, and prolongs the time of underaging stage. The external stress can enhance the precipitation of θ′ phase and retard the precipitation and growth of Ω phase. With the effects of the external stress, the preferential oriented precipitation of Ω phase is observed, which mainly forms in the nucleation stage of Ω phase.

Key words: Al-Cu-Mg-Ag alloy; stress aging; stress-orientation effect; microstructure

20世纪90年代以来,欧美各国开始大力发展第二代超音速运输机( SST) 计划[1-2]。与此同时,第四代战斗机F-22和F-35也相继进入装备部队和系统论证阶段。对于超音速飞机,气动热是飞机设计选材时面临的一个最大问题,新一代战机和SST的高巡航速度将使机身蒙皮的长期工作温度提高到150℃以上。国内外研究者先后在2014、2219和2519等合金的基础上,通过向合金中添加Ag和RE (稀土元素)等元素,研制出一种新型的耐热铝合金—Al-Cu-Mg-Ag合金,该合金不仅具有较高的室温强度及耐损伤性能,而且在150~200 ℃的高温下仍能保持较高的强度和较好的韧性[3-8]。因此, Al-Cu-Mg-Ag合金能够满足新一代高速飞行器、推进器等结构部件的要求。

当Al-Cu-Mg-Ag合金应用于复杂的高温环境或进行时效成形时,应力会对合金的时效过程产生影响,即发生应力时效。应力时效是指在时效过程中引入一小于屈服极限的应力,在温度和应力的耦合作用下,使强化相的析出过程产生显著的变化。20世纪60 年代,已经进行了一些稀有金属的应力时效研究。20世纪70年代后期,应力时效开始应用于铝合金中[9]。在研究Al-Cu和Al-Cu-Mg-Ag的应力时效析出行为时,发现θ′相和Ω相会沿着某一方向优先析出,产生应力取向效应,采用双级时效工艺时,发现应力对沉淀相沿着某一位向析出的影响来源于形核阶段[10-11]。与此相反,SAUTHOFF[12]则认为这主要是由于析出相长大过程的选择粗化形成的。20世纪90 年代中期,SKROTZKI等[13]通过对析出相定量分析,否定了SAUTHOFF的选择粗化观点。ZHU等[14]对Al-Cu 合金应力时效进行比较系统的研究,认为应力位向效应与外加应力、温度、合金成分和时效时间有关。

目前,对Al-Cu-Mg-Ag合金应力时效的研究大都针对位向效应现象或者由位向效应引起的合金性能的变化,很少对合金在应力时效下强化相的析出过程进行研究。本文作者通过测试Al-Cu-Mg-Ag合金在应力时效过程中硬度和电阻率的变化,研究应力时效对强化相析出过程的影响,分析讨论应力时效能够促进θ′相析出而抑制Ω相析出的原因,以及应力时效合金中位向效应产生的原因。

1  实验

实验用原料为工业纯铝、纯镁、纯银以及A1-Cu、A1-Mn和A1-Zr中间合金。采用铸锭冶金方法制备Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag-0.3Mn-0.15Zr(质量分数,%)合金铸锭。铸锭切头后进行均匀化处理,再进行铣面。然后在箱式电阻炉中加热至460 ℃,保温2 h,再热轧至6 mm,之后经中间退火冷轧成3 mm的板材。合金板材在515 ℃固溶1.5 h,水淬,然后分别在170 ℃进行普通时效和应力时效。普通时效无外加应力,应力时效添加200 MPa的外应力。此外,还设计双级应力时效的研究,其制度如下:170 ℃,(200 MPa,     15 min)+(0 MPa,16 h)和170 ℃,(0 MPa,15 min)+ (200 MPa,16 h)。

合金的应力时效是在RWS-50电子蠕变试验机上进行,加载速率为0.05 kN/s。采用双电桥法测量各合金在不同单级时效条件下的电阻率变化曲线。为了消除接触电势的影响, 采用电流换向法,取一个正向读数和一个反向读数,取两次测得的电阻率的算术平均值。利用公式 可以得到电阻率的变化趋势。预拉伸是在CSS–44100电子万能材料试验机上完成。在401MVDTM数显显微维氏硬度计上进行硬度测试,每个试样测5个值,取平均值。采用POLYVER-MET金相显微镜观察合金的微观组织。TEM组织观察在TECNAI G2 20电镜上进行,加速电压为200 kV,双喷液采用25%的硝酸,75%的甲醇,试样穿孔后用酒精清洗2~3 min。

2  实验结果

图1所示为合金的时效硬化曲线。从图1中可以看出,合金固溶态的硬度很低,在时效初期,硬度迅速升高,随着时效时间的延长,硬度达到峰值后再下降。没有外加应力时,合金硬度随时效时间的延长而增大,在12 h就达到峰值(161.5 HV),然后逐渐下降。应力时效的硬度在16 h达到峰值(157.9 HV),在1~16 h时,硬度出现一个缓慢上升的过程,这是GP区(或GPB区)形成所致。与普通时效相比,应力时效的欠时效过程明显延长,硬化速率缓慢。表明时效过程中外加应力显著降低合金的时效硬化能力,并减慢合金的硬化速度。值得注意的是,应力时效的峰值硬度稍低于普通时效的峰值硬度。另外,合金硬度达到峰值后,在很长的时间范围内仍然保持较高的硬度,这是由于Ω相具有较高的热稳定性所致[13]

图1  不同外加应力时合金的时效硬化曲线

Fig.1  Aging hardening curves of Al-Cu-Mg-Ag alloy at different external stresses

图2所示为合金的相对电阻率随时效时间的变化。由图2可看出,合金的相对电阻率在时效初期都经历一个增大的过程,达到峰值后,随着时间的延长,相对电阻率减小,并最终趋于稳定,形成一个平台。应力时效的电阻峰值明显高于普通时效的,且达到峰值后,相对电阻率的减小速度低于普通时效的,而最终形成的平台高于普通时效的,这可能是外加应力增加合金中位错等缺陷,抑制了Ω相的析出所致。

图3所示为合金在不同时效条件下的金相组织。从图3中可以看出,合金中晶粒均为等轴晶,发生完全再结晶。应力时效和无应力时效合金时,晶粒尺寸都在10~30 μm范围内,这说明时效过程中,施加外加应力并没有改变Al-Cu-Mg-Ag合金的晶粒尺寸。

图2  合金的相对电阻率变化曲线

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