DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.05.031
ECAP制备的亚微米7050铝合金的力学性能和微观结构
郑立静 张焱 曾梅光 陈昌麒
北京航空航天大学材料科学与工程学院
东北大学理学院
北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京100083
沈阳110004
摘 要:
采用等通道角挤压法 (ECAP法 ) 制备亚微米 70 5 0铝合金。为了提高合金的力学性能 , 在挤压过程中增加了固溶时效处理工艺 , 并对 70 5 0铝合金在不同处理工艺条件下的显微组织和力学性能的变化进行了研究。结果表明 :ECAP挤压后进行固溶和时效处理能明显提高合金的力学性能。退火态合金经过ECAP后 , 晶粒尺寸明显细化到亚微米级。将挤压一次的试样进行固溶处理和时效处理 , 合金的强度在 5 75MPa左右 , 而延伸率能达到2 5 .5 %左右 ;若经等通道角挤压过的试样在固溶处理后立即进行再次挤压 , 并配合时效处理 , 合金强度能迅速达到 6 16MPa , 延伸率为 16 .9%。
关键词:
ECAP ;7050铝合金 ;固溶处理 ;时效处理 ;力学性能 ;
中图分类号: TG146.2
收稿日期: 2001-10-22
基金: 国家自然科学基金资助项目 ( 5 97710 2 0);
Microstructure and mechanical properties of submicrometer 7050 aluminum alloy prepared by ECAP
Abstract:
Experiments were conducted to investigate the microstructure and mechanical properties of 7050 aluminum alloy processed by equal channel angular pressing (ECAP) combined with solid solution and aging treatment. It is shown that ECAP is capable of refining the grain size to submicrometer level rapidly; for the 7050 alloys solid solution treated and aged after ECAP (process 2) , ultimate tensile strength σ b increases to about 575 MPa, elongation to failure δ increases to about 25.5%; if adding ECAP again immediately after solid solution treating (process 3) , σ b can reach about 616MPa, δ about 16.9%. So, the combination of heat treatment in the process of ECAP can obtain high strength and good ductility of 7050 alloys, which is very important for its prospect of application.
Keyword:
ECAP; 7050 aluminum alloy; solid solution treatment; aging; mechanical properties;
Received: 2001-10-22
等通道角挤压法 (ECAP) 是由Segal和他的同事提出来的
[1 ]
, 它使样品在压力作用下, 通过互成φ 角的两个等面积通道, 当样品经过两个通道的交界面时, 受到剪切力作用, 而挤压的样品截面积仍保持不变, 可以实现反复挤压, 并由此改善材料的性能。 由于细晶材料具有一系列不寻常的性能, 目前关于应用此法将材料晶粒尺寸细化到亚微米级的报道有很多
[2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 ,11 ,12 ]
, 一般都应用在金属材料和一些金属间化合物上, 从而获得性能优异的大块体细晶材料。 但是人们通常研究的是不同的挤压路径和挤压次数对合金性能的影响
[13 ,14 ,15 ,16 ]
, 关于在挤压过程中进行中间热处理对合金性能的影响目前很少有文献报道。 因而, 本文作者应用等通道角挤压方法配合热处理工艺研究航空航天材料7050超高强铝合金, 目的是提高该合金的综合性能。
1 实验方法
实验用原始材料系直径为8 mm, 长为55 mm的7050铝合金挤压材料, 其化学成分 (质量分数, %) 为: Zn6.09, Mg1.91, Cu2.14, Zr0.08, Ti0.045, Mn<0.1, Cr<0.04, Fe<0.12, Si<0.05, 余量Al。 所用模具示意图如图1所示, 其中φ =120°, ψ =60°。
为了减小模具内壁与试样表面接触部位的摩擦, 挤压之前, 分别在通道的内壁和试样的表面涂了一层MoS2 润滑油。 挤压速度可以控制在0.5 mm/s左右。
采用电镜技术和拉伸试验对经过等通道角挤压后7050合金的显微组织和力学性能进行分析。 电镜观察在JEOL-200CXTEM上进行, 加速电压为100 kV。 拉伸试验在日本岛津AG-10TA型电子拉伸试验机上进行。 拉伸试样取向长轴沿板材纵向, 试样标距为10.00 mm, 直径为4.00 mm。
为了方便起见, 实验中不同的处理工艺定义如下 :
方法1 退火+ECAP+时效;
图1 ECAP 挤压模具示意图
Fig.1 Schematic of ECAP die
方法2 退火+ECAP+固溶处理+时效;
方法 3 退火+ECAP+固溶处理+ECAP (二次) +时效。
上述定义中退火状态是试样在553 K保温5 h后随炉冷却, 固溶处理是试样在750 K保温30 min并且冷水淬火, 时效是试样在393 K保温24 h。
2 结果与讨论
2.1 力学性能结果分析
7000系铝合金属于硬铝合金, 常用的7050变形铝合金强度约520 MPa, 由于其强度较高, 通常常温下很难挤压, 因而在ECAP实验前先将7050合金退火处理使其软化。 图2和3分别表示7050合金在不同处理工艺下的力学性能变化情况。 由图2可以看出, 单纯ECAP工艺可以提高退火态7050铝合金的强度, 但是由于退火态合金比较软。 因而提高的程度是有限的 (方法1) 。 于是经过ECAP后, 选取固溶时效处理 (方法2) , 合金的抗拉强度有了很大改善, 仅一次挤压后强度就由原来的266.3 MPa提高到575 MPa。 延伸率保持在22%~26%, 结果见图2和图3。 这说明7050合金经过ECAP和固溶时效处理后, 在强度提高的同时, 塑性也会有明显改善。 但由于试样经过固溶处理后晶粒尺寸会有所增加, 影响合金的性能, 因而将角挤压过的试样固溶处理后放入等通道内再剪切二次 (方法3) , 这时抗拉强度迅速升到616 MPa, 延伸率为16.9%, 然而二次后试样的表面已出现宏观裂纹。 由以上结果可知, 7050合金强度可达600 MPa以上, 而塑性可保持在16%以上, 这对于7000系铝合金的应用前景具有重要的现实意义。
图2 抗拉强度与挤压次数的关系
Fig.2 Relationship between σ b andnumber of pressing
图3 延伸率与挤压次数的关系
Fig.3 Relationship between δ and number of pressing
2.2 电镜结果分析
图4所示是7050合金退火原样电镜照片, 晶界明显, 晶粒的长轴方向约14.3 μm, 短轴方向约7.8 μm。 图5所示是7050退火合金经角挤压一次后又进行固溶时效处理的试样电镜照片。 可见, 经一次挤压后, 材料的晶粒明显拉长并沿剪切方向排列, 晶粒尺寸也明显细化。 图6所示为7050退火合金经角挤压4次后又进行时效处理的试样电镜照片, 其中图6 (a) 采用路径A, 即试样每次挤压时保持方向不变; 图6 (b) 采用路径B, 即试样每次挤压前按同一方向旋转90 ℃; 图6 (c) 采用路径C, 即每次挤压前试样按同一方向旋转180 ℃。 由图6 (a) 可看出, 虽然进行了固溶处理, 滑移带痕迹仍然存在并且变得又细又窄, 宽度大约为0.5 μm, 晶粒更加细化并沿滑移带排列。 由图6 (b) 可以看出, 晶粒呈等轴形, 滑移带痕迹消失, 这与图6 (a) 明显不同, 晶粒尺寸约为0.6 μm。 图6 (c) 的显微组织同图6 (a) 有些相似, 剪切带依然存在, 其中分布着晶粒, 但不同的是采用路径C得到的晶粒形状呈方形。 对比图6 (a) , (b) 和 (c) 可以发现, 挤压路径A对于细化晶粒最有效, 挤压路径B对于形成等轴晶最有效。
图4 7050退火原始样
Fig.4 7050 alloy sample after annealing
图5 采用方法2挤压1次的7050试样
Fig.5 7050 alloy sample after two pressings by method 2
图6 采用方法2等通道角挤压4次的7050试样
Fig.6 7050 samples after 4 pressings by method 2
(a) —Route A; (b) —Route B; (c) —Route C
3 结论
1) ECAP配合固溶时效处理可以显著提高7050铝合金的力学性能。 退火试样在两次ECAP之间增加了固溶处理, 最后又进行时效处理, 这时的抗拉强度为616 MPa, 延伸率约为16.9%, 同传统合金相比, 性能明显得到改善。
2) 7050铝合金经过等通道角挤压、 固溶处理并时效后, 晶粒尺寸细化到亚微米级, 并且有大角度晶界生成。
参考文献
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