Fe和Si含量对2519铝合金组织与力学性能的影响
李慧中，梁霄鹏，张新明，黄伯云，张传福
(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
摘 要：通过显微硬度测试、力学性能测试、扫描电镜和透射电镜分析等手段研究Fe和Si元素的含量对2519铝合金的组织与力学性能的影响。研究结果表明：随着Fe和Si含量的减少，2519铝合金的时效硬化效果逐渐增强；随着Fe和Si含量的增加以及m(Fe)/m(Si)的降低，2519铝合金的抗拉强度逐渐降低；当w(Fe+Si)＞0.14%及m(Fe)/m(Si)＜2.7时，2519铝合金的抗拉强度随w(Fe+Si)的增加和m(Fe)/m(Si)的降低显著下降；Fe和Si含量较低的合金中的析出相主要是强化相θ′相；Fe和Si含量较高的2519铝合金中，除析出θ′相外，在晶界析出粗大的AlCuFe相，降低了θ′相的数量，合金的强度降低。
关键词：
中图分类号：TG146.2+1 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)03-0527-05
Effects of Fe and Si on microstructures and mechanical properties of
2519 aluminum alloy
LI Hui-zhong, LIANG Xiao-peng, ZHANG Xin-ming, HUANG Bai-yun, ZHANG Chuan-fu
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Effects of different contents of Fe and Si on microstructures and properties of 2519 aluminum alloy were investigated through micro hardness tests, mechanical property tests, transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope(SEM). The results show that the age-hardening gradually increases with the decrease of content of Fe and Si. The strength of the alloy decreases with the increase of Fe and Si as well as the decrease of the mass ratio of Fe to Si. The tensile strength dramatic decreases when the mass fraction of Fe and Si is over 0.14% and the mass ratio of Fe to Si is lower than 2.7. The main precipitated phase of 2519 aluminum alloy with little Fe and Si is θ′ phase, which is the most important strengthening phase. However, when the mass ratio of Fe and Si is high, coarse AlCuFe phase precipitates at grain boundary and decreases the number of θ′ phase, which results in the decrease of the strength of 2519 aluminum alloy.
Key words: 2519 aluminum alloy; Fe; Si; microstructure; mechanical property
2519铝合金具有优良的力学性能、抗弹性能、焊接性能及抗应力腐蚀性能，主要用于飞机蒙皮、火箭、舰船等的结构件和两栖装甲突击车、空投空降车等装甲材料[1-4]。人们就微量元素对2519铝合金的作用机理进行了研究，如S. Dymek等[5]认为随2519铝合金中Cu含量增加，合金的抗应力腐蚀的敏感性增强；李慧中等[6]研究了稀土Y对2519铝合金铸态组织的影响，认为0.10%的Y可细化合金的铸造组织，但过量的Y(＞0.20%)反而使合金的铸态组织粗化[6]；适量的Mg和Ag在2519铝合金中形成Ω相使合金的力学性能提高，但过量的Mg会降低合金的焊接性能[7]；适量的Mn和Zr可细化2519铝合金的再结晶晶粒，提高合金的力学性能[8-9]，人们对该合金焊接性能、热变形行为及腐蚀性能方面进行了研究[10-13]。Fe和Si元素作为铝合金中最常见的杂质元素对铝合金的性能有重要的影响，严格控制Fe和Si在铝合金中的含量是提高铝合金性能的一种有效方法。在高纯铝箔的再结晶织构中，立方织构是主要织构，其体积分数主要受Fe杂质含量的控制：随着Fe含量的增加，立方织构变 弱[14]。在铸造铝合金中，当w(Fe)＜0.7%时，通常形成薄片状的Al-FeSiAl5-Si共晶组织；当w(Fe)＞0.7%时会出现针状的FeSiAl5初生晶组织，使铸造铝合金的力学性能和电导率下降[15]。随着Fe和Si含量的增加，7A04铝合金的力学性能下降，Si的影响比Fe的影响更大[16]。但目前，人们就Fe和Si对2519铝合金作用的研究较少，在此，本文作者就w(Fe+Si)及m(Fe)/m(Si)对2519铝合金组织和力学性能的影响进行研究，以期为控制2519铝合金中Fe和Si含量的范围提供理论和实验依据。
1 实验材料及方法
1.1 材料制备
实验合金化学成分见表1。用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，熔炼温度为780 ℃，用KCl+NaCl精炼，于740 ℃将合金液浇入预热至250 ℃的铁模中，合金铸锭的尺寸(长×宽×高)为100 mm×100 mm× 25 mm。铸锭经525 ℃×16 h均匀化处理，铣面及蚀洗后将厚度为20 mm的铸锭在电炉中加热至440 ℃，保温2 h后热轧至2.4 mm。合金的形变热处理工艺为：530 ℃×2 h固溶，水淬(水温15 ℃)→冷变形10%→170 ℃时效。
表1 实验合金的化学成分
Table 1 Chemical composition of experimental alloys
1.2 性能测试
用HVB-10A小负荷维氏硬度计测定2519铝合金硬度，其中：负荷为50 N，加载时间为30 s。在CSS-44100电子拉伸机上，进行拉伸实验，测定值取5个试样的平均值，拉伸试验机的拉伸速度为2 mm/min；断口扫描分析在Sirion200场发射扫描电镜上进行(加速电压为20 kV)；透射电镜分析在TecnaiG220型电镜下进行，样品先用机械方法减薄至厚度为0.08 mm的薄片，在MIT－Ⅱ型双喷电解仪上用30% HNO3+70% CH3OH(体积分数)溶液双喷减薄，采用液氮冷却，双喷温度为-25 ℃，电压为10~20 V，电流为80~100 mA。
2 实验结果与分析
2.1 合金时效硬化行为
不同Fe和Si含量的2519铝合金在170 ℃时的时效硬化曲线如图1所示。由图1可以看出：不同Fe和Si含量的合金均表现出时效硬化行为；随着时效时间的增加，合金硬度逐渐增大；当达到峰值时效时间时，合金硬度达到最大，继续增加时效时间，合金进入过时效阶段，其硬度开始降低；各合金的时效过程均经历欠时效、峰值时效、过时效3个阶段；当Fe和Si含量较低时(合金1)，合金峰值硬度最高；随着合金中Fe和Si含量的增加，峰值时效硬度逐渐降低；在时效的开始阶段，合金的硬度相差不大，当时效12 h后，合金的硬度相差开始变化，合金1和2的硬度迅速增大，而合金3~5的硬度缓慢增加。但是，Fe和Si含量对2519铝合金在170 ℃达到峰值时效的时间影响不大，均为21 h。
1—合金1；2—合金2；3—合金3；4—合金4；5—合金5
图1 2519铝合金于170 ℃时的等温时效硬化曲线
Fig.1 Isothermal age-hardening curves of 2519 aluminum alloy at 170 ℃
2.2 2519铝合金拉伸性能
Fe和Si含量不同的合金经峰值时效处理后的力学性能如表2所示，Fe和Si含量与合金强度的关系如图2和图3所示。由图2可以看出，随着w(Fe+Si)的增加，合金的强度和伸长率都逐渐降低；当w(Fe+Si)＜0.14%时，随着w(Fe+Si)含量的增加，合金的强度缓慢降低；当w(Fe+Si)＞0.14%时，随着w(Fe+Si)含量的增加，合金的强度迅速降低。从图3可以看出，随着m(Fe)/m(Si)的增加，合金的强度和伸长率提高；当m(Fe)/m(Si)＜2.7时，随着m(Fe)/m(Si)的提高，合金的强度和伸长率迅速提高；当m(Fe)/m(Si)＞2.7时，合金的强度和伸长率变化不明显，基本趋于稳定。从表2可见，当w(Fe+Si)由0.31%减少到0.07%，m(Fe)/m(Si)由1.8增加到6.0时，2519铝合金的抗拉强度，屈服强度及伸长率分别由460 MPa，405 MPa和9.4%提高到510 MPa，450 MPa和11.5%。
1—抗拉强度；2—伸长率；3—屈服强度
图2 w(Fe+Si)与合金强度的关系
Fig.2 Relationship of w(Fe+Si) and mechanical properity
1—抗拉强度；2—伸长率；3—屈服强度
图3 m(Fe)/m(Si)与合金强度的关系
Fig.3 Relationship of m(Fe)/m(Si) and mechanical propertiy
表2 实验合金的力学性能
Table 2 Mechanical properties of the experimental alloys
2.3 合金透射显微分析
w(Fe+Si)不同时合金的透射显微形貌如图4所示。
(a) 合金1；(b) 合金5
图4 试验合金峰值时效态TEM形貌
Fig.4 TEM images of microstructure of alloys in peak ageing condition
从图4可以看出，在w(Fe+Si)较低的合金中(见图4(a))，晶界析出连续细链状的θ相，在晶内析出大量细小的针状θ′相，这些析出相均匀分布；随着w(Fe+Si)的增加，晶界析出粗大的第2相，这些粗大相有聚集成堆的现象，而晶内析出的θ′相明显粗化，且数量有所减少(见图4(b))。对晶界粗大的第2相粒子(图4(b)中A)进行能谱分析可知，该相为含有Fe的AlCuFe相(见图5)。随着Fe和Si含量的增加，晶界处析出粗大的AlCuFe化合物。这些化合物是在铸造时结晶形成的，主要是因为Cu和Fe的原子半径比Al的原子半径大，而Si与Al的原子半径相当，若Cu和Fe原子进入晶格内，则势必引起较大的晶格畸变，使系统的能量增加，而晶界原子排列较松散，Cu和Fe的化合物在晶界上聚集引起的畸变能要比在基体内析出产生的畸变能小得多。为了使系统的自由能降低，Cu和Fe原子只能向原子排列不规则的晶界富集，因而沿晶界或枝晶间分布。这些粗大的化合物一方面由于割裂了基体，降低了合金的强度和塑性；另一方面，消耗了基体中的部分Cu，使基体组织中固溶的Cu含量降低，析出的强化相θ′数量减少、尺寸增大，因而合金的强度和塑性降低。
图5 合金5中粗大相(对应图4(b)中的A点)EDAX能谱
Fig.5 EDAX spectrum of coarse phase of alloy 5 (point A shown in Fig.4(b))
2.4 合金拉伸断口形貌
图6所示为Fe和Si含量不同的合金拉伸断口的扫描电镜形貌。由图6(a)可以看出，w(Fe+Si)低的合金1(见表2)，其拉伸断口断面韧窝直径及分布较均匀，表现出明显的塑性流动；w(Fe+Si)高的合金5，其断口断面上的韧窝数量较少，且较浅，分布不均匀，有明显的沿晶断裂特征，并有粗大的沿晶裂纹，塑性流动不如合金1的剧烈(图6(b))，这是因为粗大的AlCuFe化合物在晶界分布，降低了晶界的强度，裂纹沿晶界扩散遇到的阻力减小，扩散过程所需的能量少，所以，材料在断裂过程中吸收的能量少，材料的塑性和韧性降低。
(a)合金 1；(b) 合金5
图6 实验合金拉伸断口SEM形貌
Fig.6 SEM images of tensile fractographies of alloys
3 结 论
a. 2519铝合金的时效硬化行为随w(Fe＋Si)的降低及m(Fe)/m(Si)的增加而逐渐增强，Fe和Si含量的变化对合金峰值时效时间影响不大，峰值时效时间均为21 h。
b. 当w(Fe+Si)由0.31%减少到0.07%，m(Fe)/m(Si)由1.8增加到6.0时，2519铝合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由460 MPa，405 MPa和9.4%提高到510 MPa，450MPa和11.5%；2519铝合金中Fe和Si含量应控制为：w(Fe+Si)＜0.14%，且m(Fe)/m(Si)＞2.7。
参考文献：
[1] Hamilton B C, Saxena A. Transient crack growth behavior in aluminum alloys C415-T8 and 2519-T87[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1999, 62(1): 1-22.
[2] Devincent S M, Devletian J H, Gedeon S A. Weld properties of the newly developed 2519-T87 aluminum armor alloy[J]. Welding Journal, 1988, 67(7): 33-43.
[3] Kramer L S, Blair T P, Blough S D, et al. Stress-corrosion cracking susceptibility of various product forms of aluminum alloy 2519[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2002, 11(6): 645-650.
[4] James J F, Lawrence S K, Joseph R P. Aluminum alloy 2519 in military vehicles[J]. Advanced Materials and Processes, 2002, 160(9): 43-46.
[5] Dymek S, Dollar M. TEM investigation of age-hardenable Al 2519 alloy subjected to stress corrosion cracking tests[J]. Materials Chemistry and Physics, 2003, 81(2/3): 286-288.
[6] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 钇对2519铝合金铸态组织的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2005, 36(4): 545-549.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Effect of yttrium on as-cast microstructure of 2519 aluminum alloy[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2005, 36(4): 545-549.
[7] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 微量Mg和Ag在Al-5.8Cu-0.3Mn合金中的合金化作用[J]. 金属热处理, 2006, 31(2): 50-52.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Alloying role of trace Mg and Ag element in Al-5.8Cu-0.3Mn alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(2): 50-52.
[8] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. Zr含量对2519铝合金组织与力学性能的影响[J]. 金属热处理, 2004, 29(11): 11-14.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Effect of Zr content on microstructures and properties of 2519 aluminum alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2004, 29(11): 11-14.
[9] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. Mn含量对2519铝合金的组织与力学性能的影响[J]. 航空材料学报, 2007, 27(1): 1-5.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Effect of Mn on microstructures and mechanical properties of 2519 aluminum[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2007, 27(1): 1-5.
[10] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 2519铝合金焊接接头的组织与性能[J]. 中国有色金属学报, 2004, 14(6): 956-960.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Microstructures and properties of welded joint of 2519 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004,14(6): 956-960.
[11] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 2519铝合金热变形行为研究[J]. 中国有色金属学报, 2005, 15(4): 621-625.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Hot deformation behavior of 2519 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(4): 621-625.
[12] 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 热处理制度对2519合金的晶间腐蚀性能的影响[J]. .材料热处理学报, 2005, 26(1): 20-23.
LI Hui-zhong, ZHANG Xin-ming, CHEN Ming-an, et al. Effect of heat treatment on intergranular corrosion of 2519 aluminum alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2005, 26(1): 20-23.
[13] 张新明, 龚敏如, 李慧中, 等. 2519铝合金薄板在不同时效状态的抗晶间腐蚀能力[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2004, 35(3): 349-352.
ZHANG Xin-ming, GONG Min-ru, LI Hui-zhong, et al. Effect of ageing tempers of aluminum alloy 2519 sheet on intergranular corrosion[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2004, 35(3): 349-352.
[14] 张新明, 孟 亚, 周卓平. Fe杂质对高纯铝箔再结晶织构及比电容的影响[J]. 中国有色金属学报, 1999, 9(1): 19-24.
ZHANG Xin-ming, MENG Ya, ZHOU Zhuo-ping. Effects of Fe impurity on recrystallization textures and specific capacitances of high pure aluminum foils[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(1): 19-24.
[15] 田荣璋, 王祝堂. 铝合金及其加工手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1988.
TIAN Rong-zhang, WANG Zhu-tang. Handbook of aluminum alloy and fabrication[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1988.
[16] 张春波, 郭淑兰, 徐忠艳. Fe、Si杂质对7A04铝合金组织和性能的影响[J]. 轻合金加工技术, 2003, 31(1): 38-40.
ZHANG Chun-bo, GUO Shu-lan, XU Zhong-yan. Effect of Fe and Si impurities on structures and properties of 7A04 aluminum alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2003, 31(1): 38-40.
收稿日期：2007-07-24；修回日期：2007-09-29
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(2005CB623706)；中国博士后基金资助项目(20070420828)；中南大学博士后基金资助项目(2007-08)
通信作者：李慧中(1968-)，男，湖南衡阳人，博士后，副教授，从事高强、高韧铝合金研究；电话：0731-8830377；E-mail: lhz606@mail.csu.edu.cn
