7475-T7351鋁合金厚板的斷裂韌性

陳軍，段雨露，彭小燕，曹曉武，徐國富, 3，尹志民, 3

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7475-T7351鋁合金厚板的斷裂韌性

陳軍1, 2，段雨露2，彭小燕2，曹曉武2，徐國富2, 3，尹志民2, 3

(1. 中南大學 粉末冶金研究院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；3. 中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

以25 mm厚7475?T7351鋁合金板材為對象，研究板材的斷裂韌性及其各向異性，借助光學金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)的觀察及分析探討該板材組織與斷裂韌性的關系。研究結果表明：7475?T7351鋁合金板材具有良好的斷裂韌性，但存在一定的各向異性，?向的斷裂韌性值IC=43.80MPa·m1/2，較?向的IC=36.31 MPa·m1/2高約20%；在?向斷口上以穿晶韌窩為主，而在?向斷口上沿晶斷裂比例增加；韌窩中大都可以觀察到含雜質Fe元素的粗大硬脆第2相粒子；板材中扁平狀晶粒及粗大硬脆第2相的分布是造成其斷裂韌性各向異性的原因。

7475鋁合金厚板；T7351；斷裂韌性；晶粒組織；含F(xiàn)e雜質相

7000系鋁合金由于強度高、密度小而被廣泛用作飛機的結構材料。在實際服役過程中，這些鋁合金材料有時會在遠低于屈服強度的條件下突然發(fā)生斷裂，對飛機的安全性構成嚴重威脅。在這些材料中通常會存在一些裂紋和缺陷，因此，在飛機的損傷容限設計中，材料的斷裂韌性是一個關鍵指標。飛機的某些主要構件不僅要求材料具有較高強度，而且要具有較高韌性。為滿足這些需求，人們開發(fā)了7475鋁合金。7475鋁合金是在7075鋁合金基礎上研制開發(fā)的高純度超高強Al-Zn-Mg-Cu合金。與7075鋁合金相比，7475鋁合金主要減少了Fe和Si雜質的含量，在保持高強度、低密度基礎上提高了抗應力腐蝕性能尤其是斷裂韌性[1?4]，因而在美國的F-15和F-16等飛機上獲得應用。國外對7475鋁合金斷裂性能進行了研究[5?7]。國內對7475鋁合金的研究主要集中在固溶和時效等熱處理制度對合金組織與性能的影響方面[8?10]，而對斷裂韌性研究較少[11?14]。為此，本文作者研究25 mm厚7475-T7351鋁合金板材縱向和橫向的斷裂韌性，并結合微觀組織分析結果探討組織與斷裂韌性之間的關系。

1 實驗方法

1.1 材料及成分

采用25 mm厚的7475-T7351鋁合金板材，其化學成分見表1。該合金的Fe和Si雜質元素質量分數(shù)很低，為獲得高斷裂韌性奠定了成分基礎。

表1 7475合金板材的化學成分(質量分數(shù))

1.2 斷裂韌性測試

試樣按檢測標準HB 5142—96取材并加工成緊湊拉伸試樣，如圖1所示?？v向和橫向樣品各取5個試樣，在MTS810?100 kN型試驗機上進行試驗。實驗前先參照7475鋁合金板材縱向和橫向的屈服強度選取載荷，預制2 mm疲勞裂紋，依據(jù)HB 5142—96標準進行斷裂韌性試驗。

(a) 軋向；(b) 橫向

試樣厚度為，寬度為。實驗通過引伸計測定斷口處裂紋長度，外加載荷為Q，通過下式計算得到平面應變斷裂韌性IC的條件值Q：

1.3 微觀組織及斷口分析

取板面、縱截面、橫截面3個方位的樣品，在臥式金相顯微鏡Nephot?2上觀察金相組織。在Sirion 200場發(fā)射掃描電鏡上對樣品的斷口進行觀察和分析，通過能譜(EDX)分析斷口韌窩內的粒子，對典型視場進行照相。透射電鏡組織觀察采用雙噴薄片樣，在 Tecnai G220ST型透射電鏡上進行，主要觀察合金板材中亞晶粒形態(tài)、晶粒內部及晶界上析出粒子粒徑、形貌和分布。

2 實驗結果及分析

2.1 板材的金相組織

圖2所示為25 mm厚7475-T7351鋁合金板材的三維金相顯微組織照片。從圖2可以看出：板材中晶粒組織沿軋制方向被拉長成纖維狀，板面晶粒既沿軋制方向被軋長，又沿橫向略被軋寬，在橫截面上可以看到扁狀的晶粒斷面；還可觀察到很多黑色的第2相，大都沿著軋制方向呈鏈狀分布。

L—長向；T—長橫向；ST—短橫向

2.2 斷裂韌性測試結果

表2所示為7475鋁合金板材的斷裂韌性測試結果。從表2可以看出：板材?向和?向試樣斷裂韌性的最大值和最小值相對誤差都在2%以內，說明板材組織和性能的均勻性較好；板材?向斷裂韌性值為43.80 MPa·m1/2，高于目標值42 MPa·m1/2；板材?向的斷裂韌性值為36.31 MPa·m1/2，高于目標值35 MPa·m1/2；板材如此高的斷裂韌性與其低的Fe和Si雜質元素質量分數(shù)有關系。此外，板材?向的斷裂韌性值比?向的斷裂韌性值高約20%，即板材的斷裂韌性存在各向異性。

表2 7475合金板材斷裂韌性KIC測試結果

2.3 斷裂韌性斷口特征

一般在斷裂韌性測試試樣的斷口上?？捎^察到不同的區(qū)域即預制裂紋區(qū)、平面應變區(qū)、平面應力區(qū)和快速斷裂區(qū)[15]，因此，采用掃描電鏡對?向和?向試樣斷口的預制裂紋區(qū)和平面應變區(qū)及其過渡區(qū)域進行觀察，以分析其斷裂機理和斷裂韌性的各向異性。板材?向和?向斷裂韌性樣品斷口形貌的掃描電鏡照片分別見圖3~5。由圖3可知：在低倍下，板材?向試樣的斷口上可觀察到預制裂紋區(qū)和平面應變區(qū)(圖3(a)和3(b))；在預制裂紋區(qū)，斷口特征為疲勞條帶和撕裂棱(圖3(c)和3(d))；在平面應變區(qū)，斷口特征為明顯的韌窩(圖3(e)和3(f))。從斷口組織形態(tài)分析，板材組織明顯呈現(xiàn)韌性斷裂特征即韌窩組織。從圖3(e)可看到大量的大而深的穿晶韌窩，韌窩直徑在20 μm左右，分布沒有規(guī)律。韌窩中可觀察到已經(jīng)破碎的硬脆相粒子，如圖3(f)所示。從硬脆相粒子的能譜分析結果圖4和表3可知：硬脆相粒子中主要含有Al，F(xiàn)e和Cu元素，還有少量的Mg元素，應為Al-Zn-Mg-Cu合金中典型的初生相Al7Cu2Fe相，對合金的韌性有不利影響。從圖3(f)還可看出在這些含硬脆相粒子韌窩周圍存在群狀分布的小韌窩，這與晶內彌散分布的Al12MgCr粒子有關。顯微孔洞引起的穿晶斷裂將導致塑性變形能耗散，因此，在斷口上顯微孔洞所占的比例越大，斷裂韌性值越高[16]。而硬脆相粒子和基體的剝落或斷裂所耗散的塑性變形能很小，因此，斷口上的硬脆相粒子越多，斷裂韌性值越小?？梢?，降低Fe和Si雜質元素質量分數(shù)，減少硬脆相粒子數(shù)量有利于提高斷裂韌性[17]。

(a) 斷口整體形貌；(b) 預制裂紋區(qū)和平面應變區(qū)的過渡區(qū)；(c) 預制裂紋區(qū)的疲勞條帶(低倍)；(d) 預制裂紋區(qū)的疲勞條帶(高倍)；(e) 平面應變區(qū)韌窩(低倍)；(f) 韌窩中的第2相

圖4 圖3(f)韌窩中第2相能譜分析結果

表3 第2相粒子能譜分析的典型結果(質量分數(shù))

對比圖3(a)和圖5(a)可知：板材?向試樣的斷口上觀察到的平面應變區(qū)和?向的平面應變區(qū)有所差別：在低倍下?向試樣的平面應變區(qū)呈纖維狀，而?向試樣略呈均勻的蜂窩狀；在預制裂紋區(qū)，?向斷口特征為明顯的疲勞條帶和撕裂棱(圖5(c)和(d))，但與?向的相比，撕裂棱似乎要少且低，而且撕裂棱所包圍的疲勞條帶的長度更長。在?向試樣的平面應變區(qū)，可以觀察到大量呈規(guī)律分布的大韌窩，趨向形成韌窩帶，沿著軋制方向聚集，直徑平均為20 μm左右，如圖5(e)所示。這應與軋制變形后板材中的粗大第2相粒子的分布有關系。另外，在L?T平面上，斷口上可觀察到很多呈平行分布的沿晶裂紋，在低倍下觀察斷口呈現(xiàn)纖維狀(圖5(a))。T?L向中大韌窩中的硬脆相粒子同樣呈破碎狀，顯然，在變形過程中發(fā)生了破裂并與基體剝離，能譜分析表明這些粒子也是Al7Cu2Fe相(表3)。大韌窩之間也可觀察到小韌窩群，但比L?T向的數(shù)量要少，而沿晶裂紋的數(shù)量明顯增加。

(a) 斷口整體形貌; (b) 預制裂紋區(qū)和平面應變區(qū)的過渡區(qū)；預制裂紋區(qū)的疲勞條帶：(c) 低倍，(d) 高倍；平面應變區(qū)韌窩：(e) 低倍，(f)韌窩中的第2相

3 討論

7475-T7351鋁合金板材具有很高的斷裂韌性值，不僅與其低的Fe和Si質量分數(shù)有關，還與微觀組織有關。從該合金的化學成分可知(表1)：雜質元素Fe質量分數(shù)很低，只有0.064%，Si的質量分數(shù)只有0.028%，大大減少了合金中粗大的Fe和Si金屬間化合物數(shù)量。在板材斷口上觀察到的粗大金屬間化合物主要為含F(xiàn)e和Cu的Al7Cu2Fe相。Al7Cu2Fe相與鋁基體的結合界面很脆弱，且在變形過程中容易發(fā)生破碎，因此，在斷口上觀察到的都是破碎狀的Al7Cu2Fe相粒子(見圖3和圖5)。在斷裂韌性測試過程中，這些粗大第2相粒子通過本身發(fā)生開裂或導致界面的開裂參與到斷裂過程中，促使裂紋產(chǎn)生，加速板材的斷裂，降低斷裂韌性。

板材的斷裂韌性也與基體中的彌散粒子和沉淀強化相的狀態(tài)有重要關系。根據(jù)組織觀察結果(見圖2)，含Cr的亞微米彌散粒子能提高斷裂韌性。其原因為：1) 含Cr彌散粒子尺寸在100 nm左右，在變形時位錯只能繞過這些粒子，這就減少了平面滑移的產(chǎn)生[18]，防止位錯在晶界堆積而導致應力和應變集中，從而使基體內的變形更加均勻，減少沿晶開裂的產(chǎn)生，提高斷裂韌性值；2) 含Cr彌散粒子抑制再結晶，保留纖維組織。發(fā)生再結晶增加了板材的大角度晶界，促使低能的沿晶開裂產(chǎn)生；而纖維組織中包含大量細小的亞晶粒，促使高能的穿晶斷裂產(chǎn)生[19?20]。因此，彌散粒子的存在能提高合金的斷裂韌性值。此外，基體中的沉淀強化相的狀態(tài)對韌性有很大影響。經(jīng)過T73處理之后，板材的基體沉淀相以較粗大的η′相為主，在變形時，位錯繞過這些粒子，在晶粒內分布均勻。T73處理還降低基體和晶界無沉淀析出帶之間強度的差異，即提高了晶界處的變形抗力，增加其抵抗斷裂的能力。此時，若板材中晶界的第2相較粗大，則晶界抵抗斷裂的能力降低，有可能增加沿晶開裂傾向，降低板材的斷裂韌性值。但從實測的斷裂韌性值(表2)及斷口看(圖3和圖5)，其斷裂方式以粗大第2相開裂形成韌窩為主。因此，晶界粗大第2相對斷裂韌性沒有產(chǎn)生明顯的不利影響。

板材的斷裂韌性呈現(xiàn)明顯的各向異性。就顯微組織而言，板材中包含的是扁平狀晶粒。由于晶粒沿著軋制方向被拉長，故沿軋制方向的晶界很長。這些晶界大多數(shù)位于?平面內，板材經(jīng)過大壓下軋制變形后含雜質元素Fe和Si等的粗大第2相粒子也分布在這些平面內，且主要分布在晶界上，如圖6(a)所示。當受到平行于方向的拉應力時，微孔首先在晶界處萌生、聚集并長大(圖6(b))，導致沿晶裂紋形成，并在向應力的作用下沿著晶界擴展，產(chǎn)生沿晶斷裂(圖6(c))。當然，在?平面內若晶粒內部也有粗大第2相粒子時，則在一定條件下也可導致微孔的萌生、聚集和長大，產(chǎn)生穿晶斷裂。而對于?方向的試樣，由于垂直于方向上面內的晶界較短，且晶界不在1個平面內，而是呈曲折分布(圖6(a))，與上述情況有較大差別。雖然在向應力的作用下，微裂紋可在晶界第2相粒子上形核并沿晶擴展(圖6(c))，但很容易遇到相鄰晶粒的晶內組織而不是晶界(圖6(d))。在這種情況下，裂紋要繼續(xù)擴展，要么改變方向，沿著平行于方向的晶界擴展(圖6(f))；要么穿過相鄰晶粒的內部，而形成穿晶斷裂(圖6(e))。由于受到方向的拉應力，晶界更易沿著與其垂直的方向擴展，結果就形成了更多的穿晶斷裂。穿晶斷裂是高能斷裂，所需要的能量較沿晶斷裂更多，因此，?方向的斷裂韌性值要高于?方向的斷裂韌性值。

(a) 板材的晶粒組織及粗大第2相分布；(b) 在T向應力作用下粗大第2相周圍萌生孔洞；(c) 在T向應力作用下裂紋沿晶擴展；(d) 在L向應力作用下粗大第2相周圍的孔洞；(e) 在L向應力作用下穿晶裂紋形成；(f) 在L向應力作用下沿晶裂紋的形成

由2個方向的斷口形貌可知(圖3和圖5)：?向的拉伸斷口，沿晶開裂現(xiàn)象明顯，且呈層狀分布，這與縱截面上晶粒形態(tài)有關系，如圖2所示。在開裂面上有韌窩存在，顯然是由晶界上第2相質點所引起。?向的拉伸斷口上沿晶裂紋明顯減少，可觀察到很多穿晶大韌窩。晶粒的內部分布著大量的強化相，在受力時，位錯滑移，大都會繞過這些強化相粒子而形成位錯環(huán)，并在粒子周圍堆積。隨著變形的進行，應力不斷增加，在其與基體的界面上萌生微孔，微孔粗化長大，使相鄰的微孔連通起來而形成微裂紋；微裂紋擴展遇到硬脆相粒子周圍的微裂紋，將其連接起來，最后斷裂，形成圖3所示的形貌。

由以上分析可知：正是由于7475-T7351鋁合金中板材的晶粒結構和粗大第2相的分布特征導致了板材斷裂韌性的各向異性。

4 結論

1) 7475-T7351鋁合金板材具有良好的斷裂韌性，但存在一定的各向異性，?向的斷裂韌性值IC=43.80 MPa·m1/2，較?向的IC=36.31 MPa·m1/2，高了約20%。

2) 在?向上斷口以穿晶韌窩為主，而在?向上除穿晶韌窩外還可觀察到一些沿晶裂紋。

3) 韌窩中大都可以觀察到含雜質Fe元素的粗大硬脆第2相粒子。

4) 板材中扁平狀晶粒及粗大硬脆第2相的分布是造成其斷裂韌性各向異性的原因。

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Fracture toughness of 7475-T7351 aluminum alloy thick plate

CHEN Jun1, 2, DUAN Yulu2, PENG Xiaoyan2, CAO Xiaowu2, XU Guofu2, 3, YIN Zhimin2, 3

(1. Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3. Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering of Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China)

The fracture toughness and its anisotropy of 25 mm 7475-T7451 aluminum alloy thick plate were investigated. The relationship between its microstructure and fracture toughness was explored by means of optical microscopy and scanning electron microscopy. The results show that the fracture toughness is high but anisotropic for the plate, for?orientationIC=43.80 MPa·m1/2, about 20% higher than that of?orientationIC=36.31 MPa·m1/2.The fractography indicates that intragranular dimples are dominant on the fracture surface of?orientation, and the ratio of intergranular fracture increases on?orientation. Coarse and brittle Fe-containing particles can be observed in most dimples. The pancake-shaped grains and distribution of coarse and brittle particles are supposed to be responsible for the anisotropy of fracture toughness.

7475 aluminum alloy thick plate; T7351; fracture toughness; grain structure; Fe-containing phase

TG174.3

A

1672?7207(2015)02?0437?07

2014?08?20；

2014?10?08

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(G2005CB623705)(Project (G2005CB623705) supported by the National Basic Research Development Program of China (973 Program))

徐國富，博士，教授，從事高性能鋁合金的研究；E-mail: csuxgf66@csu.edu.cn

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.009

(編輯 陳燦華)