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    高Cu/Mg比AlCuMg合金的形變誘導(dǎo)Ω相析出強(qiáng)化

    2018-07-18 11:10:26伍翠蘭周斌牛鳳姣段石云鞏向鵬陳江華
    關(guān)鍵詞:時(shí)效晶粒峰值

    伍翠蘭 周斌 牛鳳姣 段石云 鞏向鵬 陳江華

    摘 要:通過高分辨電子顯微技術(shù)(TEM)、硬度測試、拉伸性能測試等手段研究了預(yù)變形對高Cu/Mg比AlCuMg合金180 ℃人工時(shí)效微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)時(shí)效T6處理,冷軋預(yù)變形(10%~60%)加后續(xù)人工時(shí)效的P-T6工藝使 Al-Cu-Mg合金的屈服強(qiáng)度提高了32%~69%,而延伸率保持在6%~13%.TEM表征發(fā)現(xiàn)T6工藝時(shí)效析出相為θ′相,而P-T6工藝時(shí)效析出相為Ω相和θ′相,Ω相的徑厚比遠(yuǎn)大于θ′相,且數(shù)量上占總析出相的30%~75%.相對于θ′相而言,Ω相具有更好的強(qiáng)化能力和熱穩(wěn)定性.含Mg的AlCuMg合金可通過形變誘導(dǎo)Ω相析出,而不含Mg的AlCu合金不管是否變形均不析出Ω相.

    關(guān)鍵詞:Ω相;Al-Cu-Mg合金;高Cu/Mg比;時(shí)效析出;形變熱處理

    中圖分類號(hào):TG113;TG166.3;TG156.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    Abstract:The effect of pre-deformation on the age hardening behaviors, tensile properties and precipitate characteristics of an Al-Cu-Mg alloy with a high Cu/Mg atomic ratio during 180℃ artificial ageing was investigated by using transmission electron microscopy (TEM), hardness test and tensile. The results show that room-temperature rolling of Al-Cu-Mg alloys with a thickness reduction of 10%~60% plus a subsequent artificial ageing (P-T6) can result in the strength increase of 32%~69% with elongation ranging from 6% to 13% compared with the conventional heat treatment process (T6). Transmission electron microscopy (TEM) revealed the main precipitates are Ω and θ′ phase in P-T6 condition instead of θ′ phase in T6 condition. Furthermore, the aspect ratio of Ω phase is much bigger than θ′ and the number of Ω phase reaches the total precipitates of 30% ~75%. Compared with θ′ phase, Ω phase processes better precipitation strengthening and thermal stability. Ω phase can form through deformation-induced-precipitating in Al-Cu-Mg alloys, while Ω phase does not precipitate in Mg-free Al-Cu alloys with or without pre-deformation.

    Key words:Ω phase; Al-Cu-Mg alloys; high Cu/Mg atomic ratio; precipitation; pre-deformation

    Al-Cu-Mg合金以其高強(qiáng)度、優(yōu)異的損傷容限、良好的抗疲勞裂紋生長性能以及杰出的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天及軍工領(lǐng)域[1-2].析出強(qiáng)化是Al-Cu-Mg合金主要的強(qiáng)化方式.根據(jù)合金成分的不同,其析出相結(jié)構(gòu)、類型也會(huì)隨之改變.常規(guī)T6熱處理狀態(tài)下,低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金主要強(qiáng)化相為S-Al2CuMg (Cmcm, a = 0.400 nm, b = 0.923 nm, c = 0.714 nm);高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金主要強(qiáng)化相為θ′-Al2Cu (I4-m2, a=0.404 nm, c=0.58 nm).θ′相是在Al基體的{001}面上析出的一種盤片狀相,其析出序列一般為SSSS→GPI區(qū)→θ′ (GPII區(qū))→θ′→θ[3].另外,Al-Cu-Mg合金還存在一種在Al基體的{111}面上析出的盤片狀Ω析出相[4-10].Ag的添加能促進(jìn)Al-Cu-Mg合金Ω相的析出[11].從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看,Ω相的晶體結(jié)構(gòu)尚未確定,其可能的結(jié)構(gòu)包括單斜結(jié)構(gòu)[12],六角結(jié)構(gòu)[13],正交結(jié)構(gòu)[14]以及四方結(jié)構(gòu)[15]等,目前被普遍認(rèn)可的Ω相結(jié)構(gòu)為正交結(jié)構(gòu)的Ω-Al2Cu (Fmmm, a=0.496 nm, b=0.859 nm, c=0.848 nm )[14].通常認(rèn)為,Ω相具有非常優(yōu)異的抗粗化能力[15-16],使材料具備很好的熱穩(wěn)定性,因此引起人們大量的關(guān)注和利用.但是,在不含Ag的Al-Cu-Mg合金中,常規(guī)T6處理得到的Ω相的數(shù)量非常有限,不能作為合金的主要析出強(qiáng)化相.為了在不含Ag的Al-Cu-Mg合金中析出更多的Ω相,可以采用預(yù)變形加時(shí)效的方法來促進(jìn)Ω相的析出.

    形變加時(shí)效的方法(又稱形變熱處理)不僅能夠使材料獲得加工硬化,而且后續(xù)時(shí)效釋放形變應(yīng)力的同時(shí)還能促進(jìn)析出相快速彌散形核和生長,甚至可以改變析出相的結(jié)構(gòu)和析出序列,因此形變熱處理工藝能夠在不損壞鋁合金塑性的前提下提高強(qiáng)度,非常適用于實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用.例如, Huang等人采用冷軋40%+175 ℃ 1 h人工時(shí)效使低Cu/Mg比的Al-4.45 Cu–1.50 Mg–0.54 Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金形成高密度細(xì)小彌散的S''相及大量的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu),同時(shí)賦予材料高強(qiáng)度(601 MPa)和大的斷后延伸率(12%) [17].Zhao等人通過對低Cu/Mg比的2024合金進(jìn)行不同變形量的冷軋然后人工時(shí)效的工藝,發(fā)現(xiàn)2024合金析出相發(fā)生了改變,由S相強(qiáng)化變?yōu)榱甩笍?qiáng)化,并且力學(xué)性能得到了提高[9].對高Cu/Mg比的Al-5.0Cu-0.5Mg (質(zhì)量分?jǐn)?shù))[6]和2519合金[5]進(jìn)行少量的預(yù)變形然后人工時(shí)效,發(fā)現(xiàn)預(yù)變形加人工時(shí)效處理使合金由傳統(tǒng)T6工藝獲得的θ′系列析出強(qiáng)化轉(zhuǎn)變成θ′和Ω相共同析出強(qiáng)化,同時(shí)合金強(qiáng)度也有一定的提高[5-6].但是由于變形時(shí)引入了位錯(cuò),并且晶粒也得到了不同程度的細(xì)化,上述文獻(xiàn)沒有定量分析Ω相對強(qiáng)度的貢獻(xiàn).綜上所述,形變量較小的預(yù)變形處理能夠促進(jìn)高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金中Ω相的析出,同時(shí)提高合金的強(qiáng)度.但是,目前為止沒有相關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道大塑性變形對高Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金時(shí)效析出行為的影響.

    本文通過對不含Ag的高Cu/Mg比Al-Cu-(Mg)合金進(jìn)行不同壓下量的冷軋,然后再進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效(本文稱這種預(yù)變形加時(shí)效的工藝為P-T6工藝),系統(tǒng)研究了預(yù)變形對合金力學(xué)性能和析出行為的影響.研究發(fā)現(xiàn)P-T6工藝大幅提高了合金強(qiáng)度,且保持其延伸率仍然在工程應(yīng)用范圍之內(nèi).微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)含Mg的Al-Cu-Mg合金經(jīng)T6處理形成的主要析出相為θ′相,而經(jīng)過P-T6工藝處理后的主要析出強(qiáng)化相為Ω相和θ′相,并且Ω相的相對百分含量(NΩ/N(Ω+θ′))約為30% ~ 75%.不含Mg的Al-Cu合金經(jīng)相同的T6或者P-T6處理后的主要析出相均為θ′相.通過對比含Mg和不含Mg的合金的微觀組織和性能的差異,半定量得出了Ω相對合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn).

    1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

    1.1 實(shí)驗(yàn)材料

    本實(shí)驗(yàn)采用含Mg和不含Mg的A、B兩種合金,其成分如表1所示,兩種合金為同一批金屬型熔煉鑄造所得,且均含有少量Mn等元素,后續(xù)實(shí)驗(yàn)將以A合金為主要研究對象,B合金將作為對比合金來研究.

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    將A、B合金鑄錠同時(shí)進(jìn)行475 ℃×24 h均勻化處理,然后450 ℃×1.5 h保溫,由20 mm熱軋至5 mm,空冷后,將其冷軋成2 mm的板材,經(jīng) 515 ℃×1 h固溶處理后,水淬.一部分試樣直接進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效,稱為T6工藝;另一部分水淬試樣先進(jìn)行室溫下冷軋,再進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效,此工藝簡稱為P-T6工藝.冷軋?jiān)嚇雍穸扔稍瓉淼? mm分別減少至1.8 mm、1.6 mm、1.4 mm、1.2 mm、1 mm,其變形量(即冷軋壓下量)分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%.作為對比合金B(yǎng)合金,其P-T6工藝只選取50%冷軋變形量試樣進(jìn)行研究.

    1.3 分析測試方法

    采用HXD 1000T維氏硬度計(jì),對試樣進(jìn)行顯微硬度測試,所用載荷為4.9 N,加載時(shí)間為10 s,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,每個(gè)試樣均取7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量,并取平均值.采用50 kN級(jí)MTS Landmark電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行靜態(tài)拉伸測試,拉伸速度為2 mm/min,每種狀態(tài)測試3個(gè)樣品,取平均值,其中靜態(tài)拉伸樣品尺寸規(guī)格參考ASTM standard E517-00進(jìn)行設(shè)計(jì),樣品長軸方向平行于軋制方向.利用Quanta200掃描電鏡(SEM)及其電子背散射衍射(EBSD)附件觀察樣品的晶粒狀態(tài),EBSD樣品經(jīng)機(jī)械打磨后進(jìn)行電解拋光,所用腐蝕液為體積比1∶3 的硝酸和甲醇溶液.采用JEOL-3010透射電鏡和Tecnai- F20場發(fā)射透射電鏡進(jìn)行TEM觀察,透射試樣采用電解雙噴減薄,電解液為體積比為1∶3的硝酸、甲醇混合液,處理溫度為-30 ℃~-20 ℃.為清晰觀測Ω相的直徑(D)及厚度(t),TEM電子束入射方向平行基體 [110]Al軸向.由于盤片狀析出量在像平面的正交投影,此時(shí)能觀測到1/2(2/4)數(shù)量Ω相(慣性面為{111}α)和1/3數(shù)量θ′相(慣性面為{001}α),像平面上觀測到的兩個(gè)方向的Ω相之間的二面角為70.53°或109.47°,θ′相位于不同位相下Ω相所成鈍角的角平分線上.在[110]Al方向下,Ω相和θ′相的形態(tài)和取向示意圖如圖1所示.

    2 結(jié)果與分析

    2.1 時(shí)效硬化曲線與力學(xué)性能

    圖2分別為A、B合金經(jīng)不同變形量軋制處理后,T6工藝及P-T6工藝下180 ℃人工時(shí)效的時(shí)效硬化曲線.由圖2(a)(b)可知:A合金的硬度曲線均存在三個(gè)階段,即快速上升階段、峰值平臺(tái)階段和硬度下降階段;T6態(tài)對應(yīng)峰值硬度及峰值響應(yīng)時(shí)間分別為132 HV、10 h,經(jīng)過預(yù)變形處理后,合金硬度明顯提高,時(shí)效響應(yīng)速度加快;隨著預(yù)變形量從10%增加到50%,峰值硬度呈上升趨勢,當(dāng)預(yù)變形量繼續(xù)從50%增加到60%時(shí),峰值硬度有所下降,其中經(jīng)50%預(yù)變形,后續(xù)時(shí)效過程中峰值硬度最高為170 HV.由圖2(c)可知:A、B兩種合金經(jīng)T6工藝處理后,硬度變化曲線基本重合;經(jīng)P-T6(50%)工藝處理后,在相同時(shí)效狀態(tài)下,A合金硬度明顯高于B合金.

    為進(jìn)一步研究形變時(shí)效工藝對A、B合金力學(xué)性能的影響,分別對不同軋制變形量峰值時(shí)效態(tài)試樣進(jìn)行拉伸性能測試,圖3(a)為A合金不同軋制變形量的試樣峰值時(shí)效狀態(tài)下對應(yīng)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖可知,合金強(qiáng)度變化趨勢與合金硬度變化趨勢基本一致,隨著冷軋量從10%增加到50%,合金強(qiáng)度逐漸增加,延伸率逐漸下降,當(dāng)預(yù)變形量繼續(xù)從50%增加到60%時(shí),強(qiáng)度下降,延伸率有所回升.圖3(b)為B合金T6峰值及P-T6(50%)峰值時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以看出,經(jīng)過軋制預(yù)變形的B合金峰值強(qiáng)度有所提高,延伸率略有下降.表2為A、B兩種合金不同變形量的試樣在時(shí)效峰值狀態(tài)下的拉伸性能數(shù)據(jù).其中A合金50%預(yù)變形試樣的綜合性能最優(yōu),屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率分別為570 MPa、539 MPa、6.0%.相比于未預(yù)變形峰值時(shí)效態(tài)(T6)試樣,50%預(yù)變形試樣的抗拉強(qiáng)度提高約25%;相比2014#T651、2024#T86商業(yè)合金[18],50%預(yù)變形試樣抗拉強(qiáng)度分別提高約19%、11%.

    2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

    2.2.1 EBSD表征

    由于180 ℃時(shí)效會(huì)使形變后的合金發(fā)生回復(fù)過程,即相當(dāng)于低溫退火處理.該處理溫度不會(huì)使合金發(fā)生再結(jié)晶,不會(huì)使合金的晶粒大小產(chǎn)生明顯變化,因此只以固溶態(tài)和固溶軋制態(tài)樣品的反極圖來分別代表T6與P-T6狀態(tài)合金的晶粒組織.圖4表示A、B合金固溶態(tài)及固溶軋制態(tài)試樣的EBSD反極圖.對比圖4(a)和(c)可知,A、B合金固溶態(tài)試樣晶粒均以等軸晶為主,且晶粒尺寸分布較為均勻,晶粒大小分別為13.8 μm和36 μm;經(jīng)過50%的軋制變形后,如圖4(b)和4(d)所示,合金組織中出現(xiàn)大量缺陷(黑點(diǎn)),晶粒沿軋制方面被明顯拉長,部分晶粒出現(xiàn)破碎,小角度晶界比例增大.A、B合金晶粒平均直徑為9.9 μm和11.9 μm.由此可以看出,變形前后,A、B合金的晶粒尺寸均發(fā)生了細(xì)化.

    2.2.2 析出序列及位錯(cuò)密度

    圖5為A合金T6峰值狀態(tài)時(shí)的TEM低倍明場像及高分辨圖像.未經(jīng)預(yù)變形的A合金經(jīng)180 ℃人工時(shí)效處理后主要析出強(qiáng)化相為θ′相,偶爾能觀察到少量的Ω相及S相,而且Ω相多在T相(Al20Cu2Mn3)附近異質(zhì)形核生長.

    A合金經(jīng)過P-T6工藝處理后的主要析出強(qiáng)化相為Ω相及θ′相.圖6、圖7分別為A合金經(jīng)過不同P-T6工藝后峰值時(shí)效試樣和時(shí)效21 h試樣的TEM低倍明場像,從圖中可以看出,A合金經(jīng)預(yù)變形及后續(xù)時(shí)效處理后,基體中產(chǎn)生大量細(xì)小彌散的析出相,經(jīng)高分辨TEM分析得出析出相為Ω相及θ′相.由于Ω相和θ′相的慣習(xí)面不同,沿[110]Al方向觀察時(shí),他們的形貌存在明顯的差異(如圖1所示),因此可以輕易地從低倍形貌圖中分辨出Ω相和θ′相.對比圖5、圖6和圖7可以得出,A合金經(jīng)P-T6工藝處理后,析出相的數(shù)量和密度明顯增多、尺寸明顯減少,更重要的是其主要析出相由θ′相演變成Ω相和θ′相,在某些樣品中Ω相的數(shù)量超過了θ′相.

    2.2.3 析出相數(shù)量及尺寸

    對A合金不同工藝的P-T6試樣和T6試樣中的析出相類型、尺寸、徑厚比及Ω相的相對數(shù)量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖8和表3所示.A合金所有P-T6試樣中Ω相的統(tǒng)計(jì)平均直徑大于θ′相,且Ω相數(shù)量占所有析出相總和的30%以上,有時(shí)Ω相的相對百分含量NΩ/N(Ω+θ′)達(dá)到75%.峰值時(shí)效狀態(tài)下,變形量較小時(shí)(10%),析出相尺寸整體較大,Ω相的相對含量較低(31%);而變形量較大時(shí)(50%、60%),析出相尺寸較小,Ω相的相對數(shù)量大幅增加(>50%).時(shí)效時(shí)間延長到21 h時(shí),析出相的直徑普遍增大.分別對A合金P6、P-T6不同熱處理狀態(tài)的時(shí)效析出相徑厚比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)在峰值狀態(tài)下,A合金T6峰值時(shí)效試樣的θ′相的平均徑厚比約為13.9,大于所有觀察過的P-T6試樣中θ′相的徑厚比.A合金P-T6峰值時(shí)效試樣中Ω相的徑厚比在20~32范圍變化,遠(yuǎn)大于θ′相的徑厚比.當(dāng)時(shí)效時(shí)間為21 h時(shí)(即過時(shí)效狀態(tài)時(shí)),A合金P-T6試樣中析出相θ′相及Ω相的徑厚比均略有減小.圖9表示A合金不同預(yù)變形量峰值時(shí)效試樣中θ′相和Ω相的高分辨TEM圖像,發(fā)現(xiàn)Ω相平均厚度明顯小于θ′相,而且預(yù)變形不同的同一時(shí)效階段P-T6試樣中的Ω相和θ′相的平均厚度相似,經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得出峰值時(shí)效階段,Ω相和θ′相的平均厚度分別約為1.5 nm和3.9 nm;過時(shí)效階段(21h),Ω相和θ′相的平均厚度分別約為2.4 nm和6.8 nm.

    圖10表示B合金50%預(yù)變形P-T6峰值時(shí)效樣品的TEM圖像,B合金經(jīng)過P-T6(50%)工藝處理后,主要析出相仍然為θ′相,未出現(xiàn)Ω相.采用TEM對B合金中θ′相進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì),得出B合金T6和P-T6峰值時(shí)效試樣中的θ′相的平均徑厚比分別為13.2和7.9.盡管B合金經(jīng)預(yù)變形再時(shí)效的樣品中的θ′相徑厚比有所降低但數(shù)量密度卻大幅增加了.B合金為不含Mg的Al-Cu合金(如表1所示),根據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道,Mg元素的存在是Ω相析出的必要條件,本文研究結(jié)果與此規(guī)律相符.綜合分析A、B合金硬度曲線(圖2(a))和析出相類型可以得出:經(jīng)T6工藝處理后,A、B兩種合金的硬度變化曲線基本重合,原因?yàn)閮煞N合金主要析出相均為θ′相,此外,兩合金中元素含量大致相同,析出相總體積分?jǐn)?shù)相差不大;經(jīng)P-T6(50%)工藝處理后,在相同時(shí)效狀態(tài)下,A合金硬度明顯高于B合金, A合金硬度達(dá)到峰值后存在一個(gè)明顯的峰值平臺(tái),而B合金硬度達(dá)到峰值后迅速下降.原因在于,兩種合金中位錯(cuò)密度、析出相總量基本相同,但A合金經(jīng)過預(yù)變形處理后,時(shí)效析出序列發(fā)生改變,形成大量Ω相,Ω相不易粗化,所以導(dǎo)致A合金的峰值硬度均高于B合金,因此Ω相的大量析出是A合金形變時(shí)效過程中強(qiáng)度提升的主要原因.

    綜上分析可知,未經(jīng)預(yù)變形處理的A合金T6試樣強(qiáng)度相對較低,其主要析出相為θ′相.A合金經(jīng)預(yù)變形處理后,P-T6試樣的強(qiáng)度明顯提升,析出相類型也發(fā)生了改變,由θ′相強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)棣赶?、θ′相共同?qiáng)化,且Ω相直徑略大于θ′相,徑厚比遠(yuǎn)大于θ′相.除了預(yù)變形量較少(10%)P-T6試樣,其他試樣在峰值時(shí)效狀態(tài)時(shí)Ω相數(shù)量幾乎與θ′相的數(shù)量相當(dāng),甚至多于θ′相的數(shù)量,因此徑厚比大、數(shù)量多的Ω相為A合金P-T6狀態(tài)的時(shí)效強(qiáng)化的主要貢獻(xiàn)者.

    由硬度曲線、強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知,預(yù)變形量不高于50%時(shí),隨變形量的增大,試樣時(shí)效峰值硬度、強(qiáng)度逐漸增大,且當(dāng)50%預(yù)變形時(shí)時(shí)效硬度和強(qiáng)度達(dá)到最大.但是當(dāng)預(yù)變形為60%時(shí),時(shí)效峰值硬度、強(qiáng)度反而開始下降.原因在于,預(yù)變性試樣在180 ℃時(shí)效過程發(fā)生兩種動(dòng)態(tài)變化,即析出硬化過程以及位錯(cuò)密度降低(回復(fù))的軟化過程.預(yù)形變量越大,位錯(cuò)密度越大,在時(shí)效過程中析出相的形核密度越大,材料硬度和強(qiáng)度越大.另一方面,位錯(cuò)密度增加會(huì)增加形變組織在時(shí)效過程中回復(fù)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力,當(dāng)預(yù)形變量增大到某個(gè)臨界值時(shí)就有可能促使合金在180 ℃時(shí)效時(shí)發(fā)生回復(fù)現(xiàn)象,使變形組織的硬度和強(qiáng)度下降.

    2.2.4 Ω析出相對合金強(qiáng)度貢獻(xiàn)估計(jì)

    對于本文實(shí)驗(yàn)所用鋁合金,主要的強(qiáng)化來源有四種,分別為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化及析出強(qiáng)化,用公式可以表達(dá)為:

    其中,ΔσYS為材料的屈服強(qiáng)度,Δσss、 ΔσHP、Δσd、Δσppt分別為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化的強(qiáng)度增量.

    對于本文實(shí)驗(yàn)合金而言,起主要固溶強(qiáng)化作用的Cu原子在A、B合金中含量相似,盡管A合金含有Mg原子,但Mg原子半徑與Al原子相近,且含量較低,Mg原子的固溶強(qiáng)化作用可暫忽略不計(jì),因此,兩合金固溶強(qiáng)化作用相似.

    細(xì)晶強(qiáng)化可用Hall-Petch[19]公式表示:

    其中k對于鋁合金約為0.12 MPa·m,d為晶粒直徑.對于A合金變形前后晶界對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別為32 MPa、38 MPa, B合金變形前后晶界對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別約為20 MPa、35 MPa.

    位錯(cuò)(dislocation)強(qiáng)化與位錯(cuò)密度ρ緊密相關(guān),可用公式[21]表示為:

    其中, M=3.06, α=0.2,G為剪切模量,b為伯格斯矢量,ρ為位錯(cuò)密度.位錯(cuò)密度與形變量密切相關(guān),對于本文所用A、B合金,形變量均為50%時(shí),可以認(rèn)為位錯(cuò)密度近似相同,位錯(cuò)強(qiáng)化對屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也基本相同.

    對于A、B合金,提供主要析出相組成部分的Cu原子含量相同,熱處理工藝一致,因此我們可以合理地推測,兩種合金析出相體積分?jǐn)?shù)基本相近.對于盤片狀的析出強(qiáng)化相,如θ′相、Ω相,在體積分?jǐn)?shù)相似的情況下,析出相的強(qiáng)化效果與徑厚比大小正相關(guān),詳細(xì)的公式推導(dǎo)過程可見文獻(xiàn)[22],可以簡單表達(dá)為:σppt=f(dm/t),其中,dm為測量出的析出相直徑,t為析出相厚度.

    由表3可知,A、B合金在T6狀態(tài)主要析出相均為θ′相,徑厚比分別約為13.9、13.2,A合金略高于B合金,從細(xì)晶強(qiáng)化的角度討論,A合金(32 MPa)高出B合金(20 MPa)約12 MPa,因此可以推測,在T6峰值狀態(tài),A合金的屈服強(qiáng)度(318 MPa)略高于B合金(308 MPa)的原因來源于A合金細(xì)晶強(qiáng)化,而析出相對合金的強(qiáng)度貢獻(xiàn)是相似的.

    經(jīng)過相同的P-T6(50%)工藝后,在峰值時(shí)效狀態(tài)下,A、B合金的屈服強(qiáng)度分別提高了221 MPa、95 MPa.屈服強(qiáng)度的提高來源于細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和析出強(qiáng)化.由變形前后的晶粒反極圖及相應(yīng)的晶粒尺寸可以看出,A合金的晶粒尺寸由13.8 μm減小至9.9 μm,B合金的晶粒尺寸由36 μm減小至11.9 μm,A、B合金變形前后晶粒細(xì)化所帶來的強(qiáng)度增量分別約為6 MPa、15 MPa,相差約10 MPa.位錯(cuò)的密度正比于形變量,因此,在形變量相同的情況下,位錯(cuò)強(qiáng)化對A、B合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大致相同.那么,P-T6工藝相對于T6工藝,A合金比B合金的屈服強(qiáng)度增量大的主要原因是A合金析出了徑厚比大的Ω相.從表3可知,B合金P-T6(50%)峰值時(shí)效析出相全部為θ′相,θ′相平均徑厚比為7.9.A合金P-T6(50%)峰值時(shí)效析出相中θ′相占41%,Ω相占59%,其中θ′相平均徑厚比為6.3,Ω相平均徑厚比為20.3.假設(shè)A、B合金P-T6(50%)峰值時(shí)效析出相總體積分?jǐn)?shù)相似,因?yàn)樗麄兊摩取湎嗥骄鶑胶癖认嗖畈淮?,因此又假設(shè)單位體積的θ′相對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相似,根據(jù)方程(1),則A、B合金強(qiáng)度增量的差異為:

    其中,Δσθ′、ΔσΩ分別指單位體積Ω相和θ′相對強(qiáng)度的貢獻(xiàn).根據(jù)合金的成分,可以推算出A、B合金中析出相的體積分?jǐn)?shù)f的最大值均約為6%[22-23].假設(shè)A、B合金P-T6峰值時(shí)效析出相的體積分?jǐn)?shù)相同,則Ω相比θ′相的析出強(qiáng)化多出來的增量為:

    也就是說,Ω析出相每取代一個(gè)百分比的θ′相,其屈服強(qiáng)度至少可增加38.14 MPa,因此在AlCuMg合金中Ω析出相比θ′析出相具有更好的析出強(qiáng)化效果,值得在AlCuMg合金中大力推廣.

    3 結(jié) 論

    本文采用顯微硬度測試、拉伸實(shí)驗(yàn)、SEM、EBSD、TEM等檢測手段研究了不同預(yù)變形對高Cu/Mg比的Al-4.9Cu-0.49Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)合金力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響,為了了解形變時(shí)效析出強(qiáng)化的機(jī)理,對比研究了不含Mg的Al-5.0Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)合金相同工藝的試樣的微觀組織和性能,得出以下結(jié)論:

    1) 含Mg合金經(jīng)預(yù)變形加180 ℃人工時(shí)效(P-T6)工藝處理后,合金強(qiáng)度得以大幅提升,其中預(yù)變形50%+180 ℃/4 h工藝處理后,合金強(qiáng)度達(dá)到最高值,σb、σ0.2及δ%分別為570 MPa、539 MPa、6%,相較于傳統(tǒng)T6態(tài)峰值強(qiáng)度,σ0.2提升約69%,且延伸率仍然在工程應(yīng)用范圍之內(nèi).

    2) 含Mg和不含Mg的合金的T6時(shí)效峰值硬度基本相同,時(shí)效硬化規(guī)律也相似.但是預(yù)變形使兩合金的P-T6時(shí)效硬化出現(xiàn)了大的差異,主要表現(xiàn)為不含Mg合金的P-T6工藝使過時(shí)效時(shí)間提前,硬度下降速度較快;含Mg合金的P-T6工藝的硬度和強(qiáng)度大幅提高,且峰值后硬度不容易下降.

    3) 含Mg和不含Mg的合金的T6工藝主要析出相均為θ′相,不含Mg的合金的P-T6工藝主要析出相仍然為θ′相,而含Mg的合金的P-T6工藝主要析出相均為Ω相和θ′相,預(yù)變形使含Mg合金的時(shí)效析出相發(fā)生了改變.

    4) 慣習(xí)面為{111}Al的盤片狀Ω相的徑厚比大于θ′相,其強(qiáng)化效果遠(yuǎn)大于θ′相,對50%預(yù)變形試樣而言,峰值時(shí)效析出的單位體積Ω相對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比單位體積的θ′相高出38.14 MPa.

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