過時效熱處理對LC9鋁合金組織與性能的影響

馬晉芳，楊玉芬

(山西建筑職業(yè)技術學院 機電工程系,山西 晉中 030619)

0 引言

鋁及其合金所具有的獨特性能使得其成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中最豐富、經(jīng)濟和吸引人的金屬材料之一。目前，發(fā)展高性能鋁合金可以通過調(diào)整合金成分、對已有熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化、精確調(diào)控合金的組織結構及新型合金的研發(fā)等途徑進行開發(fā)研究[1-4]。

LC9鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu為基的超硬鋁合金，通過熱處理可以改變其微觀結構，進而改善其性能[5]。如鋁合金T6處理經(jīng)時效硬化，可使強度接近最高值，但抗應力腐蝕性卻降低，影響其安全可靠性[6]。為了解決強度與韌性、應力腐蝕性能之間的矛盾，本文通過對LC9鋁合金進行固溶+過時效熱處理，分析熱處理工藝對鋁合金組織和性能的影響，希望對開拓鋁合金的應用前景提供更多的理論依據(jù)。

1 實驗材料及過程

實驗所用材料為LC9鋁合金鍛件(T6狀態(tài))，該材料的化學成分如表1所示。LC9鋁合金(T6狀態(tài)下)的常溫物理性能及靜態(tài)力學性能分別見表2和表3。

表1 LC9鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 LC9鋁合金的物理性能

表3 LC9鋁合金的靜態(tài)力學性能

本次實驗采用的熱處理制度為固溶+雙級過時效。固溶處理工藝為(465±5)℃/2 h，水淬；第一級過時效處理，加熱溫度(110±5)℃，保溫7 h，空冷；第二級過時效處理，加熱溫度(175±5)℃，保溫9 h。

采用渦流測試方法(HB5356—86標準)進行電導率測試，以間接地了解材料的熱處理狀態(tài)、組織均勻性、機械性能和應力腐蝕敏感性。

采用WE-10型電子拉伸試驗機進行力學性能測試，尺寸依照GB/T 228—2010的規(guī)定加工成短比例標準拉伸試樣，直徑為Φ5.00 mm，標距為25.00 mm，實驗數(shù)據(jù)取三次測試的平均值。

利用NEPHOTO-30光學顯微鏡觀測拉伸試樣端部的金相組織，樣品經(jīng)研磨后，用體積分數(shù)為0.5%的HF溶液腐蝕，時間大約10 min～20 min。采用JEM型透射電鏡觀察合金的微觀組織及析出相分布情況，樣品采用體積分數(shù)為30%的H2NO3甲醇溶液進行電解雙噴制備。采用AMRAY-1000型掃描電鏡表征拉伸試樣的斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 LC9合金的電導率

表4為LC9鋁合金樣品經(jīng)固溶+雙級過時效熱處理前、后的電導率測試結果。

表4 LC9鋁合金不同熱處理狀態(tài)的電導率值

經(jīng)過固溶+雙級過時效熱處理后，材料的電導率平均值由T6態(tài)的18.56 MS/m增加到了23.37 MS/m，提高了25.9%。電導率的高低主要取決于晶體內(nèi)的空位密度和基體中沉淀相的類型和分布情況。大量實驗表明[7],電導率指標可以反映合金的抗應力腐蝕性能，隨著電導率的增加，金屬的抗應力腐蝕性能增強。

鋁合金由于固溶處理而形成過飽和α固溶體，導致了嚴重的晶格畸變，晶格內(nèi)存在較高的空位密度。在后期時效處理過飽和固溶體分解過程中，合金元素自由擴散，能夠起到填充淬火后產(chǎn)生的空位作用。高的時效處理溫度和較長的保溫時間為空位填充提供了有利條件，故材料的電導率提高；雙級時效制度為原子的擴散提供了強大的驅(qū)動力，大量合金元素從晶內(nèi)富集到晶界，并以沉淀相的形式析出，從而降低了晶格中的應力集中程度，從宏觀上看，耐應力腐蝕性能增強[8]。

圖1為LC9鋁合金過時效熱處理后的金相組織，從中明顯可以看到合金內(nèi)部存在與基體不同的相結構；晶內(nèi)分布有大量彌散細小的沉淀相，部分區(qū)域的晶界處可見粗大第二相顆粒。

圖1 LC9鋁合金過時效處理制度下的金相組織

圖2為LC9鋁合金過時效熱處理后不同位置的顯微組織。圖2(a)可以清楚地看到沿晶界析出的第二相質(zhì)點，長度約150 nm，呈短桿狀、斷續(xù)分布；從圖2(b)可以觀察到晶內(nèi)的基體組織中分布有一些彌散的沉淀顆粒。

圖2 LC9鋁合金過時效處理后的顯微組織

由文獻`[9]可知，鋁合金固溶后時效處理中的沉淀過程是連續(xù)變化的，一般為α過飽和固溶體、GP區(qū)(Guinier Preston zone)、η′(MgZn2)相、η(MgZn2)相的析出順序。

鋁合金在較低溫度段(110±5 ℃)預時效過程中，過飽和固溶體失穩(wěn)分解，不斷析出細小、針狀的沉淀相，以與基體共格的GP區(qū)為主，分布著少量半共格的η′相(MgZn2)，彌散強化效果顯著；在較高溫度段(175±5 ℃)時效時，GP區(qū)沉淀相進一步發(fā)展成為半共格η′(MgZn2)強化相，這些過渡相η′在較高溫度下聚集、粗化，向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，生成與基體非共格的η相(MgZn2)，這些穩(wěn)定的沉淀相相對粗大，且呈不連續(xù)分布，可以避免連續(xù)腐蝕通道的形成，同時由于沉淀相的析出，晶界處的應力集中程度顯著降低，因而能夠有效提高過時效狀態(tài)鋁合金的抗應力腐蝕性能。

2.2 LC9鋁合金的力學性能與斷裂特征分析

表5為LC9鋁合金樣品經(jīng)固溶+雙級過時效熱處理后力學性能的測試結果。從表5可以看出，相比于T6狀態(tài)，過時效鋁合金的抗拉強度σb降低了約13.5%，屈服強度σs降低了約15.8%，而延伸率δ5則大幅度提高，由17%增大到了30%。大量實驗表明，這主要與鋁合金微觀組織的轉(zhuǎn)變密切相關。由于鋁合金在T6態(tài)的強化相主要是與基體呈半共格的η′相，彌散強化效果顯著，強度處于峰值；而在過時效狀態(tài)下，由于溫度高，原子擴散速度加快，η′過渡相不斷長大、粗化，轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^大、不連續(xù)分布的η穩(wěn)定相[10]。由于η相與基體非共格，質(zhì)點粗大且間距較寬，當位錯運動受阻，將使受阻部分彎曲加劇，并圍繞質(zhì)點形成位錯環(huán)，其余部分位錯繼續(xù)前進，即位錯以繞過沉淀相的方式運動，此時，沉淀相阻礙位錯運動的抗力小，強化效果減弱，表現(xiàn)為合金強度降低，而塑性得以提升。

表5 LC9鋁合金過時效處理后的力學性能

圖3為LC9鋁合金雙級過時效制度下拉伸試樣斷口的SEM形貌。由圖3(a)可以看到泛金屬光澤的撕裂表面，均勻分布有大量彎曲的褶皺；由圖3(b)可以觀察到斷口處密集分布的大量呈錐形，且大小、深度不一的韌窩；由圖3(c)可以更清楚地觀察到較深的韌窩及周圍明顯凸起的撕裂棱，部分韌窩底部夾雜有第二相顆粒。

圖3 LC9鋁合金過時效處理后拉伸斷口的SEM形貌

拉伸過程中，隨著塑性變形量的增大，大量裂紋萌生于與基體不共格的晶界沉淀相和晶內(nèi)的第二相處，在拉伸應力的作用下，裂紋沿著晶體缺陷互相串聯(lián)、匯聚，進而形成塑性變形量較大的撕裂棱和大量分布均勻的韌窩，呈典型的韌窩穿晶型斷裂特征[11]。結合拉伸試驗的結果可知，鋁合金在經(jīng)過過時效熱處理后，雖然犧牲了部分強度，但合金的塑性和韌性都有了明顯改善，總體評價其綜合力學性能較好。

3 結論

LC9鋁合金經(jīng)過固溶+雙級過時效處理后，電導率與T6狀態(tài)相比提高了約25.9%，達到了23.37 MS/m，這主要得益于時效過程中原子的填平空位機制，使得材料的抗應力腐蝕性能明顯改善；過時效熱處理后，鋁合金雖然犧牲了部分強度，但塑韌性得到了明顯提高，材料的力學性能得到很好的匹配，綜合性能也得到了良好的提升。