Mg含量對2A14鋁合金組織和力學(xué)性能的影響

陳思君， 陳送義， 陳 庚， 袁丁玲 ， 陳康華,3

(1. 中南大學(xué) 輕合金研究院， 湖南 長沙 410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬先進結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖南 長沙 410083;3. 中南大學(xué) 輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料重點實驗室， 湖南 長沙 410083)

2A14鋁合金屬于典型的可形變和熱處理強化的Al-Cu-Mg-Si系合金，因其具有高強度，較好的耐腐蝕性和可鍛造性，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通常被作為飛機起落架、輪轂等結(jié)構(gòu)件[1-2]。有關(guān)研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，2A14鋁合金中存在著細小的θ(Al2Cu)、Q(AlCuMgSi)、S(Al2CuMg)等強化析出相，以及粗大的Al6FeMnSi、Al12Mn3Si或AlCuSiMnFe雜質(zhì)相。這些相的種類、大小和分布方式都會極大影響材料的強韌性，因而調(diào)控合金成分來調(diào)控合金組織狀態(tài)，從而改善合金的最終性能是合金成分設(shè)計發(fā)展的重要思路。

Eskin[5]研究發(fā)現(xiàn)，當Mg∶Si<1(Mg和Si的質(zhì)量比)時，Al-Cu-Mg-Si合金中的強化析出相主要為β″和θ′相，但在隨后的退火過程中會依據(jù)銅原子的含量轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆浠騋相。Rakhmonov等[6]發(fā)現(xiàn)在Al-Cu鑄造合金中，微量Mg的添加促進了共格θ″相轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍哺竦摩取湎?，且析出相在基體上分布更加致密均勻，延長了合金在高溫條件下的服役壽命。陳送義等[7]研究發(fā)現(xiàn)降低銅元素含量有利于降低Al2Cu和AlCuMnSi等相的數(shù)量，減小第二相與基體的電位差，使合金抗腐蝕性能增加；Li等[8]研究表明，在高Cu/Mg 比的Al-Cu-Mg-Si合金中，隨著Si含量在0.65%～1.28%(質(zhì)量分數(shù)，下同)范圍內(nèi)增加，剩余結(jié)晶相Q相和時效析出相Q′和θ′數(shù)量均增加，進而使強度隨之增加，但耐腐蝕性能逐漸降低。此外，Li等[9]發(fā)現(xiàn)Mg含量并不能影響Al-3.5Cu-xMg合金達到峰值時效的時間，但會影響S+θ′時效析出相的析出行為，以及PFZ的寬度，從而影響斷裂韌性和抗剝落腐蝕性能；Liu等[10]研究表明Mg能顯著影響Ω相的形核和晶粒的再結(jié)晶程度，隨著Mg含量的增加，合金在室溫下的硬度和強度先增加后減小。Kim等[11]研究發(fā)現(xiàn)Mg能降低Al-Cu 合金在自然時效過程中團簇形成的溫度，加速團簇形成，使合金硬度增加。

2A14鋁合金中的Mg在剩余結(jié)晶相及時效析出相的形成中扮演著重要的角色，對合金的強韌性起著關(guān)鍵作用。本文采用高純中間合金熔煉，極大減少了合金中粗大雜質(zhì)相的數(shù)量，在高純合金中調(diào)控Mg含量，研究其組織與性能之間的關(guān)系具有重要意義。

1 試驗材料及方法

不同Mg含量2A14鋁合金的實測化學(xué)成分如表1所示。合金采用高純Al(99.99%)，高純Mg(99.99%)，以及Al-44.21%Cu、Al-21.25%Si、Al-10.75%Mn、Al-5.10%Ti中間合金(均為質(zhì)量分數(shù))熔煉，采用六氯乙烷精煉3次后于750 ℃靜置15 min，然后倒入φ100 mm冷水模具中凝固。鑄錠經(jīng)495 ℃均勻化退火處理，再擠壓成板帶材(擠壓比10∶1)。合金的熱處理制度為503 ℃固溶3 h(立即室溫水淬)，再在160 ℃時效16 h。具體工藝路線如圖1所示。

圖1 2A14鋁合金熱處理及熱變形工藝Fig.1 Heat treatment and hot deformation processfor the 2A14 aluminum alloy

表1 2A14鋁合金實測化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

采用光學(xué)顯微鏡(OM, Leical DM2700M)觀察合金鑄態(tài)、均勻化態(tài)、時效態(tài)的組織形貌。金相試樣先經(jīng)打磨拋光，然后用Keller試劑(1%HF+1.5%HCl+ 2.5%HNO3+95%H2O, 體積分數(shù))腐蝕30 s；拉伸斷口、沖擊斷口形貌和剩余結(jié)晶相用帶有EDS能譜儀的掃描電鏡(SEM, FEI Nova Nano 230)觀察，采用Image-J軟件統(tǒng)計其剩余結(jié)晶相的尺寸和面積分數(shù)；用維氏硬度計(HV-50)測量試樣的硬度，載荷為196 N，加載時間為15 s，取5次測量值的平均數(shù)為合金硬度；合金的導(dǎo)電率用D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測量儀測量，取5次測量值的平均數(shù)；合金的拉伸性能用Instron 3369試驗機在室溫的條件下以2 mm/min 的拉伸速度(加引伸計)進行測量，拉伸樣拉伸部分的尺寸為25 mm ×6 mm×2 mm；采用夏比沖擊試驗對樣品進行沖擊性能測試，試樣加工成55 mm×10 mm×10 mm的長方體，并在中間位置加工出45°，2 mm深的V字槽。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織

圖2為不同Mg含量鋁合金的鑄態(tài)組織，從圖2可知，隨著Mg含量的增加，基體的結(jié)晶相明顯增多。大部分凝固結(jié)晶相沿晶界析出，并呈網(wǎng)狀分布，形成枝晶。當Mg含量為0.22%和0.39%時，結(jié)晶相的數(shù)量較少；當Mg含量高于0.53%時，結(jié)晶相的尺寸和面積分數(shù)開始顯著增加，枝晶變多。

2.2 時效態(tài)組織

圖3為不同Mg含量合金固溶時效后的顯微組織形貌，可見，合金的晶粒都被擠壓拉長，呈長條狀，晶粒大小變化并不明顯。當Mg含量高于0.39%時，隨著Mg含量的增加，剩余結(jié)晶相尺寸和面積分數(shù)顯著增多，而當Mg含量為0.22%時，也觀察到了部分不溶黑色顆粒。圖4為不同Mg含量合金固溶時效后的SEM圖，隨著Mg含量的增加，基體中剩余結(jié)晶相整體呈增加趨勢，并且沿擠壓方向被破碎，呈帶狀分布，對比圖4(a,d)可以發(fā)現(xiàn)，Mg含量較低時的剩余結(jié)晶相比Mg含量較高時更粗大。對圖4(d,e)所示區(qū)域進行能譜分析(表2)可知，微米級剩余結(jié)晶相主要為粗大的白色圓形θ相(Al2Cu)，灰黑色Q相(AlCuMgSi)，深灰色AlCuSiMnFe相。圖5是不同Mg含量試樣剩余結(jié)晶相體積分數(shù)，當Mg含量為0.22%時，由Image-J軟件統(tǒng)計可以看出剩余結(jié)晶相體積分數(shù)為最小值0.9%。且隨Mn含量的增加剩余結(jié)晶相增多，這與圖3觀察到的結(jié)果一致。

圖3 不同Mg含量2A14鋁合金時效態(tài)的顯微組織Fig.3 Microstructure of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents (a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d) 0.89%

圖4 不同Mg含量2A14鋁合金時效態(tài)的SEM圖Fig.4 SEM images of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents(a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d-f) 0.89%

圖5 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的剩余結(jié)晶相體積分數(shù)Fig.5 Volume fraction of residual crystalline phase in the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

表2 0.89%Mg含量試樣的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.3 導(dǎo)電率和硬度

由圖6可以看出，Mg含量對試樣硬度和導(dǎo)電率的影響比較大，隨著Mg含量的增加，硬度先顯著增加后降低。當Mg含量達到0.53%時，硬度達到最大值160.4 HV20；當Mg含量為0.22%時，硬度值最低，為140.5 HV20。隨著Mg含量的增加，越來越多的溶質(zhì)原子固溶進基體，在隨后的時效過程中析出，釘扎位錯，提高了硬度。當Mg含量從0.22%增加到0.89%時，合金的導(dǎo)電率從39.7%IACS下降至38.2%IACS。

圖6 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的硬度和導(dǎo)電率曲線Fig.6 Hardness and conductivity of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

2.4 拉伸性能和沖擊性能

由圖7可知，隨著Mg含量的增加,合金的抗拉強度和屈服強度先增加后小幅降低，在Mg含量到達0.53% 時，合金具有最高的抗拉強度(529.9 MPa)和屈服強度(475.2 MPa)，但此時合金的伸長率最低，為9.48%。在Mg含量為0.39%時，合金具有較好的抗拉強度(517.9 MPa)、屈服強度(455.3 MPa)和伸長率(11.09 %)。而Mg含量對合金沖擊性能的影響不是很大，Mg從0.22%增加到0.89%時，沖擊吸收能量的波動范圍也只在23.0～25.0 J之間波動。當Mg含量為0.22%時，具有最高的沖擊吸收能量，為25.0 J，當Mg含量為0.53%時，沖擊吸收能量只有23.0 J。

圖7 不同Mg含量2A14鋁合金時效后的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of the aged 2A14 aluminum alloy with different Mg contents

由圖8可知，合金斷裂模式主要由韌窩斷裂及沿晶斷裂組成。當Mg含量為0.22%和0.39%時，拉伸斷口存在大量深且細小的韌窩，韌窩底部可見剩余結(jié)晶相。當Mg含量增加到0.53%時，韌窩變成大而淺的橢圓形盤狀，韌窩斷裂的比例減小，沿晶斷裂的比例增加。隨著Mg含量繼續(xù)增加到0.89%時，沿晶斷裂的比例繼續(xù)增加，韌窩尺寸繼續(xù)增大，合金的塑性降低。

圖8 不同Mg含量2A14鋁合金室溫拉伸斷口形貌Fig.8 Tensice fracture morphologies of the 2A14 aluminum alloy with different Mg contents at room temperature(a) 0.22%; (b) 0.39% ; (c) 0.53% ; (d) 0.89%

由圖9可以看出，沖擊斷口的韌窩底部存在大量粗大難溶顆粒，說明這種粒子是斷裂源，容易引起應(yīng)力集中。隨著Mg含量的增加，韌窩的數(shù)量逐漸變少，尺寸變大且深度變淺。韌窩越細小，數(shù)量越多，沖擊性能越好。當Mg含量為0.53%時，沖擊性能最低，韌窩深度和尺寸都達到了最大，且伴有撕裂棱的產(chǎn)生。

圖9 不同Mg含量2A14鋁合金室溫沖擊斷口形貌Fig.9 Impact fracture morphologies of the 2A14 aluminum alloy with different Mg contents at room temperature(a) 0.22%; (b) 0.39%; (c) 0.53%; (d) 0.89%

3 分析與討論

3.1 第二相粒子的影響

Al-Cu-Mg-Si系合金為析出相強化的合金，析出相的序列和種類影響著其力學(xué)性能。研究表明，Al-Cu-Mg-Si系合金時效析出相主要有θ(Al2Cu)相和Q(AlCuMgSi)相，其析出序列分別為：SSSS→GP zones→θ″→ θ′ → θ; SSSS→Mg-Si clusters→GP-I zones→β″,Q′,C→Q′→Q[5, 12]。析出相與位錯間的Orowan強化機制影響著合金的強度和硬度。根據(jù)Zhu和Starke[13]報道的Orowan修正方程，強化應(yīng)力τp與第二相粒子(θ和Q)的函數(shù)關(guān)系為:

(1)

式中：G為剪切模量，b是伯氏矢量大小，Dp為第二相粒子直徑，tp為第二相粒子厚度，fv為析出相的體積分數(shù)，r0為內(nèi)部位錯切過半徑。

研究表明，Mg元素的加入可以降低團簇的形成溫度，促進Al-Cu合金中Cu-Mg溶質(zhì)原子團簇的形成，隨著Mg含量的增加，越來越多的Mg原子在時效過程中嵌入團簇內(nèi)部[11]。這些團簇的形成可以為后續(xù)θ′相和Q′相的形成提供形核位點，使這些強化析出相的數(shù)量增加，而析出來的盤狀θ′強化相又會有很高的位錯剪切抗性[12]。但隨著保溫時間的增長，開始析出的強化相會逐漸粗化。所以隨著Mg含量的增加，會使預(yù)先Cu-Mg團簇的時效析出相粗化。Mg含量越多，則方程中的Dp和fv逐漸增加，二者存在一個競爭關(guān)系，Mg含量從0.22%增加到0.53%時，析出相體積分數(shù)fv的增加占主導(dǎo)優(yōu)勢，強化應(yīng)力τp增大，合金的強度硬度逐漸增加，Mg含量從0.53%增加到0.89%時，第二相粒子的直徑Dp增加帶來的合金強度減弱效應(yīng)逐漸抵消掉析出相體積分數(shù)fv引起的強度增加效應(yīng)，則合金的強度硬度開始下降[14]。

3.2 剩余結(jié)晶相的影響

剩余結(jié)晶相(RCP)對強韌性也有著顯著的影響。由圖4可知，隨著Mg含量的增加，剩余結(jié)晶相θ相(Al2Cu)、灰黑色Q相(AlCuMgSi)、深灰色AlCuSiMnFe相數(shù)量明顯增加，而剩余結(jié)晶相容易引起應(yīng)力集中，形成裂紋源，在拉伸或者沖擊過程中優(yōu)先發(fā)生斷裂[15-16]。時效析出相和剩余結(jié)晶相的尺寸、種類和相貌都影響著合金的形變特征和斷裂行為，由于分散在基體中的剩余結(jié)晶相和彌散強化相在發(fā)生剪切引起了局部不均勻變形，位錯和析出相的交互作用使得平面滑移帶出現(xiàn)，隨著位錯的滑移，造成應(yīng)變在晶界或者亞晶界處產(chǎn)生集中，終止在晶界附近的滑移帶加速了微裂紋產(chǎn)生的進程[17-18]。如圖10所示，剩余結(jié)晶相分布在基體中，變形引起的應(yīng)力多集中在這些較大的粒子周圍，受較大拉應(yīng)力σ作用，開始產(chǎn)生微裂紋，從而出現(xiàn)圖8(a)的穿晶斷裂，而晶界析出相沿晶界分布，滑移帶的塑性變形也容易終止于此，造成位錯的累積，剪切應(yīng)力τ會沿晶界分布，從而出現(xiàn)如圖8(c)所示的沿晶斷裂。隨著Mg含量的增加，強化析出相的數(shù)量增多，釘扎晶界和位錯，彌散強化和晶界強化的效果顯著增強，使基體各部位產(chǎn)生很大的強度差，位錯滑移終止于第二相粒子附近，也容易造成應(yīng)力集中[8]。由圖9沖擊斷口形貌放大圖可知，韌窩底部存在著大量剩余結(jié)晶相，并且剩余結(jié)晶相越大，韌窩尺寸越大，沖擊性能越差。雖然低Mg含量的合金中剩余結(jié)晶相較少，但由于其尺寸較大，對其伸長率和沖擊性能也有一定的制約關(guān)系。

圖10 時效析出相和剩余結(jié)晶相對2A14鋁合金沖擊性能的影響Fig.10 Effects of MPs and RCP on impact property of the 2A14 aluminum alloy

4 結(jié)論

1) 隨著Mg含量的增加，剩余結(jié)晶相的體積分數(shù)明顯增加，當Mg含量大于0.53%時，形成網(wǎng)狀分布的枝晶，其中微米級剩余結(jié)晶相主要是粗大的白色圓形θ相(Al2Cu)，灰黑色Q相(AlCuMgSi)和深灰色AlCuSiMnFe相。

2) Mg含量從0.22%增加到0.89%，2A14鋁合金的拉伸強度先增加后降低，當Mg含量為0.53%時，合金具有最高的抗拉強度(529.9 MPa)和屈服強度(475.2 MPa)，沖擊吸收能量略有降低，為23.0 J。

3) 剩余結(jié)晶相和時效析出相共同影響2A14鋁合金的強度和沖擊性能，細小致密的θ′和Q′析出相隨Mg含量的增加而增加，使強度升高，但剩余結(jié)晶相也隨之增多，容易引起應(yīng)力集中，造成沖擊性能下降。