超高强铝合金的显微组织
Al_Zn_Mg_Cu系高强铝合金显微组织的定量分析
文章编号:100422261(2004)022*******Al 2Zn 2Mg 2Cu 系高强铝合金显微组织的定量分析Ξ赵 捷(天津理工学院材料科学与工程系,天津300191)摘 要:借助于光学显微镜、SEM 、EDS 和M TS 拉伸试验机等测试手段,研究Al 2Zn 2Mg 2Cu 系新型高强铝合金不同制备工艺下断口形貌、显微组织及力学性能,利用定量金相技术对该合金中残留第二相尺寸、数量及圆滑度等特征参数进行较系统的定量分析.实验结果表明:制备工艺不同,合金中残留第二相的特征参数有较大差异,对合金的断裂韧性影响显著;通过制定合理的工艺参数,可达到控制显微组织和改善性能的目的.关键词:高强铝合金;定量分析;断口分析;残留第二相中图分类号:TG 146 文献标识码:AQ uantitative analysis and study on microstructureof Al 2Zn 2Mg 2Cu high 2strength aluminum alloyZHAO Jie(Dept.of Materials Sci.and Eng.,Tianjin Institute of Technology ,Tianjin 300191,China )Abstract :By means of microscope 、SEM 、EDS and MTS ,the microstructure ,fracture behavior and mechanical properties of high 2strength aluminum alloy were studied.The size ,quantity and x/y of remained second phase were measured using quantitative analysis technology.The results showed that there were differences in char 2acter parameter of remained second 2phase under different manufacture process.Size ,quantity ,x/y and distri 2bution of remained second 2phase have important influence on fracture toughness.Microstructure and properties may be improved through the controlling process.K eyw ords :high 2strength aluminum alloy ;quantitative analysis ;remained second phase ;fracture analysis 可变形高强铝合金,因具有高的比强度、较好的耐腐蚀性、耐久且经济、易于加工等,已成为航空航天领域、军事、交通运输及其它工业领域中最重要的结构材料之一.随着航空、航天、核工业等高科技领域的迅速发展,对高强铝合金的性能提出了越来越高的要求.多年来,为获得更高性能的铝合金,国内外研究人员围绕其优化合金成分、制备技术及热处理工艺上等方面开展了大量的研究工作[1-8],但很少对高强铝合金组织中残留第二相的数量、尺寸、形状及分布等特征参数做过系统的定量分析和计算,也就是说显微组织与宏观性能之间的联系,尚缺乏规律的定量描述.为加速高强铝合金的研究进程,在该领域取得突破性进展,加强基础研究已成为当务之急[9].为此,在完成热处理与力学性能测试的前提下,利用光学显微镜,扫描电镜观察、分析不同工艺下高强铝合金的显微组织和断口形貌,并对组织中残留第二相的数量、尺寸、形状及分布进行较系统的定量分析,以揭示该铝合金显微组织与宏观力学性能之间的联系,为研究与开发高性能的新型铝合金提供理论依据.1 实验方法 本实验采用Al 2Zn 2Mg 2Cu 系高强铝合金,化学成分见表1.Ξ收稿日期:2003211213 作 者:赵 捷(1958— ),女,副教授,硕士 第20卷第2期2004年6月天 津 理 工 学 院 学 报JOURNA L OF TIAN JIN INSTITUTE OF TECHN OLOG Y Vol.20No.2J un.2004表1 试验材料的化学成分T ab.1 Chemical composition of tested aluminum alloy元素Zn Mg Cu Zr Al含量(wt0 0)7.6～8.4 1.8～2.3 2.0～2.60.1～0.25余量 主要制备工艺流程为:合金熔炼—半连续铸造—均匀化处理—挤压成型—淬火处理—拉伸矫直—人工时效.表2 试样编号与相应制备工艺T ab.2 Specimen code and manufacture process试样编号S1S2S3S4S5制备工艺ⅠⅡⅢⅣⅤ 使用M TS液压伺服万能材料试验机测试抗拉强度σb和断裂韧性K c性能指标.采用philips ESEM XL30扫描电镜,观察试样的断口形貌,并对残留第二相质点的尺寸、数量、分布及圆滑度进行定量分析,其方法如下:将断口形貌放大1200倍,在断口的各个区(疲劳区、拉断区、舌状区)随机选取6个视场,记录断口形貌,每个试样共采集18张图象存入光盘,利用计算机逐一测量每张图片中残留第二相质点数量、尺寸、质点的横(x)纵(y)向长度,并对质点的数量、尺寸分布,圆滑度即横纵比(x/y)等特征参数进行统计.在拉断的试样上截取金相试样,在蔡司AXIO TECH2100型金相显微镜上观察组织,将拍摄的金相照片作为测试视场,选择多点点算法测量,在每个视场内随机移动网格测量8组数据,研究残留第二相质点的体积分数[10211]. 利用X射线能谱仪(英国OXFORD L IN K),对断口上不同形状、尺寸的残留第二相质点以及基体成分进行能谱无标样定量计算,得出其成分和含量.2 实验结果及分析2.1 断口形貌观察 经观察与分析,可以看出5种试样的宏观断裂特征基本相同,均为灰色无光泽粗糙层状断口,主要包括疲劳区、舌状区、拉断区,各区之间有清晰的分界线.见图1(a).微观特征均为:分层、韧窝和第二相质点,见图1(b).不同工艺条件下的断口形貌特征如图2、图3所示.(a)断口宏观形貌 X50(b)断口微观形貌 X2400图1 S5拉伸断口形貌Fig.1 Fracture morphology of specimen S5(SEM) 从图上可看出,工艺条件不同,拉伸断口在第二相质点数量、尺寸、形状、分布的弥散性、韧窝的大小与深浅等方面有一些差异.S2、S5试样断口上质点分布比较均匀,尺寸较小;舌状区韧窝较多且深,分层之间均可观察到质点的存在,质点边界清晰.S3试样拉伸断口舌状区韧窝较多也较深,无分层现象,质点尺寸相对较大但分布弥散均匀.在拉断区,有明显分层.S1、S4试样断口舌状区分层壁上韧窝较少,质点分布不均,局部出现细小质点的堆积.(a)舌状区 X1200・74・ 2004年6月 赵 捷:Al2Zn2Mg2Cu系高强铝合金显微组织的定量分析(b )拉断区 X1200图2 S 1试样拉伸断口形貌Fig.2 Fracture morphology of specimen S 1(SEM)(a )舌状区 X1200(b )拉断区 X1200图3 S 3试样拉伸断口形貌Fig.3 Fracture morphology of specimen S 3(SEM)2.2 断口定量分析 对不同试样断口上残留第二相质点尺寸、数量及分布进行测量和统计,结果见表3,表4. 实验结果表明:工艺参数不同,残留第二相尺寸分布有较大差别.S 2试样中1μm ～3μm 的质点数较多、其它试样中质点主要集中在1μm ～4μm. 从表4可以看出,制备工艺不同,残留第二相平均尺寸与数量有一些差别.试样S 2平均尺寸最小,质点数最多;试样S 4平均尺寸最大.试验结果与断口形貌定性分析结果基本吻合.对残留第二相质点圆滑度分布的统计结果见图4. 由图4可以看出,4种试样中x/y 值位于1～2的质点数较多,其中S 2、S 3中残留第二相等轴性较好,x/y 比值在1～2的质点数占质点总数的700 0以上.表3 残留第二相尺寸分布及数量T ab.3 Size distribution of remained second phase 尺寸(μm )试样号 <1μm1～2μm2～3μm3～4μm4～5μm5～6μm>6μmS 13566349342119S 22828556221613S 30577041201412S 40406756331918S 51716551231412表4 4种试样中第二相的平均尺寸与数量比较T ab.4Everage size and qu antity of remained second phase 试样编号残留第二相质点平均尺寸(μm )统计个数(个)S 1 2.66245S 2 2.26276S 3 2.70214S 42.87233S 52.51237・84・天 津 理 工 学 院 学 报 第20卷 第2期 图4 4种试样圆滑度分布图Fig.4 x/y distribution2.3 残留第二相成分分析 为了弄清第二相质点成分对性能的影响,进行微区成分分析,其结果如表5所示:表5 材料微区成分分析结果T ab.5 R esults of E DS试样编号区域化学元素(wt0 0)Mg Cu Zr AlS2基体 3.06 2.508.74余量质点10.8916.2020.18余量 可以看出,第二相质点处Mg、Cu和Zn的含量均高于基体,说明这些残留第二相质点为富Mg、Zn、Cu的金属间化合物.2.4 力学性能测试结果 试验材料力学性能测试结果见表6.表6 力学性能测试结果Tab.6 R esults of mechanical property testing试样编号S1S2S3S4S5σb(MPa)0.97M0.84M0.96M M0.98M K C(N/mm3/2)0.57N N0.90N0.49N0.75N 从表6可知,制备工艺不同,抗拉强度变化不明显;而断裂韧性则有较大的差别,试样S2的断裂韧性最高,S4最低,约为S2的1/2.2.5 光学组织观察与定量分析2.5.1 组织观察 光学组织观察结果如图6、图7所示. 经挤压后的合金晶粒沿主变形方向被拉长,纤维状组织上分布着粒状或絮状残留第二相质点,其分布因制备工艺不同而有差异.S1试样中质点尺寸相对较大,少数区域有质点堆积,呈团絮状;S2、S3试样中质点形状比较圆滑且分布弥散;S4试样中质点出现链状聚集分布.(a)横向 X250(b)纵向 X250图6 S2试样显微组织Fig.6 Microstructure of specimen S2(a)横向 X250・94・ 2004年6月 赵 捷:Al2Zn2Mg2Cu系高强铝合金显微组织的定量分析(b)纵向 X250图7 S4试样显微组织Fig.7 Microstructure of specimen S42.5.2 第二相体积分数 按多点点算法进行定量分析,测出残留第二相体积分数,其结果见表7.表7 残留第二相质点体积分数T ab.7 V olum fraction of remained second phase试样编号S1S2S3S4S5体积分数(0 0) 4.6 3.9 3.7 4.2 3.8 由表7可以看出,制备工艺不同,残留第二相体积分数有差别.S1试样中残留第二相相体积分数最大,其数值达4.60 0,S2、S3、S5试样则相对较小.3 讨 论 通过对上述残留第二相特征参数及力学性能的测试结果进行综合分析,可以看出残留第二相尺寸、形状、体积分数及分布等,因制备工艺不同而有较大的区别,力学性能也随之发生了相应的变化.从实验数据中还可以看出,随拉伸区残留第二相质点尺寸的增加(2. 26μm→2.51μm→2.66μm→2.87μm),断裂韧性(K C)基本随尺寸增大表现出下降的规律(M→0.75M →0.57M→0.49M).残留第二相质点主要为含有Cu、Al、Mg、Zn的金属间化合物,在材料内部起着裂纹源的作用,在应力作用下,当局部应力超过临界值时,残留第二相质点与基体分离,产生起始裂纹,降低了裂纹扩展所需的能量,成为裂纹萌生、扩展的通道,最终导致材料断裂[8],从而降低材料的断裂韧性.显然,残留第二相质点越粗大对断裂韧性越不利;因此,减少残留第二相质点尺寸是提高材料断裂韧性的有效途径.但尺寸不是影响断裂韧性的唯一因素,质点圆滑度及分布弥散性也有影响,如试样S3尽管平均尺寸较大,但因残留第二相质点圆滑度较好,分布比较弥散,不利于裂纹的形成,对断裂韧性损害程度并不大.实验结果还表明,随残留第二相质点体积分数的增大,断裂韧性基本上呈下降的趋势(S2除外,残留第二相质点体积分数比S3、S5略高一点,但K C值最高,这与残留第二相尺寸只有2.26μm、圆滑度较好且呈分布弥散有密切关系),这主要是由于质点体积分数增加,裂纹源增加,而质点的圆滑度差有利于裂纹的扩展,因而残留第二相体积分数与圆滑度也对断裂韧性产生较大的影响[12]. 实验数据表明,残留第二相质点特征参数对高强铝合金抗拉强度的影响不是很大,因为随残留第二相质点特征参数的变化,高强铝合金的抗拉强度变化不显著,也看不出其变化规律. 综上所述,这类新型高强铝合金中残留第二相数量、尺寸、圆滑度及分布与断裂韧性关系比较密切,质点尺寸越小、分布越弥散、相体积分数越小及形状越圆滑,对断裂韧性越有利,所以,控制这类新型铝合金中残留第二相质点的大小、数量及分布等将成为改进材料断裂韧性的主要途径.通过提高铝合金的纯度及调整合金元素组元的含量,可有效减少残留第二相质点的大小、数量;在强化固溶中使其溶入固溶体中或通过加工变形细化其尺寸,改善残留第二相质点的形态(圆滑)和分布(弥散均匀),来达到改善可变形高强铝合金性能的目的[7-8].4 结 论 1)断口分析表明,该合金宏观断裂特征为:灰色无光泽粗糙层状断口,主要包括疲劳区、舌状区、拉断区;微观断裂特征为:分层、韧窝和第二相质点; 2)定量分析结果表明,制备工艺不同,合金中残留第二相特征参数(如尺寸,形状、数量及分布等)有较大的差异; 3)Al2Zn2Mg2Cu系高强铝合金中残留第二相特征参数与断裂韧性关系密切,而对合金抗拉强度的影响不大.残留第二相质点尺寸小,体积分数小,圆滑度好且分布弥散,对合金断裂韧性十分有利.参 考 文 献:[1] 邹景霞,潘青林,彭志辉.Al2Mg2Si2Mn2Cr合金的显微组织与拉伸性能[J].轻合金加工技术,2001,29(5):47—・5・天 津 理 工 学 院 学 报 第20卷 第2期 49.[2] 汝继刚,依琳娜,张禄山.超高强铝合金热处理工艺研究[J].材料工程,1999,(2):37—42.[3] Polmear I J,Ringer S P.Evolution and Control of Mi2crostructure in Aged Aluminum Alloy[J].Journal of JapanInstitute of Light Metals,2000,50(12):633—642. [4] 谷亦杰,林建国,张永刚,等.回归再时效(RRA)处理对7050铝合金的影响[J].金属热处理,2001,(10):31—27.[5] 陈康华,刘红卫,刘允中.强化固溶对7075铝合金组织与性能的影响[J].金属热处理,2000,(9):16—19.[6] Mukhopadhyay A K.Development of Reproducible and In2creased Strength Properties in Al2Cu2Mg2Ag Based AA7075 [J].Metallurgical and Materials Transation A,1997,28A: 2429—2435.[7] 杨 磊,潘青林,尹志民,等.微量Sc和Zr对Al2Zn2Mg合金组织与性能的影响[J].材料工程,2001,(70):29—33.[8] 陈康华,刘红卫,刘允中.强化固溶对Al2Zn2Mg2Cu合金力学性能和断裂行为的影响[J].金属学报,2001,37(1):30—37.[9] 钟 崛.提高铝材质量基础研究的进展[A].铝加工高新技术文集[C].北京:中国有色金属加工工业协会,2001.16—33.[10] 秦国友.定量金相[M].四川:四川科学技术出版社,1979.[11] 上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,1987.[12] 汪 洋.显微组织定量参数的物理意义和应用(1)(2)[J].轻合金加工技术,1998,26:23—16.(上接第38页)振动情况. 用有限元方法对图1所示的安装有吸振器的结构和没有吸振器的结构分别进行计算,在f=0.0Hz～20Hz频率范围,得到振幅与频率的关系曲线如图2所示. 由图2可见,安装吸振器后,在共振点附近,使建筑结构的振动响应急剧减小,抗振效果明显提高,说明本文提出的设计方法适用于结构减振.图2 安装吸振器的减振效果Fig.2 The d amping effect of vibration absorbers intalled4 结 论 1)通过本文的理论分析结果表明,用优化设计方法确定安装在结构上的吸振器参数,对振动系统来说,具有良好的减振效果,可以实现抑制由地震和风载荷引起的结构震动. 2)本文提出的吸振器优化设计方法具有设计简单、容易,运用优化设计方法使设计结果达到最优,能够很好的解决实际振动问题,同时,采用有限元分析的方法,使复杂的振动系统设计计算问题变得简单,在振动系统设计阶段就能进行仿真预测振动响应值.参 考 文 献:[1] Ajjan M,Al2hadid,Wright J R.Developments in the Force2State Mapping Technique for Non2Linear Elements in aLumped2Parameter System[J].Mechanical Systems and Sig2nal Processing,1989,3(3):269—290.[2] 张洪田,刘志刚,张志华,等.动力吸振技术的现状与发展[J].噪声与控制,1996,(3):22—25.[3] 黄豪彩,黄宜坚.磁流变技术及其在机械工程中的应用[J].设计与研究,2003,(4):24—26.・15・ 2004年6月 赵 捷:Al2Zn2Mg2Cu系高强铝合金显微组织的定量分析。
SLM制造铝合金的显微组织和性能
SLM制造铝合⾦的显微组织和性能本⽂综述了增材制造Al合⾦的现状，主要聚焦显微组织表征以及机械性能。
在AM制造铝合⾦时存在的显微组织和缺陷的形成从冶⾦学的⾓度进⾏了分析，同时对发展的⾼性能铝合⾦也进⾏了讨论。
1.1 机械性能1.1.1 微观结构特性和加⼯条件的影响众所周知，硅在材料可铸性和Al-Si合⾦的机械性能⽅⾯起着重要作⽤。
在传统的凝固合⾦中，硅相的针状或板状形状在拉伸加载和塑性变形的早期阶段导致局部剪切，并迅速导致裂纹和断裂的产⽣和扩展。
然⽽，在L-PBF中，在共晶区域和熔池中形成的球形硅纳⽶尺⼨相可以抵抗局部剪切⼒。
这导致裂纹产⽣和扩展受到抑制，并提⾼了延展性和强度。
相关⽂献表明，与传统铸造材料相⽐，这提⾼了AM亚共晶Al-Si合⾦的拉伸性能。
此外，除了共晶硅颗粒和初⽣铝晶粒的微观结构细化之外，L-PBF结构的这些⾼拉伸性能还归因于硅在铝基体中的⾮平衡溶解度。
与亚共晶合⾦类似，过共晶合⾦的强度也通过细化初⽣硅和共晶硅相来提⾼。
此外，与传统铸造相⽐，Al-Si L-PBF部件在垂直构建⽅向与⽔平⽅向的微观结构存在差异，导致各向异性特征。
使⽤后期处理不容易控制这种各向异性的拉伸强度和延展性的各向异性。
相⽐之下，虽然在L-PBF中可以看到Al-Si合⾦的各向异性特性，但在不同的制造条件下可以获得良好的拉伸性能。
并且⼤多数⽂献都指出，这两种材料中的Al-Si合⾦的拉伸强度⽅向基本相同。
另外还观察到改变扫描策略，如改变填充样式和轮廓，会显著改变纹理并提⾼拉伸性能，这主要是由于裂纹扩展路径的改变。
值得注意的是，L-PBF样品还具有良好的韧性，但这种影响对构建和扫描⽅向等加⼯参数⾮常敏感。
⼤多数研究⼈员注意到，L-PBF样品的疲劳性能⽐铸造样品差。
已发现拉伸残余应⼒、孔隙和未熔化的颗粒的存在是造成这种情况的可能原因。
此外，已经观察到断裂最常发⽣在熔池边界的热影响区(HAZ)。
HAZ的⼤⼩很⼤程度上取决于L-PBF加⼯参数，这为调整HAZ和熔池中的热梯度提供了⼀种现成的⽅法。
铝合金的显微组织与力学性能研究
铝合金的显微组织与力学性能研究近年来，随着人们对新材料的需求不断增加，铝合金作为一种轻质高强度材料，在工业领域中得到了广泛的应用。
铝合金的显微组织与力学性能之间存在着密切的关系，因此对其进行研究是至关重要的。
首先，我们来关注铝合金的显微组织。
铝合金的显微组织通常由晶粒、晶界和相组成。
晶粒是指铝合金中的晶体，其大小和形状对材料的力学性能有着重要影响。
晶界是相邻晶粒之间的界面，也称为晶粒界面，在晶界上常常存在着结构缺陷，如滑移带、孪晶等，这些缺陷对材料的塑性变形和失效起着重要作用。
相是指铝合金中存在的其他成分，如硬质相、软质相等，相的类型和分布状态直接影响材料的硬度、韧性等力学性能。
其次，铝合金的力学性能是指其在外力作用下的表现，主要包括强度、塑性和韧性等方面。
强度是材料抵抗外力破坏的能力，通常用屈服强度和抗拉强度来表示。
塑性是指材料在外力作用下发生可逆形变的能力，表现为其能够被加工成各种形状。
韧性是指材料在受到外力时能够吸收较大的能量而不发生断裂的能力，其与材料的断裂韧度有关。
然后，我们来探讨铝合金的显微组织与力学性能之间的关系。
通过控制铝合金的显微组织，可以有效地调节其力学性能。
例如，通过合理的热处理和变形加工，可以改变晶粒的形状和大小，进而调节铝合金的强度和塑性。
此外，在铝合金中添加合适的相或进行相变处理，可以改善其抗蠕变性、耐磨性等特殊应用性能。
最后，我想提到一些常见的铝合金及其显微组织与力学性能的研究成果。
例如，2024铝合金是一种高强度材料，其强度可通过固溶处理和时效处理得到进一步提高。
研究发现，适量的固溶处理和时效处理可以使该合金的塑形能力得到提高，进而增加其应用范围。
此外，7075铝合金是一种常用的超高强度材料，其显微组织中常见的硬质相可有效提高其强度和硬度。
通过对其显微组织的研究，研究人员发现了一种新型的加工方式，即等通道转角挤压（ECAP），可以显著提高7075铝合金的塑性，从而拓宽了其应用领域。
铝合金显微组织图册
显微组织图册1、4032挤压棒：500X下共晶硅（灰色相）尺寸---正常组织状态：H112 腐蚀时间：15-25S2、4032铸棒：铸态（共晶硅呈灰色条状，成团簇状）均质（共晶硅灰色圆形均匀分散在样品上初晶硅一般＞20um2、合金：3003 状态：均质腐蚀时间：20-30S200X 正常组织500X 正常组织正常组织（抛痕严重）3、合金：6005 /6005A 状态：均质腐蚀时间：30-40S200X 正常组织500X正常组织正常组织（抛光效果不好）4、合金：6061 状态：均质腐蚀时间：30-40S200X正常组织500X正常组织200X均质效果不佳500X均质效果不佳腐蚀时间过短，境界不明显5、合金：6063 状态：均质腐蚀时间：30-40S200X正常组织500X正常组织拖尾严重---抛一段时间后旋转180度，可避免此类事件发生磨痕（研磨效果不佳）6、合金：6088B 状态：均质腐蚀时间：30-40S200X正常组织500X正常组织200X均质效果不佳200X均质效果不佳7、合金：6B10 状态：均质腐蚀时间：30-40S200X正常组织200X正常组织500X正常组织腐蚀时间过长腐蚀时间过短，晶界不明显9、合金：YF66C（同时测量晶粒尺寸）状态：均质腐蚀时间2-3minYF66F 200X正常组织YF66F 500X正常组织YF66H 100X 过烧组织YF66H 200X 过烧组织YF66H 200X 过烧组织11、合金：7032 状态：均质腐蚀时间：40-50S200X正常组织（未均质，已腐蚀15S）500X正常组织（未均质，已腐蚀15S）200X正常组织（未均质，未腐蚀）200X正常组织（未均质，未腐蚀）12、锻件合金：4032 腐蚀时间：15-25S模锻件状态：T6 状态：均火态状态：H11213、锻件合金：6B10 腐蚀时间：30-35S（正常组织）模锻件状态：T6 200X 模锻件状态：T6 500X 14、板材合金6XXX 图中黑点：未固溶相（正常组织）15、锻件4032 过烧16、铸锭YF66CM 过烧。
7050铝合金的异构组织
7050铝合金的异构组织
7050铝合金是一种高强度铝合金,广泛应用于航空航天等领域。
它的强度和耐蚀性能得益于其独特的异构组织。
1. 固溶强化
7050铝合金的主要合金元素包括锌、铜和镁。
这些元素在铝基体中形成固溶体,产生应变,从而提高合金的强度。
2.析出强化
在固溶体经过适当的热处理后,过饱和的固溶体会发生分解,形成纳米尺度的强化相。
这些强化相的数量、尺寸、形貌和分布对合金的强度有重要影响。
7050合金中主要强化相为η'(MgZn2)和η(MgZn2)。
3.晶界强化
7050合金在加工过程中会形成细小的再结晶晶粒,晶粒尺寸细小有利于提高强度。
同时,晶界处富集的过剩元素也能提供一定强化作用。
4.颗粒强化
在7050合金中,还存在一些非常稳定的颗粒相,如Al7Cu2Fe、Al23CuFe4等。
这些颗粒相不仅能提供一定的强化作用,而且能够阻碍位错运动,从而进一步提高合金强度。
5.织构强化
7050合金的变形加工过程会引入一定的织构,即晶粒的有序排列。
合理控制织构能够进一步提高合金的强度。
7050铝合金在显微尺度上呈现出复杂的异构组织,不同的强化机制相互作用,从而赋予了合金优异的综合性能。
深入研究这种异构组织对于进一步提高7050合金的性能至关重要。
6061铝合金微观组织特点
6061铝合金微观组织特点
6061铝合金是一种常见的铝合金材料，具有广泛的应用领域。
其微观组织特点决定了其优异的力学性能和加工性能。
首先，6061铝合金的微观组织主要由α-Al晶粒和弥散的细小粒状富有弹性的Mg2Si相组成。
α-Al晶粒是铝合金的主要相，具有良好的塑性和可加工性。
它的晶粒尺寸通常在10-100微米之间，这种细小的晶粒结构使得6061铝合金具有较高的强度和硬度。
此外，这种微观组织的分布均匀性也有助于提高材料的力学性能。
其次，6061铝合金中的Mg2Si相具有优异的强度和硬度。
这种相位的存在能够有效地提高合金的抗拉强度和硬度。
Mg2Si相通常以弥散的方式分布在α-Al晶粒的晶界和晶内，形成细小的颗粒状结构。
这种细小的粒状结构能够阻碍晶粒的滑移和晶界的扩散，从而提高合金的强度和硬度。
此外，6061铝合金还可能包含少量的其他相，如硅、铜、镁等元素形成的富集相。
这些富集相的存在会对合金的性能产生一定的影响。
例如，硅相能够增强合金的耐热性和耐腐蚀性，铜相能够提高合金的强度和耐磨性，镁相能够增强合金的可加工性。
这些相的含量和分布状况会根据合金的具体配方和加工工艺而有所变化。
总的来说，6061铝合金的微观组织特点决定了其优异的力学性能和加工性能。
细小的α-Al晶粒和弥散的Mg2Si相使得合金具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时保持了良好的塑性和可加工性。
合金中可能存在的其他相也会对合金的性能产生一定的影响。
因此，合理控制合金的微观组织特点对于获得优良的性能至关重要。
铝合金的显微组织与疲劳性能研究
铝合金的显微组织与疲劳性能研究近年来，铝合金作为一种广泛应用于航空航天、汽车制造等领域的重要材料，其性能研究日益受到关注。
其中，显微组织与疲劳性能是铝合金研究中的重点内容。
本文将对铝合金的显微组织和疲劳性能进行深入探讨。
1. 铝合金的显微组织铝合金的显微组织是指铝合金材料在显微镜下呈现的微观结构。
铝合金主要由铝和其他合金元素组成，例如铜、锌、镁等。
这些合金元素的含量和比例可以调控铝合金的性能。
显微组织中的晶粒尺寸、相的类型和分布、亚晶等也对铝合金的力学性能和疲劳性能有着重要影响。
铝合金的显微组织可以通过金相显微镜等设备观察和分析。
常见的铝合金显微组织包括等轴晶粒、柱状晶粒和细晶组织。
等轴晶粒由于其颗粒形状均匀，其力学性能相对较好，但疲劳寿命较短。
柱状晶粒则具有相对更高的强度和硬度，但其断裂韧性较差。
而细晶组织在疲劳寿命方面有一定的优势，但机械性能相对较差。
2. 铝合金的疲劳性能疲劳是材料在受到交变载荷或循环加载作用下发生破坏的现象。
铝合金在使用过程中，常常会遇到复杂的载荷情况，例如风、震动等作用下的循环加载。
因此，疲劳性能的研究对于铝合金的可靠性和安全性至关重要。
铝合金的疲劳性能可以通过疲劳试验等方法进行评估。
疲劳试验的基本原理是对材料进行交替加载，观察其在不同循环次数下的疲劳寿命。
常用的疲劳试验方法包括拉伸-压缩疲劳试验、弯曲疲劳试验和旋转弯曲疲劳试验等。
研究发现，铝合金的疲劳寿命常与显微组织的细化有关。
较细的晶粒尺寸可以增加材料的界面数目，从而能更好地吸收应力和延缓疲劳损伤的发展。
此外，亚晶和非晶态相对于晶粒边界也具有较好的阻碍裂纹扩展的能力，有利于提高疲劳寿命。
3. 铝合金的改进与应用为提高铝合金的疲劳性能，研究人员采取了不少措施。
例如通过热处理和合金元素的添加来改变铝合金的显微组织，实现性能提升。
采用过热变形、等温退火和再结晶退火等方法，可以调控铝合金的晶粒尺寸和相的类型。
同时，适量添加元素，如镁、锌等，可以改善铝合金的强度和韧性。
铝合金材料的显微组织与力学性能研究
铝合金材料的显微组织与力学性能研究铝合金是一种常见而重要的金属材料，其具有良好的机械性能和广泛的应用领域。
在铝合金的研究中，显微组织与力学性能之间的关系一直是一个重要的研究方向。
本文将从显微组织和力学性能两个方面探讨铝合金材料的研究进展和相关问题。
一、铝合金的显微组织研究铝合金的显微组织主要由晶粒、相分布和晶界等组成。
晶粒是组成铝合金材料的基本单元，晶粒的尺寸和形态与材料的力学性能密切相关。
随着材料制备方法和热处理工艺的不同，铝合金的晶粒尺寸和形态会发生变化。
研究表明，晶粒尺寸越小，材料的强度和硬度越高，但韧性和塑性会相应降低。
相分布是指铝合金中不同相的分布情况。
铝合金中常见的相有析出相、溶固相和沉淀相等。
这些相的存在与晶粒的尺寸、形态和分布密切相关。
相分布的研究有助于了解铝合金的相变和相互作用规律，从而指导制备和改性铝合金材料。
晶界是晶粒之间的界面区域，是铝合金中的强度和韧性的重要因素。
晶界的特征和稳定性决定材料的抗拉强度、断裂韧性和疲劳寿命。
研究表明，晶界的结构、平衡和迁移行为对铝合金材料的性能具有重要影响。
因此，晶界的研究对于理解铝合金的显微组织演化和力学性能提升具有重要意义。
二、铝合金的力学性能研究铝合金的力学性能包括强度、硬度、韧性和塑性等参数。
随着显微组织的改变，铝合金的力学性能也会相应变化。
强度是材料抵抗变形和断裂的能力，与晶粒尺寸、相分布和晶界特性等因素密切相关。
硬度是材料抵抗切削和磨损的能力，与晶粒大小和晶界特征有关。
韧性是材料抵抗断裂和剪切的能力，主要受晶界和析出相的影响。
塑性是材料变形和变型的能力，也与晶界的稳定性和迁移性有关。
为了提高铝合金材料的力学性能，研究人员通过改变制备方法、热处理工艺和合金配方等途径进行了大量的研究。
针对不同应用领域的需求，开发出了一系列具有优异力学性能的铝合金。
同时，利用计算模拟方法对铝合金进行力学性能预测也成为了研究的热点。
这些研究工作为铝合金的应用提供了重要的理论和实践基础。
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1 Al2Zn2Mg2Cu 系合金中各元素的作用
Al2Zn2Mg2Cu 系合金为热处理可强化合金 ,起主 要强化作用的元素为 Zn 和 Mg ,Cu 也有一定强化效 果 ,但其主要作用是提高材料的抗腐蚀性能 。此外 , 合金中还有少量的 Mn 、Cr 、Zr 、Ni 、Ti 、B 等辅助元素 , Fe 和 Si 在合金中是有害杂质 。一些主要元素在 Al 中的固溶极限见表 1 。
趋势[6 - 8] ,Zr 可大大提高合金的再结晶温度 ,无论是 热变形还是冷变形 ,在热处理后均可得到未再结晶 组织[2] ,Zr 还可提高合金的淬透性 、可焊性 、断裂韧 性 、抗应力腐蚀性能等 ,是 Al2Zn2Mg2Cu 系合金中很 有发展前途的辅助元素 。
Fe 和 Si 在 7 ×××系合金中是不可避免存在的 有害杂质 ,主要来自原材料以及熔炼 、铸造中使用的 工具和设备 。这些杂质主要以硬而脆的 FeAl3 和游 离的 Si 形 式 存 在 , 并 与 Mn 、Cr 形 成 ( FeMn) Al6 、 (FeMn) Si2Al5 、Al ( FeMnCr) 等粗大化合物 。FeAl3 有细 化晶粒的作用 ,但对抗蚀性影响较大 。随着不溶相 含量的增加 ,不溶相的体积百分数也在增加[9] 。这 些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长 ,出现带状 组织 ,粒子沿变形方向呈直线状排列 ,由短的互不相 连的条状组成 。由于杂质颗粒分布在晶粒内部或者 晶界上 ,在塑性变形时 ,在部分颗粒2基体边界上发 生孔隙 ,产生微细裂纹 ,成为宏观裂纹的发源地 ,同 时它也促使裂纹的过早发展 。此外 ,它对疲劳裂纹 的成长速度有较大的影响 ,它具有一定的减少局部 塑性的作用 ,这可能是由于杂质数量增加使颗粒之 间距离缩短 ,从而减少裂纹尖端周围塑性变形流动 性[9] 。因为含 Fe 、Si 的相在室温下很难溶解 ,起到缺 口作用 ,容易成为裂纹的起源而使材料发生断裂 ,对 伸长率 , 特别对合金的断裂韧性有非常不利的影 响[2 ,7 ,9] 。因此 ,新型合金在设计及生产时 ,对 Fe 、Si 含量的控制较严 ,除采用高纯金属原料外 ,在熔铸过 程中也采取一些措施 ,避免这两种元素混入合金中 。
< 0. 3
640
0. 04
0. 02
-
566
55. 6
13. 8
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443
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当 w ( Zn) / w (Mg) > 2. 2 ,且 w (Cu) > w (Mg) 时 , Cu 与其他元素能产生强化相 S ( CuMgAl2) 而提高合 金的强度 ,但在与之相反的情况下 S 相存在的可能 性很小 。Cu 能降低晶界与晶内的电位差 ,还可以改 变沉淀相结构和细化晶界沉淀相 ,但对 PFZ 的宽度 影响较小 ,它可抑制沿晶开裂的趋势 ,因而改善了合 金的抗应力腐蚀性能[2 - 5] 。然而当 w (Cu) > 3 %时 , 合金的抗蚀性反而变坏 。Cu 能提高合金过饱和程 度 ,加速合金在 100 ℃～200 ℃之间人工时效过程 ,扩 大 GP 区的稳定温度范围 ,提高抗拉强度 、塑性和疲 劳强度 。此外 ,美国 F S Lin 等人研究了 Cu 的含量 对7 ×××系铝合金疲劳强度的影响 ,发现 Cu 含量 在不太高的范围内 ,随着 Cu 含量的增加合金周期应 变疲劳抗力和断裂韧性增加 ,并在腐蚀介质中降低 裂纹扩展速率 ,但 Cu 的加入有产生晶间腐蚀和点腐 蚀的倾向 。另有资料介绍 ,Cu 对断裂韧性的影响与 w ( Zn) / w (Mg) 值有关 ,当比值较小时 ,Cu 含量愈高 合金的韧性愈差 ;当比值大时 ,即使 Cu 含量较高 ,韧 性仍然很好 。
Microstructures of ultra high strength aluminum alloys
TIAN Fu2quan , CUI Jian2zhong
( The Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials , Ministry of Education , Northeastern University , Shenyang 110006 , China)
相仅是补充强化相 。
Al2Zn2Mg2Cu 系合金主要强化相时效序列析出
过程通常是[10 - 12 ] :
α过饱和 →
G. P 区和η″ → η′相
η相 →
→
固溶体
空位2溶质团
MgZn
MgZn2
T[ (AlZn) 48Mg32 ]
或 (Mg3Zn3Al2)
5 0 LAFT
轻 合 金 加 工 技 术
表 1 各种合金元素在铝中的固溶度
温度/ ℃
最大固溶度
室温下的溶解度
质量分数/ % 摩尔分数/ % (质量分数/ %)
548
5. 65
2. 40
&0. 40
< 0. 015
600
4. 2
16. 3
< 0. 85
450
17. 4
18. 5
< 1. 9
658
1. 82
0. 90
Zn 和 Mg 是主要强化元素 ,它们共同存在时会 形成η(MgZn2) 和 T(Al2Mg2Zn3) 相 。η相和 T 相在 Al 中溶解度很大 ,且随温度升降剧烈变化 ,MgZn2 在共 晶温度下的溶解度达 28 % ,在室温下降低到 4 %～
收稿日期 :2005 - 11 - 01 第一作者简介 :田福泉 (1966 - ) ,男 ,辽宁抚顺人 ,高级工程师 。
Abstract : The study things ,in home and abroad ,about the microstructures of the series Al2Zn2Mg2Cu aluminum alloys have been comprehensively introduced and reviewed. The study has shown that :the microstructures of the Al2Zn2Mg2Cu aluminum alloys consist mainly of the MPt , GBP ,PEZ and the compounds which hinder re2crystallization (the compounds are ones of the elements of the tran2 sit groups) ,of which the first three items compose the most important three characteristics describing the unevenness of the mi2 crostructures ,the latter also appears both the unevenness in distribution and the unevenness influencing the distribution of the dislo2 cations. They have all effects on nearly all the macro2properties of the alloys. Therefore ,the main way to control these characteristics is heat2treatment ,i. e. having controlled the unevenness of the microstructures can control the properties. Key words : aluminum alloy ;ultra high strength ;microstructures ; heat treatment
2 Al2Zn2Mg2Cu 合金的强化相
Al2Zn2Mg2Cu 系合金 ( w (Al) = 90 %) 在 400 ℃和
200 ℃的等温截面如图 1 所示 。从图 1 中可以看出 , 俄 В95 合金在 400 ℃时处在α+ S 相区且 S 相很少 , 在 200 ℃时合金组织由铝基α固溶体和 S (CuMgAl2) 相 、η(MgZn2) 相以及 T(Mg3Zn3Al2) 相组成 ,在η相和 T 相内溶有一定量的 Cu 。由此可见 ,Al2Zn2Mg2Cu 系 合金的主要时效强化 (沉淀强化) 相是η相和 T 相 ,S
2006 , Vol . 34 , №2
轻 合 金 加 工 技 术
LAFT 4 9
5 %[1] ,有很强的时效强化效果 , Zn 和 Mg 含量的提 高可使强度 、硬度大大提高 ,但会使塑性 、抗应力腐 蚀性能和断裂韧性降低 。
元素
Cu Cr Li Mg Mn Ni Ag Ti Zn Zr
似于球形 ;差值超过 3 %时 ,则产生针状析出物 ;当该
值再增大时 ,则产生圆盘状析出物 。G. P 区的形状
与 Al 原子及溶质原子直径差的关系如表 2 所示 ,可
以看出 ,7 ×××系合金的 G. P 区是球形的 。一些研
究结果表明 ,当沉淀相主要由共格的 G. P 区构成时 ,
合金才有可能获得最高强度 ,但这种组织的合金产 生很强的 SCC 敏感性 。因为该系合金的 G. P 区与η″
超高强铝合金主要是指 Al2Zn2Mg2Cu (7 ×××) 系铝合金 ,由于它具有高的比强度和硬度 、易于加 工 、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点 ,使之广 泛应用于航空航天领域 ,并成为这个领域中重要的 结构材料之一 。
超高强铝合金的开发和发展主要围绕提高材料 的强度 、塑性 、韧性 、耐蚀性以及疲劳性能等综合性 能来开展研究 ,而合金的性能又是由其组织决定的 , 因此必须研究该系合金在各种状态下的显微组织及 其对性能的影响 ,并深入研究组织调控技术 。本文 综述了国内外关于 Al2Zn2Mg2Cu 系铝合金显微组织 的研究情况 。