高强铝合金预拉伸板的断裂韧性研究

收稿日期:2008-06-19

第一作者简介:沈　君(1980-),男,黑龙江哈尔滨人,助理工程师。

高强铝合金预拉伸板的断裂韧性研究沈　君(东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060)

摘要:通过研究单级、双级和三级时效对新型高强铝合金强韧性的影响,探索使该合金具有最佳强韧性配合的热处理工艺。此外,对该合金在不同热处理条件下的KIC试样的断裂特征进行了观察。关键词:高强铝合金;预拉伸板;断裂韧性中图分类号:TG146.21;TG166.3 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2008)09-0046-04

Studyonfracturetoughnessofhighstrengthaluminumalloypre2stretchedplateSHENJun(NortheastLightAlloyCo.,Ltd.,Harbin150060,China)

Abstract:Thetechniquewhichcanachievethebestcombinationofstrengthandtoughnessofthealloyisexploredbystudyingtheeffectofsingle2stage,two2stageandthree2stageagingonthetoughnessofnewhighstrengthalloy.Inaddition,thefracturetoughnessoftheKicspecimensunderdifferentheattreatmentconditionsisobserved.Keywords:highstrength;aluminumalloy;pre2stretchedplate;fracturetoughness

新型高强韧型铝合金是我国在7A04铝合金的基础上经过改进而形成的一种高纯高强铝合金,属于Al2Zn2Mg2Cu系,主要应用于航空航天领域[1-2]。高强铝合金预拉伸板代替模锻件,用于航天、航空飞行器受力部件,大大降低加工成本和制造成本,增加受力部件的几何尺寸,极大地解决了大型结构件的铆接问题[3-6]。随着我国航空航天事业的持续快速发展,国产高强高韧型铝合金预拉伸板材的应用日益广泛[7]。因此,对国产高强高韧型铝合金预拉伸板的综合性能进行深入而系统的研究显得尤为重要。目前有关高强高韧型铝合金预拉伸板断裂韧性研究的文献报道较少。为此,本文通过研究不同热处理工艺(包括峰时效T6制度、双级过时效T7X制度和回归再时效RRA制度)对合金强韧性的影响,探索使合金具有最佳强韧性配合的热处理工艺。此外,对不同热处理条件下的KIC试样的断裂特征进行了观察。1　试验方法试验所用高强高韧型合金的化学成分如表1所示。合金经熔炼铸造、均匀化处理后热轧成40mm

厚的板材,然后在辊底式双面喷淋淬火炉上进行固溶2淬火,对板材进行2%～212%的拉伸塑性变形以消减淬火残余应力。从淬火后的板材上切取大量试样块,分别进行单级、双级和三级时效处理。在前期相关工作的基础上,本文选取以下一些有代表性的热处理工艺进行试验研究。单级时效的温度为120℃,选择6h、22h、48h三种时效时间;双级时效的第一级时效制度为115℃7h,第二级时效温度选取160℃,时间选取2h、12h、24h、36h;三级时效的第一、三级时效条件均为120℃22h,第二级时效温度(回归温度)选取180℃,第二级时效时间选取45

h、60h、120h。常规拉伸力学性能测试在MTS2810试验机上进行,试样的取样方向为横向(LT向),拉伸试样的轴

64 LAFT轻　合　金　加　工　技　术2008,Vol.36,№9心位于沿板材厚度方向的1Π4位置处。采用标准紧凑拉伸(CT)试样测试板材的断裂韧性,取样方向为LT向。在S24800扫描电镜上观察断裂表面形貌。

表1　试验材料的化学成分(质量分数)%

ZnMgCuMnFeSiNiCrTiAl6.232.881.580.310.150.048<0.010.160.025余量

2　试验结果与分析2.1　光学显微组织图1为淬火态高强高韧型铝合金板材的立体光学组织。从图中可以看出,合金经固溶处理后发生了部分再结晶,但合金显微组织仍基本保持着轧制变形的扁平晶粒形貌。同时晶界和晶粒内部还存在部分未溶的第二相粒子。图1　高强高韧型铝合金板材淬火后的立体光学组织2.2　力学性能及断裂韧性高强高韧型铝合金预拉伸板在120℃单级时效条件下的常规力学性能及断裂韧性随时效时间的变化如图2所示。从图中可以看出,合金在欠时效条件下具有较高的断裂韧性但强度相对较低,时效6h图2　120℃单级时效条件下高强高韧型铝合金预拉伸板的强度和断裂韧性随时效时间的变化规律后,断裂韧性为3217MPa・m1Π2,抗拉强度为563NΠmm2。随着时效时间的延长,材料的强度增加而断裂韧性降低,当时效22h后(T6峰时效),抗拉强度为595NΠmm2,断裂韧性降至2718MPa・m1Π2。继续延长时效时间至48h,材料的强度和断裂韧性值均有小幅下降。高强高韧型铝合金预拉伸板经过115℃时效7h

后,在160℃分别时效不同时间,其常规力学性能及断裂韧性变化如图3所示。可见,经过115℃时效7

h后再在160℃下进行第二级时效,与单级T6峰时效相比,双级时效后的断裂韧性获得了普遍提高,但合金的强度均有不同程度的下降。合金的断裂韧性随着第二级时效时间的延长而逐渐增加,而强度与断裂韧性的变化趋势相反。当第二级时效2h后合金的强度和断裂韧性分别为568NΠmm2和2819

MPa・m1Π2。当时效时间至36h后,合金的强度和断

裂韧性分别为493NΠmm2和3815MPa・m1Π2。

图3　双级时效条件下高强高韧型铝合金预拉伸板的强度和断裂韧性

RRA处理作为一种提高7×××系铝合金抗应力腐蚀性能,同时不降低其强度性能的方法,受到材料工业界广泛关注[8-11]。表2列出了高强高韧型铝合金预拉伸板在三种典型时效状态下拉伸力学性能及电导率数据。可以看出,T6状态下合金的强度和伸长率较高,但其电导率很低;与T6相比,采用双级T7过时效处理后,合金的电导率明显提高,但是强度下降较多。而经RRA处理后,合金可在获得与T6的强度相近的同时,电导率可达到T7的水平。电导率

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作为衡量7×××系合金的抗应力腐蚀性能的一种标准,在工业上得到广泛应用[11-14]。通常电导率越高,

材料的抗应力腐蚀性能越好。因此,从表2中可以看出,RRA和T7这两种状态下合金的抗应力腐蚀性能较好。总体看来,对本试验材料而言,采用RRA

处理可达到优良的强度性能和抗应力腐蚀性能相结合的目的。

表2　三种典型时效状态下合金的常规力学性能及电导率状态R

p0.2Π(N・mm-2)Rm

Π(N・mm-2

)AΠ

%电导率(MS・

m

-1)

T653559511.518.3T745553010.721.4RRA5205859.421.0

在RRA工艺研究的基础上,对几种有代表性的RRA工艺条件下合金的断裂韧性进行测试。图4所示为合金经RRA处理后的力学性能及断裂韧性测试结果。从图中可以看出,采用RRA工艺处理后的断裂韧性与T6峰时效的断裂韧性相比,有一定程度的提高,且随着回归时间的延长,断裂韧性逐渐增加。总之,采用合适RRA处理时,合金的强度性能与T6态的相比没有明显下降,而电导率获得明显提高,且断裂韧性亦有小幅增加,材料的综合性能获得改善。2.3　断裂形貌图5a、b分别是合金在单级欠时效和T6峰时效状态下断裂韧性试样的微观断口形貌,从图中可以看出,欠时效条件下合金的断裂属于沿晶断裂和穿晶断裂的混合断裂模式,韧窝型断裂的比例更大一些。此外断裂韧窝中含有一些未回溶的小粒子,如图5a所示。对这些第二相粒子进行EDS分析,发现第二相粒子大体上有三种:第一种类型粒子为富Mg、Si相;第二种类型粒子为富Al、Zn、Mg、Cu相;第图4　RRA时效条件下高强高韧型铝合金预拉伸板的强度和断裂韧性三种类型粒子为富Al、Cu、Fe相。高强高韧型铝合金虽属高纯铝合金,但仍含有Fe和Si等杂质元素,

它们的存在对合金的断裂韧性有较大的影响。这些第二相粒子残留于韧窝的中心,是裂纹的发源地。当材料受外力作用时,位错被推向第二相粒子,在这些粒子周围堆积,当一个个位错环被推到粒子与基体截面后,界面被分开形成微孔,新的位错环不断被推向微孔,导致微孔迅速扩展,最终导致材料断裂。与欠时效断口形貌相比,T6峰时效合金断口中沿着扁平的变形晶粒断裂比例增加,韧窝数量明显减少,说明随着单级时效时间的延长其韧性降低,这与试验所测得的结果一致。图6是双级时效制度下合金的断口形貌。双级时效条件下,合金的断裂属于沿晶断裂和韧窝断裂的混合断裂。随着第二级时效时间的延长,即随着过时效程度的增加,断口内的韧窝断裂的比例增加,

且韧窝更多、大、深。由此可见,通过断口观察也可推断,在相同的第二级时效温度下,随着时效时间的延长,合金的断裂韧性提高。

图5　单级时效条件下KIC试样的断口形貌

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