时效时间对一种新型Al—Cu—Li系合金显微组织和力学性能的影响
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时效时间对一种新型A1-Cu—Li系合金显微组织和力学性能的影响 41 时效时间对一种新型AI-Cu—Li系合金显微 组织和力学性能的影响 Efleet of Hot Treatment on Mechanical Properties and Microstructure of a New Type A1——Cu——Li Alloy 李红英,孙远,王晓峰,唐宜,曾再得,王法云,郑子樵 (中南大学材料科学工程学院,长沙410083) LI Hong—ying,SUN Yuan,WANG Xiao—feng,TANG Yi, ZENG Zai—de,WANG Fa—yun,ZHENG Zi—qiao(Department of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) 摘要:研究了时效时间对一种新研制的A1一Cu—Li系合金组织性能的影响。研究发现:在不同时效状态下,该合金析出了 8 ,T ,0 ,。,,,d等第二相,时效过程中析出T 相始终保持稳定的数量和尺寸,。,,相随着时效的进行不断减少并且最终消 失。力学性能随着析出相的种类和数量的不同而改变,T 相对合金起到了很好的强化效果,6 相和e 相的复合强化有效 地改善了合金的力学性能,o相对该合金的强化作用优于0 相。 关键词:铝锂合金;力学性能;显微组织 中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:1001—4381(2008)12—0041—05 Abstract:Basal investigation of a new type A1一Cu—Li alloy was carried out.The peak—aging of the new type A1——Cu——Li alloy was determined through tensile tests and the Transmission Electron Microscopy (TEM)was used to investigate the microstructure of the experimental alloy.Precipitates ,Tl,d,0 , 0 were found in the alloy.The mechanical properties changing with different kinds and amount of precipitates were analyzed.The work showed that the compound effect of precipitation and 0 at— tribute to the matrix strengthening and that the strengthening effect of precipitation d was more effec— tive than precipitation 0:Precipitation e kept decreasing with aging process and disappeared at last. .The qualitative relationship of mechanical properties and microstructure was established. Key words:A1-Cu—Li alloy;mechanical property;microstructure 铝锂合金具有密度小、弹性模量高和比强度高等 优点[1],成为极具发展潜力的航空航天材料。铝锂合 金在时效过程中可能析出6,8 ,T ,0 ,e, ,Q,a等第二 相,这些第二相对铝锂合金的力学性能和腐蚀性能都 有不同程度的影响。艿 相是铝锂合金中的主要强化相 之一,其强化效果对提高铝锂合金力学性能有着十分 重要的作用_2 ]。含有少量Mg和Ag的Weldalite@ 影响。 1 实验方法 实验材料为新研制的A1一Cu~Li系合金锻坯,添加 了Zn,Mg,Mn,Zr等微合金元素。锻坯一退火 (470℃,2h)一热轧至12mm一退火(450℃,1.5h)一热 系列合金,自然时效和人工时效处理后都具有十分优 良的性能,这种材料在峰时效所获得的超高强度主要 源于基体中均匀分析出的T (A1 CuLi)相的强化作 用l_4]。在具有高的铜镁比的三元Al—Cu—Mg合金中, 轧至5mm一退火(450℃,2h)炉冷一冷轧至2mm。在 (52O±2)℃固溶2h,然后水淬,在165℃下进行人工时 效,时效时间分别为1,6,12,15,18,21,24,36,42,48, 50h和60h。沿轧向剪取拉伸试样,时效后的拉伸实 验在CSS-44100电子材料试验机上进行,采用Tec— naiG 20透射电子显微镜(TEM)观察不同时效状态的 显微组织,TEM试样先经机械减薄到0.08~O.1mm, 添加少量的Mg能够促进0 强化相的析出[5]。在含有 Ag和Si的A1-Cu-Mg-Mn合金中,d相可能是主要强 化相L6],但有关A1-Cu-Li系合金在时效过程中析出a 相及其强化效果和机理的报道较少。本工作研究了时 然后进行双喷减薄,所用双喷液为CH。OH:HNO。一 3:1的电解腐蚀液。 效时间对一种新研制的AI—Cu—Li系合金组织性能的 42材料工程/2008年12期2结果及分析1力学性能与时间的变化关系图。由图1可以看出实,验合金的硬度和屈服强度在整个时效过程中持续增2.力学性能测试长延伸率随时效时问延长而降低,。在时效时间为表1为实验合金在。165℃经不同时效时间处理后165℃50h时该合金强度达到峰值,。因此确定该合金的峰的拉伸实验结果图1为实验合金在表Ta时效时的~值时效为165℃50h/。1实验合金在Mec165Co下时效不同时间的力学性能exble1(HRF)09hanicftheperimentalalloyat165℃90Aging16timeh/嘶2MPa/Hardness%晚/211918.Agingtimeh/0.2M/PaHardness(HRF).%如/988777.2653253473589698.9874980364246484284441041041052777....121510l_2101102103103..444449454436.2O00.266726541513.105105105..182124381402..50...1310.60..416..蛊≤兰b乱壶=图l.实验合金在1Tens165℃ro时效时拉伸性能与时间关系曲线ties(a)延伸率和屈服强度;(b)硬度perFigilepperUSagingtimtionanecurvesfoenrthe;eximentalalloyagedatl65℃(a)elongadyieldstrgth(b)hardness2.2显微组织观察片状)和0相(呈较大相互垂直的板条状)24h时效的显微组织形貌析出/,’。占相’除了,图2是经了T,165℃,,相的宽面析出从呈粒状析出外还有择优在e相和。,,’相,6’相a(呈方形)相,e相(呈较小相互垂直的”图2b暗场相可以清楚地看到6’覆盖在e‘相和e相上”。图2Fig.在165%o下时效ft24hater实验合金的显微组织形貌入射方向(100),(a)明场相;(b)暗场相a2Microstructurehemials(100)agedfor24hat165C~(a)brightfieldimge;i(b)darkfeldimage时效时间对一种新型A1CuLi系合金显微组织和力学性能的影响36h时效处理后的显微/’,43图3为实验合金经,165℃场相中图’,8’仍然是覆盖在165℃,0上e上”’,并且清晰可见由于0,”组织形貌对比时效24h的组织可以看到e相和,a相。的减少很难看到覆盖在,的6’相。,相则急剧减少有长大的曲势数量也有所增加而e,,4,为经。50h时效处理后的显微组织除/,图3a的视场为晶粒中部而图,’3b,的视场靠近晶界e,’”了6相T,相o相和e相外还能观察到极少量的0,,’”相大部分分布在靠近晶界区域而在晶粒的中部析出量很少而e相则表现出相反的结果晶粒中部的0相,相随着时效时间的延长o相进一步粗化而0相的,,’,36h明显降低T尺寸和数量却比165℃/,相仍然保持析出量和相尺寸远大于靠近晶界区域。在图3c的暗比较稳定的数量和尺寸。图3在165℃下时效36h实验合金的显微组织形貌入射方向(100),(a)晶粒中部;(b)靠近晶界区域;(c)暗场相Fig.3Mieroostructureofthematerials(100)nearagedfor36h;at165Ca~(a)zoneatmiddlefcrystalgrain;(b)zonegrainboundary(c)darkfieldimge图Fig.4ros在truc165℃ture下时效ft50ha实验合金的显微组织形貌入射方向(100),(a)明场相;(b)暗场相a4Micohemterials(100)agedfor50hat165C~(a)brightfieldimge;(b)darkfieldimage图5为经过165℃,60h时效处理后的显微组织/,,d的强化起到很好的作用。相进,一步的粗化而”。0T’的尺寸明显减小数量也明显减在Al≈CuLi系合金中,T。相(惯习面{111)一。,C:。少几乎看不到e尺寸。。相依然保持相对稳定的数量和2)是强化合金最有效的析出相之Mgr783,合金中添加的微合金元素的T,能够促进,T,的析出基体中析出,,相可以减少共面滑移这不但提高了合金的强,,3讨论从不同的时效时间的TEM”度还改善了塑性通过微观组织观察可以看到在时,效过程中暗场相可知在时效,,T。相始终保持较稳定的数量和尺寸基体,中大量稳定并且分布均匀的金。T。相显著地强化了合初期有大量的,8’相覆盖在0相和e相宽面上析出但,’合金中添加的微合金元素,Mg’能降低板条状的e’’由于∥相的不稳定性在时效后期消失而艿相和e相,,’相生长活化能计算出的最大0相尺寸随时间变化趋的复合析出一直存在,8’相和e相的复合强化对合金,’势如图6所示从图6可以看出当时效时间小于,,36h44材料工程/2008年12期图5在165℃下时效60h实验合金的显微组织形貌Fig.(a)明场相及衍射斑点(100)ft;(b)暗场相(100);(c)明场相(110)5Miccrostructureohe;materialsagedfoar60hat165(2(a)brightfieldimageanddiffrationspots(i00)(b)darkfieldimge(100);(c)brightfieldimage(100)时0相的粗化速率很大当时效时间超过,’,36h时,0’问的微观组织形貌可以看出a相在合金基体中始终保,相尺寸逐渐减小在峰时效后趋于稳定,。在整个时效,持了相当数量并具有可忽略的贡献。一定尺寸这对合金的强化有不过程中0相清晰可见并且有,,’一定的数量和尺寸而,0”根据相关文献报道A1a,CuMg系合金对成分相只出现在时效早期并且不断地减少由于这两相具有相同的化学成分因此可以断定0相的增长是以消,在时效过程中之所以有Ag相析出是因为有合金元素Ag,。’和si相存在。但是实验合金并不含,,耗e相为代价的如图,”3表现出来的析出相的不均匀进行了严格的控制si作为杂质含量很少在该合金a分布就反映了这一点,。根据力学性能测试结果与显微,中具体是哪需要进一一种或几种元素对。相的形核产生影响还6组织观察可以看出0相对合金的强化效果并不明显”步的研究”通过比较图,和图,7’,由于e相a’因为在峰时效时e相已经消失”。与a相都含有合金元素Cu在时效前期e相和”,,相生’长消耗了0相在e相消失后a相的继续生长就以0,相的减少为代价强化作用外’。从力学性能变化可以看出在达到一峰时效之前合金的强度,直都在提高除了,,T。相的dd相的强化效果也不可忽视通过比较,相和e相尺寸变化趋势可以看出优于0相’。a相的强化效果要图Fig.6ax时效过程中最大0尺寸与时效时间关系曲线imums’6Mizeofthicknessandlengthof0’USagingtimeT,相形核和在时效初期MgT,相和0’相的粗化可能T。都与合金中的,有关而,Cu元Mg素也有助于保证,相的稳定性元素Cu和元素共同作用通过对组’,Agingtime&成e’相的相关元素扩散的影响和控制对0相的尺寸。图7时效过程中最大Fig.a相尺寸与时效时间关系曲线s有很大的影响图77Maximumizeofd口sagingtime所示的是最大ad相尺寸随时间变化的趋势。从图7可以看出最大。相尺寸随着时效时间的延长近相(A1。Cu392。.4结论(1)在时效过程中T,似呈线性关系增长结构每,一d。Mg。)为复杂的正方0.个单元体内有)<010>个原子晶格常数为,,相和a相是实验合金的主”831nm,与基体的错配度为)。∥{001。8%与基体的位向关系,。。要强化相。为:{001,//(010>/从不同时效时(2)在时效早期有,一定量的0相析出随着时效,时效时间对一种新型A1一Cu-Li系合金显微组织和力学性能的影响 45 过程的进行,由于d相和e 相的生长以消耗e,,相为代 Mater,1996,44(5):1899—1915. 价,导致了e,,相的消失,在e,,相消失后a相的生长消耗 [5] LUMLEY R N,POLMEAR.The effect of long term creep expo— sure on the microstructure and properties of an underaged A1-Cu— 了大量的e 相,导致了0 相的大量减少。 Mg—Ag alloy[J].Scripta Materialia,2004,(50):1227—1231. 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