时效处理对7050锻造铝合金微观组织及性能的影响
时效处理对7050锻造铝合金微观组织及性能的影响
陈烨; 刘志义; 赵娟刚; 刘冠华
【期刊名称】《《矿冶工程》》
【年(卷),期】2019(039)005
【总页数】5页(P129-132,143)
【关键词】时效处理; 7050锻造铝合金; 微观组织; 回归再时效; 自然时效; 力学性能; 腐蚀性能
【作 者】陈烨; 刘志义; 赵娟刚; 刘冠华
【作者单位】中南大学 材料科学与工程学院 湖南 长沙410083
【正文语种】中 文献给党的祝福语
【中图分类】TG156
Al-Zn-Mg-Cu 合金强度高、密度小,作为结构材料被广泛应用于航空和高速列车等领域［1-3］。 作为可热处理强化合金,时效处理是提高合金综合性能的主要手段。 通过T6 处理,合金能达到较高的强度,但缺点是抗腐蚀性能差；而过时效(T7X)态合金抗腐蚀性好,但拉伸强度下降。 RRA 处理［4］能克服以上2 种时效处理的缺陷,该时效态合金晶内析出相为GP 区和细小η′颗粒,晶界为粗大的断续分布的η 相,因而合金具有较高的强度和低的腐蚀敏感性［5］。 本文在前人热处理工艺的研究［5-7］基础上,通过降低回归温度、延长时间优化传统RRA 制度,探讨了不同时效处理对合金的力学性能及腐蚀性能的影响。
硅霜1 实 验
本实验所用材料为7050 锻造铝合金,其化学成分见表1。 实验样品均由线切割机从锻件上沿垂直于锻造方向切取,在空气炉中进行470 ℃/1 h+477 ℃/3 h双级固溶处理后淬火。 将固溶后的试样进行3 种不同时效处理：T74、RRA、四级时效,工艺参数见表2,其中四级时效与RRA 之间的差异在于前者在回归和再时效处理之间增加了一段24 h 自然时效(NA)。
表1 7050 锻造铝合金化学成分(质量分数)/%?
表2 时效工艺参数?
室温拉伸性能在CSS 44100 试验机下进行,加载速率为2 mm/min,温度为室温。 利用Tencnai-G220透射电镜(TEM)观察不同状态试样的微观组织,加速电压200 kV。 将直径为3 mm、厚度为90 μm 的圆片试样进行电解双喷减薄以用于透射观察,电解液为30%HNO3+70%CH3OH(体积分数)。 慢应变速率拉伸试验根据标准ASM-G129 进行,腐蚀溶液为3.5%NaCl+0.5%H2O2,拉伸速率为5×10-6 s-1。 试样拉断后,记录两种拉伸环境下的断裂时间,并用二者比值来衡量该状态合金的抗应力腐蚀能力。 剥落腐蚀实验按照ASTM-G 34-01 进行,试样取70 mm × 30 mm ×5 mm(厚),分别观察每组试样在浸泡12 h、24 h、36 h、48 h(结束)时的表面形貌,并依照标准对其进行腐蚀程度评定。 采用Multi Autolab(M204)电化学工作站测量不同热处理态合金的极化曲线,非工作表面用树脂封装,工作面尺寸为10 mm × 10 mm,测试溶液为3.5%NaCl+0.5%H2O2(质量分数),扫描电压速率和范围分别为2 mV/s 和-700～-250 mVSCE。
2 实验结果
2.1 不同时效状态合金的TEM 组织
图1 为不同时效处理后合金在近［100］Al 晶带轴下的TEM 图以及对应的衍射斑点。 T74
态合金的晶内析出相数量少、尺寸大(12 ～16 nm),根据1/3 和2/3｛220｝Al位置出现的亮斑可以确定这些析出相为η′相［8］,同时在邻近2/3｛220｝Al处有微弱的斑点,说明存在η 相。 RRA 和四级时效态合金晶内析出相尺寸及数量并无明显差别,根据对应的衍射图可知析出相主要是GP 区和η′相。 对比两个状态的衍射花样,四级时效态合金的GP 区对应的斑点(｛1,(2n+1)/4,0｝Al 处)较亮,说明四级时效态合金中的GP 区数量密度大于RRA 态合金。
图1 不同时效状态合金的晶内及晶界TEM 像(a) T74 态； (b) T74 态合金晶界； (c) RRA 态； (d) RRA 态合金晶界； (e) 四级时效态； (f) 四级时效态合金晶界
3 种时效态合金的晶界处均存在无沉淀析出带,且晶界析出相呈断续分布,对比发现T74 态合金的PFZ 明显宽于其他两个状态,晶界析出相尺寸也要大于其他两者,且分布断续。 RRA 态和四级时效态合金晶界无析出带宽度和晶界析出相尺寸无明显差异,但后者的GBP 分布较前者连续。
深度linux2.2 不同时效态合金的力学性能测试
不同时效处理试样的力学性能见表3。 由表3 可知,四级时效试样的力学性能最优,相比于T7
4 试样,抗拉强度提高了约74 MPa,延伸率提高了约1%；RRA试样的抗拉强度比四级时效低20 MPa,延伸率与T74试样相当,说明回归后进行24 h 自然时效有益于RRA态合金力学性能的提高。
表3 不同时效状态合金的拉伸性能?
2.3 不同时效态合金的腐蚀性能测试
2.3.1 慢应变速率拉伸测试
图2 为不同时效态试样在空气和腐蚀溶液中进行慢应变速率拉伸的时间-应力曲线。 从图2 可以看出,在腐蚀溶液中,所有试样的抗拉强度和断裂时间均低于在空气中的实验结果。 为了方便比较抗应力腐蚀的优劣,引入比值rscc来评判试样的应力腐蚀破坏的敏感性［9］：式中Tfsol和Tfair分别为试样在溶液中和空气中发生断裂的时间。 该比值越小,则腐蚀敏感性越高,即抗应力腐蚀性能越好。 从图2(d)可看出,T74 试样的rscc 值最大,说明T74 试样的抗应力腐蚀性能最佳；四级时效试样的rscc值最小,其腐蚀敏感最高。
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图2 不同时效状态试样的慢应变速率拉伸测试结果(a) T74； (b) RRA； (c) 四级时效； (d)
rscc
2.3.2 剥落腐蚀性能测试
不同时效态合金在腐蚀溶液中浸泡不同时间的腐蚀形貌及对应的腐蚀等级分别如图3 和表4 所示。 结果表明,浸泡12 h 后,所有试样表面均为轻微点蚀,但T74 试样表面点蚀面积小于其他2 种状态；当浸泡时间为24 h 时,T74 和RRA 试样点蚀加重,而四级时效试样表面出现明显爆皮；腐蚀时间延长至48 h 时,各试样腐蚀加剧,RRA 试样点蚀面积稍大于T74 试样,但均为严重点蚀,说明其抗剥落腐蚀性能优良；四级时效试样表面出现严重爆皮,但未见明显起层,抗剥落腐蚀性能略差于前两者。 不同时效下合金抗剥落腐蚀能力由大至小的顺序为：T74＞RRA＞四级时效。
图3 不同时效状态合金剥落腐蚀形貌(a) T74； (b) RRA； (c) 四级时效
表4 不同时效合金剥落腐蚀评级?
2.3.3 极化曲线测试
通过极化曲线进一步验证不同时效状态合金的耐腐蚀性能,实验结果如图4 及表5 所示。 T74 试样的自腐蚀电流小于其他2 种试样,抗腐蚀性能最佳；而四级时效试样在溶液中的自腐蚀电流最大,耐腐蚀性能最差,这与慢应变速率拉伸和剥落腐蚀测试实验结果一致。
图4 不同时效状态合金的极化曲线
表5 不同时效状态合金的极化曲线参数?
3 讨论与分析
Al-Zn-Mg-Cu 合金主要的强化机制为析出相强化,这种机制关乎位错和析出相之间的作用关系。 当析出相尺寸半径大于临界值时,运动位错绕过析出相；相反,则切过析出相。 T74 合金的基体中主要为粗大的η′相和非共格的η 相,这2 种相被认为不可被位错切割［10-11］,因此用orowan 定理来解释析出相对强度的贡献。
四级时效态合金的力学性能要优于RRA 试样,这主要取决于四级时效态合金基体中存在更多的GP区。 在回归处理后,合金得到了过饱和固溶体组织,组织内存在过饱和空位。 文献［12］研究发现,淬火态Al-Zn-Mg 合金的正电子湮没寿命比自然时效态寿命长,这意味着淬
火态合金在自然时效的过程中由于Mg与Zn 原子与空位的结合形成空位-溶质原子团簇从而使其空位浓度逐渐降低。 文献［13］研究发现,Al-Zn-Mg-Cu 系合金在自然时效过程中空位更倾向于与Mg原子结合,形成Mg-空位,而Mg-空位是GP 区的先驱体,在后续的时效中能提高GP 区的形核率,因此,对于四级时效来说,在回归处理后加入自然时效能增加Mg-空位的数量密度,进而有效提高合金在随后的再时效中析出的GP 区的数量。 文献［11］指出,Al-Zn-Mg-Cu 合金中细小的GP 区和η′相被移动位错切割,根据位错切割机制,拥有更多数量GP 区的四级时效试样的屈服和抗拉强度大于RRA 试样。 同时,GP 区粒子尺寸小且可被切割,对位错的阻碍作用较小,故变形时合金内位错的滑移自由程较大,因此,GP 区粒子更多的四级时效合金的塑性也更好。
Al-Zn-Mg-Cu 合金的应力腐蚀可用阳极溶解机理来解释。 阳极溶解理论认为,晶界析出相相比晶内电位更负,在腐蚀过程中作为阳极优先被腐蚀溶解,导致局部裂纹的产生,在外应力的作用下,裂纹尖端产生应力集中,腐蚀沿晶界加快进行,晶界成为腐蚀通道［14］。经T74 处理后,合金晶界析出相的相间距最大,且形成一条宽的PFZ,这种晶界特征有利于阻断腐蚀通道,从而降低了应力腐蚀敏感性,耐腐蚀性能最好。 文献指出［14-15］,宽的PFZ 有利于提高合金的腐蚀性能。 因此,由于较宽的PFZ,RRA 态合金比四级时效态合金的抗应力腐蚀性
能要稍好。 剥落腐蚀是晶间腐蚀的一种特殊形式,合金在晶间腐蚀过程中,产生的腐蚀产物在晶界堆积而产生楔应力,导致剥落的发生。 一般而言,7XXX 系铝合金中晶界析出相尺寸和间距增大能降低沿晶腐蚀的速率,而PFZ 宽化也有利于延缓腐蚀。 四级时效态合金小的晶界析出相和窄的相间距导致其差的抗剥落腐蚀性能,而拥有粗大且更不连续的晶界析出相和宽的PFZ 的T74 态合金的抗剥落腐蚀性能最优。
4 结 论
1) 四级时效过程中,回归处理后的自然时效提高了Mg-空位的数量。 经四级时效处理后,合金基体中析出大量的GP 区和η′相。 与T74 和RRA 态合金相比,四级时效处理后合金的力学性能最优,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为623 MPa、606 MPa 和11.6%。
2) T74 态合金抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀性能最好。 四级时效态合金中存在粗大且断续分布的晶界析出相以及宽的PFZ,因而腐蚀性能差。
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【相关文献】
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