时效方式对LC9铝板材、铝型材组织及性能的影响

发表时间:2019/9/27   来源:《知识-力量》2019年10月43期   作者:陈伟 徐艳芳 段博
[导读] 通过力学性能检测、透射电镜等研究了单级时效和分级时效热处理工艺对LC9铝板材和型材的力学性能和微观结构的影响。结果表明铝板材和型材分级时效相比于单级时效表现出更优异的力学性能和工作效率。
(四川航天长征装备制造有限公司,610100)
摘要:通过力学性能检测、透射电镜等研究了单级时效和分级时效热处理工艺对LC9铝板材和型材的力学性能和微观结构的影响。结果表明铝板材和型材分级时效相比于单级时效表现出更优异的力学性能和工作效率。
关键词:LC9铝合金;时效处理;力学性能;析出相

 
           1.概述
           LC9为7xxx系铝合金,属于可热处理强化铝合金。由于其具有优异的性能例如密度小,强度高及适中的抗疲劳性,常被用于航空航天和汽车等领域。通常而言,7xxx铝合金的热处理一般包括固溶和时效处理,其中时效处理对铝合金的性能影响最大。由于时效处理会对合金基体中析出相的种类、数量、尺寸及分布产生重要影响,因而时效处理决定了合金力学性能和耐腐蚀性能等。因此时效处理工艺为铝合金性能研究的重点。本文主要研究了LC9板材和型材在不同单级时效和分级时效下的性能和微观结构,为LC9铝合金的进一步研究提供参考。
           2.热处理方法
           热处理工艺具体参数:单级时效:LC9板材在470℃的盐浴炉里保温15min后进行淬火,随后在130℃电热鼓风干燥箱中分别保温8、10、12、14、16小时,空冷以完成不同的时效处理;LC9铝型材在470℃的盐浴炉里保温30min后进行淬火,随后在140℃电热鼓风干燥箱中保温16小时,空冷完成热处理。分级时效:LC9板材与型材均在120℃保温3小时,再在160℃保温3小时,空冷。
           3.检测与分析
           LC9板材、型材试样经热处理后,分别进行相应的力学性能检测和微观组织分析,结果如下:
           3.1 LC9板材与型材显微组织
           图1(a)和(d)为LC9铝板材、铝型材原始态组织,对比经固溶时效后的金相组织可以看出,经锻造处理后原始组织为破碎的非常细小的晶粒,形态呈纤维状分布,且存在较多的未完全固溶的第二相。图1(b)为在130℃保温12h后的试样金相组织,对比5种单级时效状态的金相组织可知,其金相组织基本相似,纵截面都为压扁、拉长的晶粒,均在晶内或晶界处存在尺寸较小的黑色颗粒以及尺寸较大且不规则的块状颗粒,即第二相。图1(c)为板材分级时效后的金相组织,可以看出第二相的尺寸明显变小,说明溶质在α(Al)中溶解度增大,提高了基体成分和组织的均匀性,进而提高材料的强度。铝型材也具有同样的组织变化特点,与轧制板材相比,其拉长的晶粒要细小很多,如图1(e)和(f)均为为细长纤维组织,经过固溶处理后纤维得以宽化,但不很充分,受升温过程中残余相和变形组织的取向性等作用,会形成明显的取向性差别晶粒,也就是说存在明显的挤压效应。
 
           图1 LC9板材、型材不同状态下的显微金相组织
           3.2 力学性能检测与分析
           表1为LC9板材与型材的力学性能检测结果,图2为LC9板材的力学性能随时效时间与时效方式的变化曲线,由图可知,随时效时间的增加,单级时效工艺强度变化趋势为先增加后降低,达到峰值后下降,可以看出在时效时间为10h和16h时有较好的力学性能。分级时效比单级时效具有更高的力学性能,其抗拉强度达541MPa,对应的延伸率有所下降,但比标准值高约3.7%。
           表1 LC9铝板材的在不同时效方式下的力学性能

           通过对LC9型材的单级时效16h和分级时效拉伸数据的分析(如表1),可以看出LC9型材的分级时效拉伸性能也同样优于单级时效的性能。且进一步可看出LC9型材的拉伸性能要高于相同处理条件下的LC9铝板的性能,这可能是由于LC9铝型材为热挤压成型,存在较大的热挤压效应引起的。
 
 
           图2 LC9板材力学性能走向图
           3.3 不同时效方式的微观组织分析
           7xxx系铝合金的沉淀析出顺序为过饱和固溶体 (SSS) →G.P.区→亚稳η'相→稳定η相 (MgZn2)。选取力学性能较好的时效时间为10h的铝板材和16h的铝型材以及对应的分级时效试样进行透射电镜分析。图3(a)~(d)分别为LC9铝板材和型材在<001>晶面上的TEM图像及电子衍射图像。分析明场像可以看出,细小的沉淀均匀分布在基体内,且在晶界处均出现晶界无析出带(PFZ)。对比图3(a)与图3(b),图3(c)与图3(d)可知,其各自分级时效相对单级时效的沉淀密度增加,晶界无析出带宽度减少。单级时效10h的铝板材其晶界无析出带宽度由58.06nm减少至分级时效的50.48nm,单级时效16h的铝型材其晶界无析出带宽度由65.47nm减少至分级时效的60.67nm。分析其衍射图像,可以看到η'相和GP区的衍射斑,其中G.P.区衍射斑位于1/3{422}处,在1/3和2/3的{220}晶面出现η'相的衍射斑。分析图3(a)与图3(b),图3(c)与图3(d)中的衍射斑知,其分级时效的第二相衍射斑比单级时效中η'相衍射斑更为明亮,而GP区的衍射斑变暗淡,说明在分级时效低温阶段析出的能力大,形核率高,而在高温阶段析出速率增加,导致析出相数量增多而时效初期形成的GP区数量对应减少。细小均匀分布于基体中的η'呈短棒状,与基体半共格关系能阻碍位错的运动,因此提高了材料的强度。对比相同时效下的板材和型材微观形貌,可以看出型材的第二相尺寸更小,分布更为弥散,因而具有更好的强化性能。
 
           图3 LC9板材、型材单级时效和分级时效透射明场TEM及对应的电子衍射图像
           4.结论
           4.1 LC9型材晶粒存在明显的取向性差别即存在热挤压效应,使得型材的力学性能优于板材,其单级时效峰值强度较板材高出约51MPa,其延伸率稍微减少约1.8%。
           4.2  LC9板材和型材的分级时效相对单级时效具有更优异的力学性能,其分级时效强度分别较单级时效峰值提高约26MPa和33MPa。与单级时效相比,采用分级时效可在较短时间内于基体中形成大量弥散分布的G.P.区和η'相,从而显著提高了材料的强度,大大提高了工作效率。
参考文献
[1]余珠华,铝合金热挤压工艺及其材料的组织与性能研究[D],华南理工大学,2018
[2]蹇海根、姜锋、郑秀媛等,航空用高强高韧铝合金疲劳断口特征的研究[J],航空材料学报,2010,30(4)
[3]黄柏云、李成功等,中国材料工程大典·有色金属材料工程[M],北京:化学工业出版社,2006:38-41.
 
 
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