不同取向條件下Al-Cu-Mg-Sc-Zr合金薄板的組織與性能

郭加林 ，尹志民，唐蓓，商寶川，何振波

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 廣東豪美鋁業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn)，510542；3. 東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150060)

2524合金是繼2024合金和2124合金之后被開(kāi)發(fā)出來(lái)的高強(qiáng)度、高韌度、高損傷容限的 Al-Cu-Mg系合金[1-3]，其中，2524-T3鋁合金薄板主要用作飛機(jī)的蒙皮。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員在 2524合金的基礎(chǔ)上，采用微量鈧和鋯合金化方法對(duì)合金進(jìn)行改性，結(jié)果表明微量鈧和鋯元素能顯著提高合金的綜合力學(xué)性能[4-6]。目前，人們對(duì)合金板材力學(xué)性能的平面各向異性研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。合金板材力學(xué)性能的平面各向異性給合金的使用帶來(lái)了許多局限，在工程設(shè)計(jì)時(shí)只能以性能較低的方向作為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)會(huì)增加材料成型加工時(shí)的難度，所以，平面各向異性是研制高性能鋁合金板材必須考慮的一個(gè)重要性能指標(biāo)。在此，本文作者研制用微量鈧和鋯合金化的2524鋁合金(簡(jiǎn)稱2524SZ)薄板，研究不同取向條件下T3態(tài)2524SZ合金薄板的力學(xué)性能，測(cè)試薄板力學(xué)性能平面各向異性的程度，并從晶粒結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)織構(gòu)入手，探討2524SZ-T3鋁合金薄板力學(xué)性能平面各向異性與微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以便為這種新合金的工程應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用合金為2 mm厚的薄板，合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表 1。鑄錠均勻化工藝為 480～490 ℃/12 h；400～430 ℃/6 h熱軋至厚度為6 mm再冷軋至2.2 mm；之后按規(guī)范進(jìn)行T3處理(簡(jiǎn)稱2524SZ-T3)，即冷軋板經(jīng)498 ℃/60 min鹽浴固溶水淬后，壓光矯直至厚度為2.0 mm，再自然時(shí)效96 h。

表1 2524SZ合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 2524SZ %

1.2 拉伸力學(xué)性能測(cè)試

拉伸力學(xué)性能樣品取自2524SZ-T3合金薄板。在軋制面內(nèi)對(duì)試樣沿與軋制方向呈0°(軋向)，30°，45°，60°和90°(橫向)共5個(gè)方向上切取拉伸試樣(圖1)。試樣按照GB 6397—86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》的規(guī)定進(jìn)行加工，之后在CSS-44100材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 平面各向異性指數(shù)的計(jì)算

按文獻(xiàn)[7-8]提供的下式進(jìn)行計(jì)算平面各向異性指數(shù)IPA：

其中：Xmax和Xmin分別表示5個(gè)取樣方向上抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2或伸長(zhǎng)率δ的最大值和最小值；Xmid1，Xmid2和Xmid3分別對(duì)應(yīng)σb，σ0.2和δ的中間值。

圖1 合金薄板拉伸試樣取樣方向Fig.1 Tensile specimens of different orientations in rolling plane of alloy sheet

1.4 合金薄板的極圖和取向分布函數(shù)測(cè)定

極圖測(cè)定采用Schulz反射法在BRUKER全自動(dòng)X線衍射儀上進(jìn)行，儀器工作參數(shù)為：40 kV，40 mA，采用 Cu Kα耙。所測(cè)極圖為{11l}，{200}，{220}和{311}(0°≤α≤75°)。極圖數(shù)據(jù)經(jīng)散焦與基底修正后，采用Bunge級(jí)數(shù)展開(kāi)法計(jì)算取向分布函數(shù)。

1.5 合金的顯微組織觀察

金相樣品取自2524SZ-T3合金薄板的軋面、橫截面和縱截面，金相顯微分析在POLYVER-MET顯微鏡上進(jìn)行，樣品采用Keller試劑腐蝕。透射電鏡薄膜樣品經(jīng)機(jī)械預(yù)減薄后采用雙噴電解減薄，電解液是體積分?jǐn)?shù)為30%硝酸和70%的甲醇混合液，電解減薄溫度低于-20 ℃。透射電子顯微組織觀察在TECNAI G220電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200 kV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同取向條件下 2524SZ-T3合金薄板的力學(xué)性能

不同取向條件下2524SZ-T3合金薄板的拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2524SZ-T3合金薄板拉伸力學(xué)性能和平面各向異性指數(shù)Table 2 Tensile mechanical properties and in-plane anisotropy of 2524SZ-T3 alloy sheet

從表2可見(jiàn)：2524SZ-T3合金薄板有一定的力學(xué)性能平面各向異性，總的趨勢(shì)是：在與軋制方向呈30°，60°和 90°方向上的強(qiáng)度較 0°和 45°方向上的強(qiáng)度低；伸長(zhǎng)率則在 60°方向上最高；合金薄板的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率平面各向異性指數(shù)IPA比抗拉強(qiáng)度的大，合金薄板縱向屈服強(qiáng)度比橫向屈服強(qiáng)度高18 MPa。

2.2 2524SZ-T3合金薄板的取向分布函數(shù)

2524SZ-T3合金薄板的取向分布函數(shù)(ODF)如圖2所示。對(duì)于立方晶系材料，主要織構(gòu)組分可以從恒φ2=0°和恒 φ2=45°的 ODF截面圖上得出。結(jié)果表明2524SZ合金再結(jié)晶織構(gòu)主要由2種取向構(gòu)成：一種是{110}〉〈111取向[9]，該取向在單相合金中并不出現(xiàn)，因而可斷定其形成與第二相粒子有關(guān)；另一種繞法向(ND)旋轉(zhuǎn)約22°的立方取向[10]，在此記為CubeND。此外，還有較弱的Goss取向。這3種取向在Euler空間中的位置如表3所示。

采用粒子群優(yōu)化算法[11](Particle swarm optimization)定量計(jì)算 2524SZ-T3合金薄板織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)，如表3所示。從表3可以看到：{110}〉〈111織構(gòu)和CubeND旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)較大，而Goss織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)較小，其他晶粒取向體積分?jǐn)?shù)則呈隨機(jī)分布。

圖2 2524SZ-T3合金薄板的取向分布函數(shù)Fig.2 ODF of 2524SZ-T3 alloy sheet

表3 計(jì)算得到的2524SZ-T3合金薄板織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)Table 3 Calculated volume fraction of textures in 2524SZ-T3 alloy sheet

2.3 2524SZ-T3合金薄板的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖3 2524SZ-T3合金薄板的金相組織Fig.3 Metallographic microstructures of 2524SZ-T3 alloy sheet

圖4 2524SZ-T3合金薄板的透射電子顯微組織Fig.4 TEM microstructures of 2524SZ-T3 alloy sheet

對(duì)2524SZ-T3合金薄板的金相組織和透射電子顯微組織進(jìn)行觀察和分析，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3和圖4。從圖3可見(jiàn)：薄板為不完全的再結(jié)晶組織，晶粒粒徑比較小。從圖4可見(jiàn)：薄板具有明顯的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)(圖4(a))，基體內(nèi)除Al6Mn相外，還存在一種與基體共格的蹄印形粒子，根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]，它是 Al3(Sc,Zr)粒子(圖 4(b))。

3 分析與討論

力學(xué)性能的平面各向異性與合金的晶粒結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)取向密切有關(guān)[14-15]。T3態(tài)合金晶粒比較細(xì)小，為非完全的再結(jié)晶組織，還保留部分纖維狀組織，從而在宏觀上造成合金在不同方向的變形程度及變形方式存在差異，也可以預(yù)見(jiàn)晶粒組織結(jié)構(gòu)的各向異性對(duì)薄板力學(xué)性能的各向異性有一定的影響。晶體學(xué)取向?qū)αW(xué)性能的各向異性也會(huì)產(chǎn)生影響。

從ODF織構(gòu)分析可以看到：合金薄板中主要的織構(gòu)為{110}〉〈111和CubeND旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)。為了便于分析織構(gòu)對(duì) 2524SZ合金力學(xué)性能各向異性的影響，可將合金薄板簡(jiǎn)化為含2種單組分織構(gòu)晶粒組成的多晶體薄板。

單組分織構(gòu)薄板的屈服強(qiáng)度σ0.2可表示為[16]：σ0.2=τc/(cos φcos λ)max(其中：λ為外加載荷與滑移方向的夾角；τc為臨界分切應(yīng)力)。當(dāng) τc為 1 時(shí)， cos φcos λ稱為 Schmid 因子 ηs，(cos φcos λ)max為拉伸軸向[uvw]相應(yīng)的 ηs的最大值 ηsmax，則有：σ0.2=1/ηsmax。按照文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算方法可以分別計(jì)算出 2種織構(gòu)在不同取向條件下的Schmid因子最大值ηsmax，見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算得到的2524SZ-T3合金薄板2種織構(gòu)在不同取向條件下的Schmid因子最大值ηsmaxTable 4 Calculated maximum Schmid factors (ηsmax) of two textures of 2524SZ-T3 alloy sheet at various tensile orientations

將表4中2種織構(gòu)不同取向條件下的Schmid因子最大值ηsmax與2種織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均，所得結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 權(quán)重得到的2524SZ-T3合金薄板在不同取向條件下的Schmid因子最大值ηsmax及其倒數(shù)1/ηsmaxTable 5 Weighted maximum Schmid factors (ηsmax) and reciprocals of maximum Schmid factor (1/ηsmax) of 2524SZ-T3 alloy sheet at various tensile orientations

從表5可見(jiàn)：所研究的合金薄板在與軋向呈30°，45°，60°和90°方向上的1/ηsmax較低，0°方向上的1/ηsmax較高。根據(jù)表 5和文獻(xiàn)[16]可以得出：合金薄板在與軋向呈 30°，45°，60°和 90°方向上的屈服強(qiáng)度 σ0.2較低，而0°方向上的屈服強(qiáng)度σ0.2較高。這與表2和圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明晶體學(xué)織構(gòu)對(duì)合金平面力學(xué)性能各向異性有一定影響。

4 結(jié)論

(1) T3態(tài)的2524SZ合金薄板與軋制方向呈30°，60°和90°方向上的薄板強(qiáng)度較0°和45°方向上的強(qiáng)度低，伸長(zhǎng)率則在 60°方向上最高，合金薄板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率平面各向異性指數(shù)分別為0.9%，3.3% 和6.6%。

(2) T3態(tài)的 2524SZ合金薄板的主要織構(gòu)為{110}〉〈111和CubeND旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){001}〉〈310，此外，還有較弱的Goss織構(gòu){011}〉〈100。

(3) T3態(tài)的2524SZ合金薄板的平面各向異性與合金的晶粒結(jié)構(gòu)以及晶體學(xué)織構(gòu)密切相關(guān)。

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