含銀Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu合金的強化固溶行為

肖 靜，崔學敏，彭小燕，段雨露

（1.國防科技大學航天與材料工程學院，湖南長沙 410073；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410083）

·材 料·

含銀Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu合金的強化固溶行為

肖 靜1，2，崔學敏2，彭小燕2，段雨露2

（1.國防科技大學航天與材料工程學院，湖南長沙 410073；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410083）

采用拉伸力學性能測試、金相顯微觀察、掃描電鏡及透射電鏡等分析手段，研究了Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金的強化固溶行為。結果表明：經(jīng)強化固溶處理后，合金固溶態(tài)的抗拉強度和屈服強度以及伸長率分別較常規(guī)固溶的低15 MPa、16 MPa和1.7%；峰值時效態(tài)的抗拉強度和屈服強度較常規(guī)固溶的分別高62 MPa和68 MPa，伸長率低0.8%。；強化固溶可使Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金固溶后的第二相粒子減少，但使其時效后的強化相數(shù)量增多，密度增大。

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金；強化固溶；力學性能

Al-Zn-Mg-Cu合金具有質(zhì)量輕，強度高的特點，是航空航天的主要結構材料，可減少航空航天器及地面運載工具質(zhì)量，可顯著提高運載能力和機動性，降低燃料消耗。隨著航空航天技術的迅速發(fā)展，對Al-Zn-Mg-Cu系合金提出了更高的要求，對合金的強度要求越來越高并且希望在提高強度的同時保持較高的伸長率和抗應力腐蝕性能［1，2］。固溶熱處理是該系合金加工過程中重要的熱處理步驟，固溶處理中合金組織的變化，尤其是第二相的變化將對后續(xù)的變形和熱處理過程產(chǎn)生顯著的影響，從而影響產(chǎn)品的最終性能。傳統(tǒng)的固溶溫度低于非平衡低熔共晶點，粗大化合物相的溶解不徹底［3，4］。這類脆硬的粗大第二相盡管在后續(xù)的變形過程中會有所碎化，但總有一部分仍保留至最終組織中，從而降低合金的斷裂韌度，減少粗大脆性相的有害影響是實際加工過程的一大難題。強化固溶是一種高溫的固溶熱處理，該處理可一定程度上減少粗大相的數(shù)量，目前針對強化固溶對鋁合金組織和性能的影響已有一些報道［5～9］。本實驗對Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金熱軋板進行常規(guī)固溶和強化固溶處理后再進行峰值時效處理，研究了不同固溶制度對合金組織和力學性能的影響，旨在為該合金的最佳熱處理工藝提供參考。

1 實驗材料及方法

實驗合金化學成分（w／%）為Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金。采用工業(yè)純鋁，工業(yè)純鋅，工業(yè)純鎂，電解銅和純銀，在井式電阻爐中熔煉，鑄錠經(jīng)470℃×24 h均勻化退火后進行熱軋，熱軋溫度為420℃，總變形量為85%，板材厚度為2 mm，對熱軋態(tài)板材分別進行常規(guī)固溶和強化固溶處理，常規(guī)固溶：470℃保溫1.5 h，水淬；強化固溶：470℃保溫1.5 h后，再以10℃／h升溫至490℃，水淬。淬火后立即進行T6人工時效，溫度為120℃，時間為20 h。將時效后的合金分別進行拉伸力學性能測試。拉伸試驗在CSS－44100電子拉伸機上進行；掃描電鏡觀察在Sirion200電鏡上進行；透射電鏡分析在TecnaiG220型電鏡下進行，其樣品在M IT－Ⅱ型雙噴電解儀上用30%HNO3＋70%CH3OH（體積比）溶液雙噴減薄，雙噴溫度為－25℃，電壓為10～20 V，電流為80～100 mA。

2 實驗結果與分析

2.1 合金拉伸力學性能

不同固溶制度的合金固溶態(tài)和時效態(tài)的拉伸力學性能見表1，由表1可以看出，合金經(jīng)時效處理后強度較固溶態(tài)明顯提高，伸長率顯著降低，并且強化固溶處理的合金時效效應較常規(guī)固溶處理的合金更明顯，常規(guī)固溶的合金時效后抗拉強度和屈服強度分別提高96 MPa和123 MPa，伸長率降低6.9%；強化固溶的合金時效后抗拉強度和屈服強度分別提高173 MPa和107 MPa，伸長率降低6.0%。強化固溶后合金固溶態(tài)抗拉強度和屈服強度較常規(guī)固溶后的合金分別低15 MPa和16 MPa，伸長率低1.7%，而經(jīng)時效后強化固溶的合金較常規(guī)固溶的合金抗拉強度和屈服強度分別高62 MPa和68 MPa，伸長率低0.8%。可見，經(jīng)強化固溶處理可使合金固溶態(tài)的強度和伸長率降低，但是可使合金時效后的強度顯著升高，并且伸長率略有降低。

表1 合金的拉伸力學性能

2.2 固溶態(tài)合金金相組織

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金經(jīng)常規(guī)固溶和強化固溶后的金相顯微組織如圖1所示，合金經(jīng)固溶處理后，晶粒呈現(xiàn)扁平狀，在扁平的晶粒周圍存在大量的在結晶小晶粒，經(jīng)強化固溶處理后，在結晶晶粒的數(shù)量較常規(guī)固溶的合金多并且尺寸較大，說明在強化固溶過程中，較高的溫度和較長的保溫時間使得再結晶的數(shù)量增多，在完成再結晶后，細小的再結晶晶粒發(fā)生了晶粒長大。

圖1 固溶態(tài)合金金相顯微組織

2.3 固溶態(tài)合金SEM形貌

圖2為兩種固溶制度的合金固溶態(tài)的SEM第二相粒子分布形貌，由圖2（a）可以看出，經(jīng)常規(guī)固溶后，合金中依然分布著尺寸較大的未固溶的第二相粒子，并且呈現(xiàn)流線狀分布。經(jīng)強化固溶后，合金中未固溶的第二相粒子尺寸減小，數(shù)量減少（圖2（b））。說明強化固溶可以使更多的第二相粒子發(fā)生固溶，因而其基體的過飽和固溶程度較常規(guī)固溶的合金增大。由圖1和圖2可以說明，合金經(jīng)固溶處理后，形成過飽和固溶體，基體中沒有強化相析出，因而合金的時效強化機制不能起到強化合金的作用，此時，合金的力學性能的高低由其晶粒大小程度決定，經(jīng)強化固溶以后合金晶粒較常規(guī)固溶的合金大，根據(jù)常溫下的Hall－Petch公式，在該合金的晶粒尺寸范圍內(nèi)，晶粒越小合金強度越高，塑性也越好，因而合金經(jīng)常規(guī)固溶時合金固溶態(tài)的強度和伸長率均高于強化固溶態(tài)合金（見表1）。

圖2 固溶態(tài)合金第二相形貌

2.4 時效態(tài)合金TEM形貌

經(jīng)兩種固溶制度處理的合金峰值時效后的TEM相貌如圖3所示。峰值時效時合金中析出了大量細彌散的η′相，但是經(jīng)強化固溶并時效處理后合金中的析出相數(shù)量較常規(guī)固溶的合金更多，密度更高（圖3（b））。

圖3 時效態(tài)合金析出相形貌

經(jīng)兩種固溶制度處理的合金峰值時效態(tài)的拉伸斷口SEM形貌如圖4所示，由圖4可以看出，合金斷口中存在韌窩和沿晶界斷裂的特征，這說明斷裂屬于穿晶斷裂與沿晶斷裂的混合斷裂。由圖4（a）可以看出，經(jīng)強化固溶的合金，時效后的拉伸斷口中存在較多大小不一的韌窩，且大小韌窩相連，拉伸數(shù)據(jù)顯示，合金的伸長率更高，韌性更好。而經(jīng)強化固溶的合金時效后的拉伸斷口中韌窩大小均勻，深度較淺，合金晶界斷裂的程度增加，斷裂更多地起源于晶界，呈現(xiàn)出部分解理斷裂的特征。

圖4 時效態(tài)合金拉伸斷口SEM形貌

Al-Zn-Mg-Cu系合金主要通過時效析出而起到強化合金的效果，在此合金中加入微量的Ag會使合金的時效相應時間改變，而不影響合金的時效析出序列和強化相類型，當時效過程中分解產(chǎn)生的析出相，細小彌散分布時可以阻礙位錯運動，提高合金的強度，強化固溶可以使合金元素盡可能多地固溶在基體中，減少未溶相的數(shù)目（圖2），同時提高了合金的過飽和程度，使合金時效析出時的相變驅(qū)動力增大，析出相數(shù)量增加（圖3），可以達到強化合金的目的。強化固溶對合金塑性的影響較為復雜，在常規(guī)固溶條件下未固溶的相在晶界處大量殘留，會導致合金變形時晶界易于過早斷裂，而晶內(nèi)析出相數(shù)量較少，位錯運動較容易，導致晶內(nèi)具有較好的塑性，從而在拉伸斷口上表現(xiàn)出韌窩較深的特征。強化固溶使這種晶界粗大相減少，基體過飽和程度增加，從而改變了合金的斷裂行為，由于強化固溶后晶界析出相尺寸減小，呈連續(xù)狀分布，晶內(nèi)的析出相數(shù)量增多，裂紋容易在晶界處形成和擴展，因而強化固溶后沿晶斷裂的程度增強，并且由于晶內(nèi)析出相分布均勻、彌散，阻礙了位錯運動，使得合金塑性降低，晶粒斷面平整，呈現(xiàn)出部分解理斷裂的特征［7，9］。

3 結 論

1.Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金經(jīng)強化固溶處理后，固溶態(tài)的抗拉強度和屈服強度以及伸長率分別較常規(guī)固溶的低15 MPa、16 MPa和1.7%。

2.Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金經(jīng)強化固溶處理后，峰值時效態(tài)的抗拉強度和屈服強度較常規(guī)固溶的分別高62 MPa和68 MPa，伸長率低0.8%。

3.強化固溶可使Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag合金固溶后的第二相粒子減少，但使其時效后的強化相數(shù)量增多，密度增大。

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XIAO Jing1，2，CUIXue-min2，PENG Xiao-yan2，DUAN Yu-lu2

Themechanical properties and microstructures after strengthening solution heat treatment of Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag aluminum alloy were investigated by means of tensile test，opticalmicroscopy（OM），scanning electron microscopy（SEM）and transmission electron microscopy（TEM）.The results show that the tensile strength and yield strength and elongation of solution alloys after strengthening solution treatment were lower than conventional solution treatment of 15MPa，16MPa and 1.7%respectively；the tensile strength and yield strength of peak-aged alloys after strengthening solution treatment were higher than conventional solution treatment of 62 MPa，68 MPa，elongation lower of 0.8%；the second phase decreased after solution treatment but the number and density of strengthening phase after aging increase，when the alloy treatment by strengthening solution.

Al-4.5Zn-1.0Mg-0.5Cu-0.4Ag alloy；strengthening solution；mechanical properties

TG113.21

A

1003－5540（2011）05－0038－03

2011－08－12

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目資助（G2005CB623705）

肖 靜（1982－），女，工學碩士，從事高性能鋁合金的研究。

（1.College of Aerospace and Materials Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.College of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）