5A90鋁鋰合金顯微組織及力學性能的研究

摘 要：利用光學顯微鏡、掃描電鏡及高分辨透射電鏡等手段研究了5A90鋁鋰合金軋板經熱處理后的顯微組織與力學性能.結果表明：5A90合金軋板組織呈明顯的各向異性，合金板材軋制平面的晶粒呈等軸狀，縱截面和橫截面均為軋制流線組織，有少量細小的再結晶晶粒；合金經460 ℃/20 min固溶處理后，在130 ℃時效過程中，隨著時效時間的延長，合金硬度不斷增加，在時效20 h達到峰值，隨后合金硬度緩慢下降.峰值時效態5A90鋁鋰合金的主要析出強化相為δ′(Al3Li)，其與基體存在良好的共格關系，此時材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為512 MPa，437 MPa和7.5%.5A90鋁鋰合金的斷裂方式以韌窩、分層開裂和沿亞晶界開裂方式為主，斷口為韌性與脆性混合斷裂.

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關鍵詞：5A90鋁鋰合金；時效熱處理；顯微組織

中圖分類號：TB331 文獻標識碼：A

Study of the Microstructure and Tensile 

Properties of 5A90 Aluminum Lithium Alloy

FENG Zhao-hui1， LU Zheng1， SU Hai2， YAN Hao2， ZHENG Ying-zhu2， GAO Wen-li2

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China; 

2. College of Materials Science and Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:The microstructure and tensile properties of 5A90 aluminum-lithium alloy rolled plate after heat treatment were studied with optical microscope， scanning electron microscope and transmission electron microscope. The results showed that the microstructure of the as-rolled plate presented anisotropy. Equiaxed grain appeared in the rolling plane. The microstructure in the longitudinal section and cross section presented a rolling streamline. There were a small number of recrystallized grains within the alloy. With the ageing heat treatment at 130 ℃ after the solid solution of 460 ℃/20 min， the hardness of the alloy increased continuously with ageing time until 20 hour peak-ageing， then the hardness dropped slowly. The main precipitate strengthening phase of 5A90 alloy was δ'(Al3Li) phase， and there was a good coherent relationship between δ′ phase and the matrix at peak-ageing. The ultimate tensile strength， yield strength and elongation were 512 MPa， 437 MPa and 7.5%， respectively. The main fracture manner of 5A90 aluminum-lithium alloy was dimple fracture， delamination cracking and cracking along the sub-boundaries. Tensile fracture surfaces showed the mixed characteristics of ductile fracture and brittle fracture.

Key words: 5A90 aluminum-lithium alloy; aging heat treatment; microstructure

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鋁鋰合金具有低的密度、高的比強度和高的比剛度、優良的耐熱性能以及卓越的超塑成形性等優點，用其代替常規鋁合金，可使結構件質量減輕10%~15%，剛度提高15%~20％，是一種理想的輕質高強結構材料，在航空、航天領域得到了廣泛的應用［1］.作為飛機的主要結構材料，用于提高飛機結構效率、減輕飛機機身重量、改進飛機性能，潛在經濟效益極大，被認為是21世紀飛行器的主要結構材料［2-3］.發達國家在鋁鋰合金的研究、生產及應用等方面都取得了巨大發展.目前，國外有20多種鋁鋰合金的生產已達到工業化水平.美、歐等國已能生產重6~20 t的鑄錠，而俄羅斯則已具備生產重25 t鑄錠的能力.美、歐、俄等國在鋁鋰合金的軋制、擠壓、鍛造等方面的生產技術水平已接近常規鋁合金.特別是20世紀90年代，第二代鋁鋰合金2094，2095，2097，2195，2197，1460等合金的研制成功為其應用提供了更為廣闊的前景［4-6］.5A90鋁鋰合金屬于Al-Mg-Li系合金，是目前國產最輕的商業鋁合金.與其它鋁鋰合金相比，其密度更低，焊接性能、抗腐蝕性能和低溫性能更優異，它的生產主要是為了滿足我國新戰略武器及戰機對結構用材輕量化的迫切需求［7］.本文通過對5A90鋁鋰合金微觀組織與力學性能的研究，為該合金在航空航天領域的應用提供重要的依據，從而推動5A90鋁鋰合金的大批量生產及在新型飛機上的應用.

1 實驗方法

實驗所用5A90鋁鋰合金冷軋板由北京航空材料研究院提供.合金成分為Al-5.1%Mg-2.2%Li-0.09%Zr.

5A90鋁鋰合金軋板經460 ℃/20 min固溶處理，冷水淬火，在130 ℃下進行時效（0~40 h）.硬度測試在HBRVU-187.5型布洛維光學硬度計上進行，負荷為612.9 N，加載時間為30 s.在Axiovert40MAT蔡司金相顯微鏡和S-4800掃描電鏡上進行5A90鋁鋰合金顯微組織和斷口形貌觀察；微觀形貌觀察在H-800型及JEM-3010型高分辨透射電鏡下進行.

2 結果及分析

2.1 軋制態組織

圖1為5A90鋁鋰合金軋制板材的金相組織照片，3個取向分別為軋制平面(⊥z)、橫截面（⊥y）和縱截面（⊥x）.可以看出，5A90合金軋板空間組織形貌呈薄餅狀.其中，軋制平面的晶粒呈等軸狀（見圖1(b)），縱截面和橫截面均為普遍的軋制流線組織并有少量細小的再結晶晶粒（見圖1(c)，(d)）.5A90鋁鋰合金軋制板材在縱向、橫向及軋制方向上的組織有較明顯的差別.軋制變形過程中，合金晶粒取向會發生特定的轉變，由離散區轉向聚集區，從而導致了晶體學織構的產生，在宏觀上表現為各向異性［8-10］.

2.2 熱處理工藝及其組織

圖2為5A90鋁鋰合金軋板經460 ℃/20 min固溶處理，水冷，于130 ℃時效處理的硬度-時間曲線.由圖可以看出，隨時效時間延長合金硬度迅速上升， 在時效20 h達到峰值，隨后硬度緩慢下降.

形加工過程所消耗的能量大部分會轉變成熱散發掉，但仍有少部分能量以彈性變形和增加金屬內缺陷空位、滑移和位錯等（見圖3(a)）的形式儲存起來.同時，合金在經過多道次軋制塑性變形加工過程中產生的應力集中也會通過向晶內激發位錯來進行松弛［11-12］.這些位錯及亞晶界可以為析出相的形核提供形核位置及原子擴散通道，降低形核能，從而促進其析出，提高合金的強度.

圖4為5A90鋁鋰合金高分辨電鏡照片.由圖可見，20 h峰值時效處5A90鋁鋰合金的析出相與Al基體存在良好的共格關系（見圖4(a)）.隨著時效時間的延長，析出相與基體共格關系明顯變差，呈半共格關系（見圖4(b)）.

圖5為析出相的電子衍射斑點及其相應衍射斑標定.圖中最為明亮的是Al基體，同時還可以清晰地看出δ′相和β′相的超點陣衍射斑點.由衍射斑可知，5A90鋁鋰合金的主要析出相是δ′相，也存在β′相.析出相δ′粒子與基體共格關系良好（見圖5(b)），同屬面心立方LI2型［10］.透射電鏡分析結果表明，Al-Mg-Li系的5A90合金具有明顯時效強(硬)化特性，主要是因為δ′相的析出和長大.在時效初期，δ′相的尺寸非常細小，在高分辨照片中能夠觀察到這種析出相及其超點陣衍射斑點（見圖4和圖5）.

2.3 力學性能及斷口分析

表1為5A90鋁鋰合金力學性能.經20 h的時效熱處理后，抗拉強度達到峰值，這與時效硬化曲線是一致的.圖6為5A90鋁鋰合金拉伸斷口形貌，拉伸斷口存在垂直于主斷面的二次裂紋（見圖6(a)，(c)），對其進行高倍觀察，可以看出斷口有大量的近等軸的淺小韌窩（見圖6(b)，(d)）.從斷裂機理看，斷裂方式為微孔聚集型裂紋；大多晶粒被切斷，故根據裂紋擴展的途徑來說，斷裂方式為穿晶型斷裂；雖然在斷裂前有微小的塑性變形，但不明顯，故斷口為韌性與脆性混合斷裂.

Al-Mg-Li三元合金沉淀順序為：α(過飽和固溶體)→δ′ (Al3Li)→S (Al2MgLi).從時效硬化曲線來看，Al-Mg-Li合金具有明顯的時效硬化和強化特性［11-12］.這主要歸因于鋁鋰合金中的主要強化相δ′的析出和長大.δ′相的界面能為14 mJ/m［12-13］，因此δ′的形核能較低，使得在后續較高溫度的人工時效過程中有大量的彌散δ′相同時長大，形成了較小尺寸的析出相，利于提高合金的塑性和強度.在5A90鋁鋰合金中，主要強化相δ′與基體共格，點陣錯配度只有0.08%［14］.可以有效阻止位錯移動，從而增加合金的強度.在Al-Mg-Li合金中，Mg的強化作用很小，對強度的貢獻主要是固溶強化.由于在5A90鋁鋰合金有較高含量的Mg，Mg的存在可降低Li在Al中的固溶度，從而促進了δ′的析出，使得δ′相的體積分數較大，所以5A90鋁鋰合金中的強化更多地來自于δ′的體積分數［10-15］.也正是由于大量δ′的析出才使合金且有十分顯著的時效特性.

鋁鋰合金的斷裂方式取決于晶界和晶內的強度之差，當晶界強度高于晶內時，裂紋沿晶內擴展，發生穿晶斷裂，當晶界強度低于晶內時，裂紋沿晶界擴展，發生沿晶斷裂.由于5A90強化相δ′尺寸較小，沒有達到發生位錯由切過到繞過的尺寸，晶內強度較弱，故發生穿晶斷裂.5A90在被拉斷的過程中，其較易變形的基體首先在剛度較大的第二相粒子周圍塑性流動并引起微空隙形核，使基體與第二相的界面處開裂從而形成空洞.通過空洞的聯接就會產生裂紋，并長大發生斷裂.因為鋁鋰合金系合金的強化機理是由于呈球狀的沉淀相δ′與母相的共格，故其斷裂韌性低.δ′相可被位錯切割，一旦位錯通過，該部分的截面積便減小，以后的位錯易沿此面通過，滑移也容易集中于此.位錯在此滑移面與晶界交叉處堆積，引起應力集中，形成裂紋源，產生裂紋.

3 結 論

1）5A90合金板材組織呈明顯的各向異性.合金板材軋制平面的晶粒呈等軸狀，縱截面和橫截面均為普遍的軋制流線組織，有少量的細小再結晶晶粒.

2）峰值時效態5A90鋁鋰合金的主要析出強化相為δ′(Al3Li)，其與基體存在良好的共格關系，此時材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為512 MPa，437 MPa和7.5%.

3）5A90鋁鋰合金的斷裂方式以韌窩、分層開裂和沿亞晶界開裂方式為主，斷口為韌性與脆性混合斷裂.

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