轧制变形对Al-20wt.%Zn合金结构及力学性能的影响

2016-06-17刘崇宇任静心陈锦清

黑龙江大学工程学报 2016年1期

杨　霞，刘崇宇，李　钊，任静心，陈锦清，曲　博

(桂林理工大学 a.测绘地理信息学院；b.广西有色金属及特色材料加工教育部重点实验室；c.有色金属清洁冶炼与综合利用广西高校重点实验室，广西桂林 541004)

杨霞a，刘崇宇b, c,*，李钊b，任静心b，陈锦清b，曲博b

摘要：对固溶处理后的Al-20wt.%Zn合金进行室温轧制变形，发现随压下量的增加，该合金的晶粒尺寸不断下降,位错密度不断增加,Zn在Al晶格中的溶解度不断下降,Zn析出相数量不断增加。Zn-Al合金的硬度性能测试表明，Al-20wt.%Zn合金的硬度随压下量增加而不断增加，并在92%条件下达到峰值，为119 Hv。

关键词：铝合金；轧制；微观结构；硬度

0引言

作为7XXX铝合金的基础，Al-Zn二元体系广受关注[1-5]。由Al-Zn二元相图可知，常温环境下，Zn在Al晶格中的溶解度极低，但在高温环境下，Zn原子可大量溶解在Al晶格中。因此，通过适当的热处理工艺，可制备出过饱和的Al-Zn二元合金，且该合金具有较高的晶格畸变能。

以往的研究表明，剧烈塑性变形，如高压扭转可使过饱和Al-Zn合金发生分解，并大幅降低合金的固溶强化效果。尽管由塑性变形引起的晶粒细化及位错密度增加可分别提高合金的晶界强化及加工硬化，进而起到强化合金的作用，但是，由于固溶强化的下降，综合作用使得Al-Zn合金在高压扭转过程中表现出加工软化这一反常的力学行为。

轧制变形是另外一种重要的塑性变形工艺[6,7]。不同于高压扭转，轧制具有更高的变形速率。因此相比于高压扭转，轧制过程中，Zn原子在Al晶格中具有较低的迁移能力，进而导致固溶体分解与纳米相析出较为困难。

本研究拟探索Al-Zn合金在轧制变形过程中的微观结构与力学性能变化规律，并分析Al-Zn合金经不同变形量轧制后的强化机制。

1实验

采用高纯Al和Zn为原材料，在真空环境下熔炼、铸造制备Al-20wt.%Zn合金。对制备的Al-20wt.%Zn合金进行固溶处理(550 ℃保温3 h后水冷至室温)后，进行多道次室温轧制。最终轧制压下量为92%。轧制过程中不使用润滑剂，轧制速度为0.5 m/s。

采用X射线衍射仪(XRD)对所有样品进行相组成分析。分别采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对样品微观结构进行分析。采用维氏硬度计对样品显微硬度进行测试。

2结果及讨论

固溶处理后Al-20wt.%Zn合金的SEM照片及该合金的能谱面扫描图见图1。由图1可见，Al-20wt.%Zn合金经过固溶处理后Al和Zn元素分布均匀。

图1　固溶处理后SEM照片分布图Fig.1　Distribution of SEM photograph after soild solution treatment

固溶处理后Al-20wt.%Zn合金的TEM照片及XRD图谱见图2。由图2(a)可见，Al-20wt.%Zn合金经过固溶处理后Zn原子完全固溶到Al晶格中，未见Zn相存在。水冷过程释放的内应力导致合金内部产生位错线。XRD图谱也未见Zn相衍射峰的存在(图2(b))。

图2　固溶处理后Al-20wt.%Zn合金TEM照片(a),X射线衍射图谱(b)Fig.2　TEM(a) and XRD of Al-20wt.%Zn after solid solution treatment(b)

图3　不同轧制压下量下Al-20wt.%Zn合金光学显微镜照片：0(a)、15%(b)、50%(c和d)、65%(e)、75%(f)、92%(g)Fig.3　OM of Al-20wt.%Zn after different rolling reduction ratio: 0(a)、15%(b)、50%(c and d)、65%(e)、75%(f)、92%(g)

固溶态Al-20wt.%Zn合金经过不同压下量轧制后的光学显微镜照片见图3。由图3(a)可见，固溶态Al-20wt.%Zn合金的晶粒形状为等轴状，平均尺寸约为300 μm。经过15%压下量轧制后，Al晶粒沿轧制方向被略微拉长见图3(b)。Al-20wt.%Zn合金经过50%的压下量轧制后的中心部位及表面附近的显微结构照片见图3(c)和图3(d)。该样品各处晶粒均被明显拉长。不同的是，与中心部位相比，表面附近区域由于受到更多轧辊摩擦力的作用，而在该区域的晶粒内部产生大量剪切带，且剪切带与轧制方向相差45°。当压下量增至65%后，Al-20wt.%Zn合金各处晶粒内均出现大量剪切带(图3(e))。由图3(f)可见，Al-20wt.%Zn合金经过75%压下量轧制后，晶粒尺寸大幅细化，且剪切带数量减少。当压下量增至92%后，Al-20wt.%Zn合金的内部组织呈现纤维状(图3(g))。

Al-20wt.%Zn合金经过92%压下量轧制后的TEM照片及XRD图谱见图4。由图4(a)可见，Al-20wt.%Zn合金经过92%压下量轧制后，合金内部产生高密度位错和尺寸<100 nm的析出相(如白色箭头所示)。明显的Zn相衍射峰出现在图4(b)中，因此图4(a)中的析出相为Zn相。

图4　Al-20wt.%Zn合金经92%轧制压下量后的TEM照片(a)，X射线衍射图谱(b)Fig.4　TEM (a) and XRD (b) of Al-20wt.%Zn after 92% rolling reduction ratio

固溶态Al-20wt.%Zn合金在轧制过程中，晶粒不断被拉长。同时，被拉长的晶粒被不断产生的剪切带切断，因此，随着压下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不断下降。轧制变形导致大量晶体缺陷，如位错、空位和晶界的产生。这些晶体缺陷为溶质原子的扩散提供大量的通道，因此，随轧制压下量的增加，Zn原子不断聚集、偏析、形成团簇、从铝基体中析出，最后形成纳米沉淀相。

Al-20wt.%Zn合金的显微硬度随轧制压下量变化曲线见图5。由图5可见，固溶态Al-20wt.%Zn合金的显微硬度为65 Hv，随压下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的显微硬度不断增加，当压下量为92%时，显微硬度高达119 Hv。

图5　不同轧制压下量Al-20wt.%Zn合金的显微硬度Fig.5　Vickers hardness of Al-20wt.%Zn after different rolling reduction ratios

固溶处理后的Al-20wt.%Zn合金的强化机制为固溶强化。轧制过程中，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不断下降，位错密度不断升高，且大量纳米相析出。因此轧制后Al-20wt.%Zn合金的强化机制主要为由晶粒细化导致的晶界强化、位错密度增加导致的加工硬化、纳米析出相引起的沉淀强化。尽管轧制过程导致的动态析出弱化了Al-20wt.%Zn合金的固溶强化效果，但是综合其他强化因素，该合金的硬度随压下量的增加而不断增加。

3结论

对固溶处理后的Al-20wt.%Zn合金进行不同变形量的室温轧制变形，对各样品的微观结构及力学性能进行表征及分析，得到以下结论：

1)固溶处理后的Al-20wt.%Zn合金元素分布均匀，晶粒尺寸大约为300 μm，位错密度较低，无析出相产生；

2)轧制过程中，随压下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不断细化；

3)Al-20wt.%Zn合金经过92%压下量轧制后，位错密度大幅增加，且Zn原子从铝晶格中析出，形成纳米析出相；

4)随轧制压下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的硬度不断增加，并在92%轧制压下量条件下达到峰值，为119 Hv。该条件下得到合金的主要强化机制包括：晶界强化、加工硬化和沉淀强化。

参考文献：

[1]Borodachenkova M, Barlat F, Wen W, et al. A microstructure-based model for describing the material properties of Al-Zn alloys during high pressure torsion [J]. International Journal of Plasticity, 2015, 68: 150-163.

[2]Mazilkin A A, Straumal B B, Rabkin E, et al. Softening of nanostructured Al-Zn and Al-Mg alloys after severe plastic deformation [J]. Acta Materialia, 2006, 54: 3933-3939.

[3]Straumal B, Valiev R, Kogtenkova O, et al. Thermal evolution and grain boundary phase transformations in severely deformed nanograined Al-Zn alloys [J]. Acta Materialia, 2008, 56: 6123-6131.

[4]Straumal B, Baretzky B, Mazilkin A, et al. Formation of nanograined structure and decomposition of supersaturated solid solution during high pressure torsion of Al-Zn and Al-Mg alloys [J]. Acta Materialia, 2004, 52: 4469-4478.

[5]Tugcu K, Sha G, Liao X Z, et al. Enhanced grain refinement of an Al-Mg-Si alloy by high-pressure torsion processing at 100 °C [J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 552: 415-418.

[6]李玉平, 刘崇宇, 姜艳丽, 等. 低温退火处理对热轧态AZ31镁合金微观结构与力学性能的影响 [J]. 黑龙江大学工程学报, 2015, 6 (1): 56-59.

[7]贺晓文, 刘崇宇, 王晓颖, 6系铝合金建筑型材的轧制工艺研究 [J]. 黑龙江大学工程学报, 2013, 4 (4): 11-19.

Effects of rolling deformation on the microstructures and mechanical properties of Al-20wt.% Zn alloy

YANG Xiaa, LIU Chong-Yub,c,*, LI Zhaob, REN Jing-Xinb, CHEN Jin-Qingb,QU Bob

(GuilinUniversityofTechnology,a.CollegeofGeomaticsandGeoinformation;b.KeyLaboratoryofNewProcessingTechnologyforNonferrousMetal&Materials,MinistryofEducation;c.GuangxiKeyLaboratoryofUniversitiesforCleanMetallurgyandComprehensiveUtilizationofNon-ferrousMetalResources,Guilin541004,Guangxi,China)

Abstract：A solid solution treated binary Al-20%Zn alloy was deformed by rolling at room temperature. With increasing of deformation degree, the grain size of Al matrix decreases, density of dislocation increases, solubility of Zn atom in Al lattice decreases, and the number of Zn precipitate phase increases. The hardness of the Zn-Al alloys was also investigated, results showed that the hardness value increases with the increases of deformation degree, and reaches up to 119 Hv at 92% reduction ratio.

Key words：Al alloy; rolling; microstructures; hardness

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.009

收稿日期：2015-09-23;

修订日期：2015-10-11

基金项目：广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFBA139238);桂林理工大学博士科研启动项目(65030201)；广西高校科学技术研究项目(KY2015ZD050)

作者简介：杨霞(1986-)，女，江西鹰潭人，助教，硕士，研究方向：航空材料及无人机技术，E-mail: yangxia@glut.edu.cn；*通讯作者：刘崇宇(1984-)，男，辽宁营口人，讲师，博士，研究方向：有色金属材料加工，E-mail:lcy261@glut.edu.cn。

中图分类号：TG146

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0046-04

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.008.html