时效处理对2024铝合金晶界特征分布及性能的影响

马国峰, 鲁志颖, 贺春林

(沈阳大学 辽宁省先进材料制备技术重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

时效处理对2024铝合金晶界特征分布及性能的影响

马国峰, 鲁志颖, 贺春林

(沈阳大学 辽宁省先进材料制备技术重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

运用电子背散射衍射技术(EBSD)、显微硬度计及电化学测试,研究了不同时效处理对2024铝合金晶界特征分布、硬度和腐蚀性能的影响,并分析铝合金晶界特征分布与硬度和耐蚀性的相关性.结果表明,随着时效时间的延长,2024铝合金样品中的小角度晶界的比例先逐渐增大,然后逐渐降低;低重位晶界(ΣCSL晶界)比例也是先增加,达到峰值后又呈下降趋势;小角度晶界和低ΣCSL晶界比例高的样品比小角度晶界和低ΣCSL晶界比例低的样品明显具有高硬度和耐腐蚀性.

2024铝合金; 小角度晶界; 重位晶界; 硬度; 耐蚀性

晶界广泛存在于合金与金属中,由于晶界处有较多的缺陷和很大的畸变,引起晶粒内部能量小于晶界处能量,因此,多晶体合金与金属材料的破坏一般都是晶界时效引起的[1-2].通常认为晶界可分为重位晶界、大角度晶界和小角度晶界等[3-5].

自从20世纪80年代Watanabe提出了晶界特征分布的概念以来[6],研究人员对晶界结构及特性进行了大量的研究,表明许多晶界现象如扩散、腐蚀和偏聚等强烈依赖晶界的特征分布[7-9].但目前,对晶界特征分布的研究主要还是集中在奥氏体钢、铜合金、铅合金和镍基合金等,而对铝及铝合金的研究还是较少.如王轶农等人研究了LY12铝合金的晶界特征分布与抗腐蚀性能的关系,观察到了重位晶界出现的频率越高,试样的抗腐蚀性能越好[10].

2024铝合金是2XXX系高强铝合金,具有高强度、耐热性好、耐损伤及密度低等优点,在一些民用产品和航天航空领域中的应用十分广泛[11-12].2024铝合金属于可热处理强化的铝合金,因而热处理工艺对其组织及性能有极大的影响[13-14].截至目前,对2024铝合金的研究仍集中在热处理工艺的优化和微量元素的添加等方面,而对于热处理工艺与其晶界特征分布之间关系方面的研究较少.

因此,本文以2024铝合金为实验材料,利用电子背散射衍射分析技术和电化学测试系统等研究手段和分析方法,对不同时效时间处理的2024铝合金的晶界特征分布及其性能之间的关系进行研究,为进一步优化2024铝合金的热处理工艺提供理论指导.

1 实验方法

实验所用2024铝合金的名义化学成分的质量分数如表1 所示.实验所用的轧制板材2024铝合金样品规格为8 mm×8 mm×5 mm.本实验所有样品在495 ℃下进行60 min的固溶处理,然后在195 ℃下进行不同时间(3、6、9、12和15 h)的时效处理.不同时效处理后的样品经研磨、机械抛光,待用.

样品采用DF-3010电解抛光腐蚀仪进行电解抛光,抛光液质量分数分别为10%高氯酸和90%乙醇的混合溶液.并利用配有Channel5-EBSD系统的日立S-4800扫描电子显微镜对电解抛光后的样品进行晶粒取向和晶界特征分析.

表1 实验所用的2024铝合金的质量分数化学成分Table 1 Mass fraction of chemical composition of 2024 Al alloy used in this experiment %

本实验的硬度值测量在Vickers 420MVD维氏显微硬度仪上进行,每个合金样品的硬度都是取5个测试点的平均值.

利用CHI600A型电化学分析仪研究腐蚀行为.电解质溶液为质量分数3.5% NaCl溶液,参比电极是饱和甘汞电极,辅助电极是Pt电极,在25 ℃恒温条件下测试.研究电极为合金试样,工作面为圆形(d=3 mm),用石蜡涂封.

2 结果分析

2.1 对晶界取向角的影响

一般认为两个晶粒取向差小于10°为小角度晶界,小角度晶界由一列位错构成,小角度晶界比例的大小对材料的性能起到一定的作用.图1为不同时效时间下的取向差角分布.从图中可以看出, 图1a的小角度晶界的比例小于图1b的小角度晶界的比例,图1c的小角度晶界的比例与图1a和图1b相比较有较大幅度的上升,图1d和图1f的小角度晶界的比例与图1c相比有明显的下降.通过以上分析发现,随着时效时间的延长,2024铝合金试样中的小角度晶界的比例先逐渐增大,然后小角度晶界的比例逐渐降低,时效时间为9 h的铝合金试样中的小角度晶界的比例最高.这是因为在时效0～3 h之间,2024铝合金中的Si、Mg原子在微区中聚集,并形成较大弥散分布的G.P(Ⅰ)区,而随着时效时间的延长,G.P(Ⅰ)区的核心成分向过渡相转变. 当时效时间达到9 h后,合金组织中将有更多的G.P(Ⅰ)区,并形成细小弥散均匀分布的G.P(Ⅱ) 区,此时晶粒分布最为细小均匀(如图2所示),此时小角度晶界的比例也达到最大值,但随着时效时间延长(图2e)会引起析出相的粗化,小角度晶界转换为大角度晶界,小角度晶界的比例也随着降低.

图1 不同时效时间下的取向差角分布图Fig.1 Distribution of misorientation angle at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

图2 不同时效时间下的晶界特征分布图Fig.2 Grain boundarycharacter distribution at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

2.2 对重位晶界的影响

通常来说,具有特殊性能和特殊结构的重位晶界指的是低ΣCSL(重位点阵,coincidence site lattice)晶界,低ΣCSL指的是Σ≤29,低ΣCSL晶界具有好的抗蠕变性能、耐腐蚀性能以及抗晶界偏聚性能等.图3是不同时效时间下的重位晶界的分布图.从图中可以看出Σ3、Σ5等低ΣCSL晶界比例随时效时间的延长而增加,但达到峰值后又呈下降趋势,时效时间为12 h的铝合金试样中的低ΣCSL晶界的比例最高.

铝合金的时效过程是固体淬火后过饱和固溶体分解的过程,时效处理使铝合金的结晶点恢复到原来的状态.从图3可以看出,低ΣCSL晶界比例的改变可分为3个阶段:第1个阶段(时效时间0～3 h),低ΣCSL晶界的比例较低,主要因为时效时间较短,2024铝合金组织来不及发生充分的再结晶,晶界迁移反应不完全,不会形成太多的低ΣCSL晶界;第2个阶段(时效时间3～12 h),随着时效时间的延长,2024铝合金组织再结晶越来越充分,并发生充分的晶界迁移反应,会形成更多的特殊晶界,当时效时间为12 h时铝合金试样中的低ΣCSL晶界的比例最高;第3个阶段(时效时间12～15 h),随着时效时间的继续延长,低ΣCSL晶界的比例又有所下降,这是由于2024铝合金组织中的晶粒继续长大,在晶粒长大的过程中,一般大角度晶界的迁移会吞并已有的低ΣCSL晶界,造成低ΣCSL晶界比例的下降.

2.3 对硬度的影响

图4为2024铝合金的硬度与时效时间的关系图.从图中可看出,在一定的时效时间下,合金硬度随时效时间的延长而上升,在时效时间为9 h和12 h时,2024铝合金的硬度达到最大值,之后合金的硬度开始下降.2024铝合金在加热和快速冷却时,形成过饱和固溶体,在这个过程中由于大量空位存在于合金组织中,因而加速了溶质原子的快速扩散.随着时效时间的延长,在晶体内部的富集区开始从G.P(I)区向G.P(Ⅱ) 区转变,过饱和固溶体中的富集溶质原子逐渐从无序向有序转变,因此2024铝合金的硬度逐渐提高,在时效时间为9 h和12 h时,2024铝合金的硬度达到最大值.但随着时效时间的继续延长,析出相出现粗化,合金硬度有所下降.

图3 不同时效时间下的重位晶界的分布图Fig.3 Coincidence site lattice grain boundary distribution at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

图4合金的硬度与时效时间的关系

Fig.4 The curve of relationship between the hardness and aging time

通常认为小角度晶界处原子排列很不规则,因此小角度晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用.Ghosh等认为小角度晶界阻碍位错移动存在一个门槛值:当应力大于这个门槛值时,位错才可移动;当小于这个门槛值时,位错就很难移动,从而致使材料强度提高.而硬度和强度之间存在着一定的联系,硬度值越高,其强度值也就越大[15].

2.4 对腐蚀性能的影响

通常认为材料的腐蚀电位越正、腐蚀电流越小、极化电阻越大,材料的耐腐蚀性能越好. 从表2中可以看出,2024铝合金在时效12 h处理下耐蚀性最好, 这和重位晶界变化规律是一致的.

由于随机晶界、大角度具有较高的能量,常常成为腐蚀和裂纹扩展的通道,而低能晶界(小角度晶界和重位晶界)具有较低的能量、低的电阻系数和低的扩散率等特殊性能,对晶间腐烛和裂纹扩展有强烈的抑制作用.正是因为与一般大角度晶界相比,低ΣCSL晶界的具有晶界能低、晶界上偏聚程度轻微、晶界扩散率低、沿晶析出几率小、特殊晶界迁移速率小等重要特性,才使其具备较高的晶界腐蚀抗力.

表2 不同时效处理2024铝合金的电化学腐蚀参数Table 2 The electrochemical corrosion parameters of different aging time treatment of 2024 Al alloy

3 结 论

(1) 随着时效时间的延长,2024铝合金试样中的小角度晶界的比例先逐渐增大,然后逐渐降低,时效时间为9h的铝合金试样中的小角度晶界的比例最高.

(2) 低ΣCSL晶界比例随时效时间的延长而增加,但达到峰值后又呈下降趋势,时效时间为12 h的铝合金试样中的低ΣCSL晶界的比例最高.

(3) 合金硬度随时效时间的延长而上升,在时效时间为9 h和12 h时,2024铝合金的硬度达到最大值,之后合金的硬度开始下降.

(4) 2024铝合金在时效12 h处理下耐蚀性最好,这和重位晶界变化规律是一致的.

(5) 小角度晶界和低ΣCSL晶界比例高的样品比小角度晶界和低ΣCSL晶界比例低的样品明显具有高硬度和耐腐蚀.

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【责任编辑:胡天慧】

InfluenceofAgingTreatmentonGrainBoundaryCharacterDistributionandPropertiesof2024AluminumAlloy

MaGuofeng,LuZhiying,HeChunlin

(Liaoning Province Key Laboratory for Advanced Materials Preparation Technology, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The effects of aging treatment on grain boundary character distribution and properties of 2024 Al alloy were studied by using electron backscattered diffraction (EBSD) technology, hardness test and the electrochemical test. The relationship between grain boundary character distribution and hardness, intergranular corrosion resistance of 2024 Al alloy was summarized. The results showed that the frequency of low angle boundaries gradually increased after aging treatment at 9 h, and the hardness decreased with the further increase of aging time. With the increase of aging time in the range of 0～15 h, low coincidence site lattice (CSL) grain boundary occur with a relatively high frequency after aging treatment at 12 h. The higher frequency low angle boundaries and low CSL grain boundaryis occur with, the better the hardness and the corrosion-resisting property are.

2024 Al alloy; low angle boundaries; coincidence site lattice; the hardness; corrosion-resisting property

TG 174.33

A

2017-07-17

国家自然科学基金资助项目(51171118); 中国博士后基金资助项目(2016M601333); 辽宁省自然科学基金资助项目(201602518).

马国峰(1979-),男,辽宁鞍山人,沈阳大学副教授,博士.

2095-5456(2017)06-0435-06