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过时效热处理对LC9铝合金组织与性能的影响

2020-12-28马晋芳杨玉芬

机械工程与自动化 2020年6期
关键词:腐蚀性晶界时效

马晋芳,杨玉芬

(山西建筑职业技术学院 机电工程系,山西 晋中 030619)

0 引言

铝及其合金所具有的独特性能使得其成为现代工业生产中最丰富、经济和吸引人的金属材料之一。目前,发展高性能铝合金可以通过调整合金成分、对已有热处理工艺参数的优化、精确调控合金的组织结构及新型合金的研发等途径进行开发研究[1-4]。

LC9铝合金是以Al-Zn-Mg-Cu为基的超硬铝合金,通过热处理可以改变其微观结构,进而改善其性能[5]。如铝合金T6处理经时效硬化,可使强度接近最高值,但抗应力腐蚀性却降低,影响其安全可靠性[6]。为了解决强度与韧性、应力腐蚀性能之间的矛盾,本文通过对LC9铝合金进行固溶+过时效热处理,分析热处理工艺对铝合金组织和性能的影响,希望对开拓铝合金的应用前景提供更多的理论依据。

1 实验材料及过程

实验所用材料为LC9铝合金锻件(T6状态),该材料的化学成分如表1所示。LC9铝合金(T6状态下)的常温物理性能及静态力学性能分别见表2和表3。

表1 LC9铝合金的化学成分(质量分数) %

表2 LC9铝合金的物理性能

表3 LC9铝合金的静态力学性能

本次实验采用的热处理制度为固溶+双级过时效。固溶处理工艺为(465±5)℃/2 h,水淬;第一级过时效处理,加热温度(110±5)℃,保温7 h,空冷;第二级过时效处理,加热温度(175±5)℃,保温9 h。

采用涡流测试方法(HB5356—86标准)进行电导率测试,以间接地了解材料的热处理状态、组织均匀性、机械性能和应力腐蚀敏感性。

采用WE-10型电子拉伸试验机进行力学性能测试,尺寸依照GB/T 228—2010的规定加工成短比例标准拉伸试样,直径为Φ5.00 mm,标距为25.00 mm,实验数据取三次测试的平均值。

利用NEPHOTO-30光学显微镜观测拉伸试样端部的金相组织,样品经研磨后,用体积分数为0.5%的HF溶液腐蚀,时间大约10 min~20 min。采用JEM型透射电镜观察合金的微观组织及析出相分布情况,样品采用体积分数为30%的H2NO3甲醇溶液进行电解双喷制备。采用AMRAY-1000型扫描电镜表征拉伸试样的断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 LC9合金的电导率

表4为LC9铝合金样品经固溶+双级过时效热处理前、后的电导率测试结果。

表4 LC9铝合金不同热处理状态的电导率值

经过固溶+双级过时效热处理后,材料的电导率平均值由T6态的18.56 MS/m增加到了23.37 MS/m,提高了25.9%。电导率的高低主要取决于晶体内的空位密度和基体中沉淀相的类型和分布情况。大量实验表明[7],电导率指标可以反映合金的抗应力腐蚀性能,随着电导率的增加,金属的抗应力腐蚀性能增强。

铝合金由于固溶处理而形成过饱和α固溶体,导致了严重的晶格畸变,晶格内存在较高的空位密度。在后期时效处理过饱和固溶体分解过程中,合金元素自由扩散,能够起到填充淬火后产生的空位作用。高的时效处理温度和较长的保温时间为空位填充提供了有利条件,故材料的电导率提高;双级时效制度为原子的扩散提供了强大的驱动力,大量合金元素从晶内富集到晶界,并以沉淀相的形式析出,从而降低了晶格中的应力集中程度,从宏观上看,耐应力腐蚀性能增强[8]。

图1为LC9铝合金过时效热处理后的金相组织,从中明显可以看到合金内部存在与基体不同的相结构;晶内分布有大量弥散细小的沉淀相,部分区域的晶界处可见粗大第二相颗粒。

图1 LC9铝合金过时效处理制度下的金相组织

图2为LC9铝合金过时效热处理后不同位置的显微组织。图2(a)可以清楚地看到沿晶界析出的第二相质点,长度约150 nm,呈短杆状、断续分布;从图2(b)可以观察到晶内的基体组织中分布有一些弥散的沉淀颗粒。

图2 LC9铝合金过时效处理后的显微组织

由文献`[9]可知,铝合金固溶后时效处理中的沉淀过程是连续变化的,一般为α过饱和固溶体、GP区(Guinier Preston zone)、η′(MgZn2)相、η(MgZn2)相的析出顺序。

铝合金在较低温度段(110±5 ℃)预时效过程中,过饱和固溶体失稳分解,不断析出细小、针状的沉淀相,以与基体共格的GP区为主,分布着少量半共格的η′相(MgZn2),弥散强化效果显著;在较高温度段(175±5 ℃)时效时,GP区沉淀相进一步发展成为半共格η′(MgZn2)强化相,这些过渡相η′在较高温度下聚集、粗化,向平衡状态转变,生成与基体非共格的η相(MgZn2),这些稳定的沉淀相相对粗大,且呈不连续分布,可以避免连续腐蚀通道的形成,同时由于沉淀相的析出,晶界处的应力集中程度显著降低,因而能够有效提高过时效状态铝合金的抗应力腐蚀性能。

2.2 LC9铝合金的力学性能与断裂特征分析

表5为LC9铝合金样品经固溶+双级过时效热处理后力学性能的测试结果。从表5可以看出,相比于T6状态,过时效铝合金的抗拉强度σb降低了约13.5%,屈服强度σs降低了约15.8%,而延伸率δ5则大幅度提高,由17%增大到了30%。大量实验表明,这主要与铝合金微观组织的转变密切相关。由于铝合金在T6态的强化相主要是与基体呈半共格的η′相,弥散强化效果显著,强度处于峰值;而在过时效状态下,由于温度高,原子扩散速度加快,η′过渡相不断长大、粗化,转变为尺寸较大、不连续分布的η稳定相[10]。由于η相与基体非共格,质点粗大且间距较宽,当位错运动受阻,将使受阻部分弯曲加剧,并围绕质点形成位错环,其余部分位错继续前进,即位错以绕过沉淀相的方式运动,此时,沉淀相阻碍位错运动的抗力小,强化效果减弱,表现为合金强度降低,而塑性得以提升。

表5 LC9铝合金过时效处理后的力学性能

图3为LC9铝合金双级过时效制度下拉伸试样断口的SEM形貌。由图3(a)可以看到泛金属光泽的撕裂表面,均匀分布有大量弯曲的褶皱;由图3(b)可以观察到断口处密集分布的大量呈锥形,且大小、深度不一的韧窝;由图3(c)可以更清楚地观察到较深的韧窝及周围明显凸起的撕裂棱,部分韧窝底部夹杂有第二相颗粒。

图3 LC9铝合金过时效处理后拉伸断口的SEM形貌

拉伸过程中,随着塑性变形量的增大,大量裂纹萌生于与基体不共格的晶界沉淀相和晶内的第二相处,在拉伸应力的作用下,裂纹沿着晶体缺陷互相串联、汇聚,进而形成塑性变形量较大的撕裂棱和大量分布均匀的韧窝,呈典型的韧窝穿晶型断裂特征[11]。结合拉伸试验的结果可知,铝合金在经过过时效热处理后,虽然牺牲了部分强度,但合金的塑性和韧性都有了明显改善,总体评价其综合力学性能较好。

3 结论

LC9铝合金经过固溶+双级过时效处理后,电导率与T6状态相比提高了约25.9%,达到了23.37 MS/m,这主要得益于时效过程中原子的填平空位机制,使得材料的抗应力腐蚀性能明显改善;过时效热处理后,铝合金虽然牺牲了部分强度,但塑韧性得到了明显提高,材料的力学性能得到很好的匹配,综合性能也得到了良好的提升。

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