微观组织对7B52铝合金板材力学性能及断裂行为的影响

佟有志

(东北轻合金有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150060)

7B52铝合金具有高的比强度、良好的热加工性能、较好的耐蚀性能和较高的韧性等优点,可用做主承力结构材料,广泛应用于航空航天和兵器装备等领域[1-4]。生产中多以7B52铝合金板材供货。轧制是生产7B52铝合金板材主要方法,在轧制过程中形成纤维组织,使材料力学性能出现各向异性[5-6]。本试验研究7B52铝合金板材不同取向的力学性能与其微观组织之间的关系,探寻晶粒和第二相形态对其断裂行为的影响,为工业生产及选材应用等提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为轧制态的7B52铝合金板材,板厚20 mm,化学成分如表1所示。板材经475 ℃1 h固溶处理后立刻水淬,再进行120 ℃24 h的峰时效处理。沿7B52铝合金板材轧制方向(纵向)和垂直于轧制方向(横向)取拉伸试样和夏比冲击试样,拉伸试样按照GB/T 228-2002标准制备,夏比冲击试样按照GB/T 229-2007标准制备。每个方向取A型和B型两种夏比冲击试样,A型试样在轧制表面开U型缺口,B型试样沿厚度方向开U型缺口,如图1所示。

表1 7B52铝合金的化学成分(质量分数/%)

图1 夏比冲击试验试样

断口附近金相组织观察在ZEISS Axiovert 200MAT光学显微镜上进行,腐蚀剂采用Graff试剂(16 mL HNO3+1 mL HF+3 g CrO3+83 mL H2O),使用JSM-7001F场发射扫描电镜进行断口分析。在WD3100微控电子万能试验机上按GB/T 228-2002标准进行准静态拉伸力学性能测试,按照GB/T 229-2007标准在万特 PIT-J试验机上进行夏比冲击试验。

2 试验结果与讨论

2.1 7B52铝合金板材的力学性能

表2为7B52铝合金板材纵向与横向的力学性能。从表2可知,纵向强度大于横向强度,纵向伸长率则小于横向伸长率。

表3为7B52铝合金板材不同取向的夏比冲击性能。从表3可以看出,同一取向,B型试样的冲击吸收能量显著高于A型试样的冲击吸收能量;而对于同一种试样,纵向冲击吸收能量要高于横向冲击吸收能量。

2.2 7B52铝合金板材断裂行为研究

图2所示为拉伸试样裂纹边缘组织金相照片。合金的断裂路径为部分穿晶、部分沿晶断裂,并以穿晶断裂为主导。沿晶断裂主要是沿着结合能力较弱的再结晶晶粒的晶界发生,可见在单向拉伸状态下,再结晶晶粒对合金的断裂特性影响有限。另外,在横向拉伸断口上观察到了断裂的第二相的存在,如图2b中白圈所示,而在纵向的拉伸断口中未发现第二相。

图2 拉伸试样裂纹边缘金相组织

拉伸试样的断口形貌如图3所示。由试样纵向可以看出,断面上出现了部分穿晶、部分沿晶断裂所导致的台阶,其中穿晶断裂占主导地位。断面上存在两种尺度的韧窝:由粗大第二相导致的大尺度韧窝和大量由晶内析出相导致的小尺度韧窝。试样横向断口所呈现出的纤维状形貌是对轧制变形后的晶粒形貌的一个真实反映。对比纵向和横向断口形貌,试样横向断面上最显著的特征是分布有大量的撕裂棱及沿轧制方向被拉长的粗大第二相,这些粗大第二相在部分区域沿轧向呈链状分布。裂纹首先在脆性的第二相周围出现,并且沿第二相形成穿晶扩展。这些链状的粗大第二相极大地降低了材料的变形能力,有利于裂纹的萌生与扩展,因此拉伸试样横向的强度较低。

图3 不同取向上拉伸试样断口的SEM照片

图4为夏比冲击试验试样的宏观断裂形貌。由图4可以看出,A型试样的断裂路径沿平行于轧面的方向扩展较长,B型试样的断裂路径近乎垂直于轧面。A型试样的冲击断口形貌如图5所示。由图5可见,A型试样的断面上存在大量的沿晶断裂面,沿晶断裂面的边缘处为第二相破碎形成的韧窝[8-9]。

图4 夏比冲击试验试样的宏观断裂形貌

图5 A型试样的断口形貌

图6为B型试样的冲击断口形貌。由图6可见,B型试样以韧性断裂为主,断口中存在着两种尺寸的韧窝,大尺寸韧窝时由于第二相破碎形成的,小尺寸韧窝则是由于微观空洞聚集形成的。横向的冲击断口中存在着较多的第二相破碎形成的韧窝,由于第二相与基体结合能力较弱,裂纹易在此处形核长大,进而降低了合金冲击吸收能量[10-11]。

图7为U型缺口边缘的晶粒形貌。在轧制过程中,晶粒沿轧制方向被拉长,形成了纤维状组织,随后在变形晶粒内发生动态再结晶,这些再结晶晶粒在不同方向上投影面积有着明显的差异。在受到冲击载荷作用时,A型试样中存在较大的垂直于轧面的分力,且A型试样中再结晶晶粒垂直于加载方向投影面积很大,由于再结晶晶界较弱且粗大第二相多分布在再结晶晶粒处,故在冲击加载时发生了显著的沿晶断裂行为,裂纹沿再结晶晶界迅速扩展。另外,由于再结晶晶粒沿轧向较长,故表现在如图4所示的宏观断裂形貌上,A型试样裂纹的长度远大于B型试样裂纹的长度。对于B型试样,在冲击加载时受到平行于轧面的分力作用,但由于L-S面及T-S平面再结晶晶界投影面积较小,因此合金的断裂形式以穿晶韧性断裂为主。从断口分析结果可以看出,第二相的分布是影响其穿晶断裂行为的主要因素。由于轧面垂直于合金的主断裂面,故出现了大量沿再结晶晶界传播的二次裂纹。但由于应力传播角度的增多,与对应取向的单轴拉伸试样的断口对比,断面上沿晶断裂面有所增加。

3 结 论

1)7B52铝合金板材拉伸性能和冲击性能均表现出了明显的各向异性,板材纵向的强度高于横向的强度,板材的冲击吸收能量也是纵向的高于横向的。

2)7B52铝合金板材拉伸断口以穿晶韧性断裂为主,同时存在有少量沿晶断裂。第二相数量和分布影响着断口中大尺度韧窝的分布。

3)冲击加载时,再结晶晶粒形态是影响7B52铝合金板材断裂行为的主要因素,当加载方向的再结晶晶粒面积较大时,以沿晶脆性断裂为主,抗冲击性能低;当加载方向的再结晶晶粒面积较小时,以穿晶韧性断裂为主,抗冲击性能好。