简介概要

1420铝锂合金力学性能的各向异性

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：蒋呐李锡武郑子樵钟俐苹李世晨李海

关键词：铝锂合金; 力学性能; 各向异性; 时效;

摘要：以1420铝锂合金为研究对象, 通过拉伸力学性能测试和拉伸断口形貌观察比较全面地研究了板材力学性能的各向异性水平及其表现规律, 并探讨了各向异性在时效过程中的演化及产生各向异性的主要因素. 研究结果表明: 该1420铝锂合金的力学性能具有明显的各向异性; 屈服强度与抗拉强度各向异性的表现规律有所不同; 在达到峰时效之前, 随着时效时间的延长, 合金力学性能的各向异性在增加, 而增幅在减小. 合金力学性能的平面各向异性主要源于其晶体学织构、晶粒形貌和时效析出相等的交互作用.

稀有金属 2004,(01),151-155 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.038

1420铝锂合金力学性能的各向异性

郑子樵李海李世晨钟俐苹蒋呐

中南大学材料学院,中南大学材料学院,中南大学材料学院,中南大学材料学院,中南林业学院,西南铝业(有限)责任公司湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南长沙410083 ,湖南株洲412006 ,四川重庆401326

摘要：

以 14 2 0铝锂合金为研究对象 , 通过拉伸力学性能测试和拉伸断口形貌观察比较全面地研究了板材力学性能的各向异性水平及其表现规律 , 并探讨了各向异性在时效过程中的演化及产生各向异性的主要因素。研究结果表明 :该 14 2 0铝锂合金的力学性能具有明显的各向异性 ;屈服强度与抗拉强度各向异性的表现规律有所不同 ;在达到峰时效之前 , 随着时效时间的延长 , 合金力学性能的各向异性在增加 , 而增幅在减小。合金力学性能的平面各向异性主要源于其晶体学织构、晶粒形貌和时效析出相等的交互作用

关键词：

铝锂合金;力学性能;各向异性;时效;

中图分类号： TG113

收稿日期：2003-09-10

基金：“国家九五攻关计划”资助项目 ( 95 YS 0 2 16);

Anisotropy of Mechanical Properties for 1420 Al-Li Alloy

Abstract：

By the means of tensile testing and fractography observation, the level and behavior of anisotropy of mechanical properties in 1420 Al Li alloy rolled sheet was investigated. Variations of anisotropy in the alloy during aging treatment, and the mechanism and main factor which cause the anisotropy of mechanical properties were discussed. It is found that 1420 Al Li alloy has obvious in plane anisotropy of mechanical properties. And the behavior of the anisotropy in yield strength and tensile strength is different. Until to peak aging, anisotropy of mechanical properties increases and increment of anisotropy reduces with aging treatment progresses. The in plane anisotropy of mechanical properties in the alloy is attributed to the interactions among crystallographic textures, grain morphologies, and the precipitates developed during aging.

Keyword：

Al Li alloy; mechanical properties; anisotropy; aging treatment;

Received： 2003-09-10

在航天航空工业中, 铝锂合金由于具有低密度、高比强度和比刚度等特点, 用其取代常规铝合金, 可使构件质量减轻10%～15%, 刚度提高 15%～20%, 特别是其价格比先进的复合材料便宜很多, 因此, 被认为是21世纪航天航空工业最理想的轻质量高强度结构材料。由前苏联开发的Al-Mg-Li系1420铝锂合金, 与其它系列的铝锂合金相比, 密度更低, 而且具有优良的抗腐蚀性能、低温性能和极好的可焊性, 因而可用焊接代替铆接以获得更大程度的减轻飞行器自重, 从根本上改变了铝锂合金在使用上的局限, 充分地利用了铝锂合金的潜力, 其在航天航空工业有着广阔的应用前景。当前在国内, 由于航天航空工业发展的需要, 对1420铝锂合金研究生产提出了更为迫切的要求。为此, 全面掌握1420铝锂合金的力学性能显得至关重要。国内已对其热处理工艺和强塑性状况进行了一些研究, 而关于该合金力学性能各向异性方面的研究报道仍很少。基于此, 本文着重研究了1420铝锂合金板材力学性能的各向异性水平及其表现规律, 并从晶粒形貌和时效析出相对合金各向异性的影响入手, 对其各向异性的产生机理进行了初步的讨论, 提出了一些改善其各向异性的措施。

1 实验材料及方法

实验用1420铝锂合金板材由西南铝业提供, 板厚1.5 mm左右, 其化学成分见表1所示。

在本实验中, 首先对试样进行硬度测试, 做出时效硬化曲线。试样的热处理工艺为: 固溶450 ℃, 25 min, 水淬+120 ℃人工时效不同时间, 空冷。固溶及人工时效处理分别在盐浴炉和干燥箱中进行。硬度测试在HVA-10A型低负荷维氏硬度机上进行, 负荷为1 kg, 每个时间点均测取6个以上的有效测试值。

研究各向异性的试样如图1所示裁取, 在轧制平面内分别沿轧制方向 (0°) 、横向 (90°) 和与轧制方向成30°, 45°, 60°的方向剪取。热处理工艺采取: 固溶450 ℃, 25 min, 水淬+人工时效120 ℃/ (4, 12, 24 h) , 空冷。在CSS-44100电子万能试验机上进行室温拉伸实验, 拉伸速度为2 mm·min^-1。

表1 实验用1420铝锂合金的化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 Chemical compositions of 1420 Al-Li alloy

元素	Mg	Li	Zr	Cu	Ti	Fe	Si	Na/10⁶	H/10⁶	Al
含量	5.20	2.03	0.114	0.03	<0.01	0.07	0.03	7	0.38	bal.

图1 拉伸试样截取的方位

Fig.1 Sampling direction of tensile specimens

采用电解抛光、阳极覆膜的方法制样, 在Ployvar-Met金相显微镜上进行金相组织观察。拉伸试样的断口形貌在KYKY-2800型扫描电镜上进行, 加速电压为20 kV。

2 实验结果

2.1 时效硬化曲线

图2为1420铝锂合金试样的时效硬化曲线。从图2中可以看出, 1420铝锂合金具有明显的时效强化效应。时效初期硬度增加很快, 时效至4 h左右硬度便达到较高值, 随后硬度增加变缓, 到12 h以后硬度值随时效时间的延长增加更缓。基于此, 在用于研究各向异性的拉伸试样的热处理工艺中选择时效时间为4, 12和24 h。

2.2 拉伸性能

拉伸性能测试结果如表2所示。表中还列出了按文献 [ 1, 2] 计算的平面内各向异性指标IPA值。

从表2可以明显的看出, 本合金固溶水淬处理后经120 ℃人工时效12 h左右可得到较好的强塑性结合, 性能已经完全达到了Birt等 ^[3] 的实验结果 (1420-T6, 轴向拉伸性能: σ_b=492 MPa, σ_0.2=313 MPa, δ=8%) 。从IPA指标分析, IPA值都比较大, 尤其σ_0.2的IPA值更大, 3种时效状态试样的各向异性都很明显。除了时效24 h试样的抗拉强度的IPA值有所降低外, 在本实验采用的时效时间范围内, 其他性能指标的IPA值都相应地随时效时间的延长而有所增加, 并且, 随着时效时间的延长IPA值的增幅在减小。

合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率随取样方向和时效状态的演化如图3所示。合金时效4 h后便具有了明显的各向异性。总之, 合金在轧制方向和横向的强度较高, 而45°, 60°方向的强度较低。其中, 对于屈服强度而言, 轧制方向的值最大, 45°方向的值最小; 而对于抗拉强度而言, 横向的值最大, 60°方向的值最小。合金延伸率的变化则有所不同: 在各种时效状态均是45°, 60°方向的延伸率值最大, 横向和30°方向的次之, 轧制方向的值最小。

图2 1420铝锂合金120 ℃时效硬化曲线

Fig.2 Aging hardening curve at 120 ℃ of 1420 Al-Li alloy

表2 试样的拉伸力学性能*

Table 2 Mechanical properties of the tensile specimens

状态	4 h			12 h			24 h
状态	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ/%
0°	489.9	373.9	9.7	504.7	402.4	8.1	512.4	432.6	6.5
30°	487.4	352.2	12.7	503.5	364.8	10.8	510.3	373.9	10.2
45°	466.8	302.8	17.4	477.4	310.4	15.9	499.1	334.4	15.2
60°	452.7	316.8	18.5	473.4	331.4	17.1	492.3	337.3	16.4
90°	508.5	360.9	11.2	526.8	373.2	10.2	536.1	420.8	9.8
IPA/%	6.7	10.9	31.1	7.0	14.3	34.2	6.1	15.2	36.4

* IPA= (4X_max-X_mid1-X_mid2-X_mid3-X_min) /4X_max×100%, 其中, X_max, X_min, X_mid分别表示强塑性指标 (σ_b, σ_0.2, δ) 各自所对应5个方向上的数值中的最大值、最小值及中间值 (1, 2, 3分别表示3个中间值) 。

图3 1420铝锂合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率在不同时效状态下随取样方向的变化

Fig.3 Variation of tensile strength and yield strength and elongation of 1420 Al-Li alloy with sampling direction

2.3 显微组织及拉伸断口形貌

图4所示为1420铝锂合金在120 ℃时效12 h后的三维金相显微组织。在轧制平面内, 大小晶粒并存。横截面和纵截面内均为普遍的流线变形组织, 其内还有少量细小的再结晶晶粒。晶粒的空间形貌为薄饼状, 且其界面平行于轧面。

图5所示为经120 ℃时效12 h所得的1420铝

图4 1420铝锂合金时效120 ℃时效12 h的显微组织 (a) 轧制平面; (b) 横截面; (c) 纵截面

Fig.4 Optical microstructures of 1420 Al-Li alloy aged at 120 ℃ for 12 h

图5 1420铝锂合金拉伸断口形貌 (120 ℃时效12 h处理) (a) 断口宏观形貌; (b) 轧向; (c) 45° 方向; (d) 横向

Fig.5 Fractograph of 1420 Al-Li alloy aged at 120 ℃ for 12 h

锂合金拉伸断口形貌随不同取样方向的变化。其中, 图5 (a) 为断口的宏观形貌, 图5 (b) , (c) , (d) 分别为轧向 (0°) 、 45°方向、横向 (90°) 取样的拉伸断口的微观SEM观察形貌。从宏观断口形貌中可以看出, 45°方向取的试样, 其断口与拉伸轴垂直, 断口处有很明显的宏观塑性变形痕迹; 沿轧制方向和横向取的试样, 其断口与拉伸轴约呈45°角, 其中, 横向样断口处稍有宏观塑性变形的迹象, 而轧向样看不出有宏观塑性变形的痕迹。

从断口的微观形貌中可以看出, 3个试样的断口形貌主要为典型的沿晶和沿亚晶分层开裂。其中, 45°方向试样的断口上有较多的韧窝和韧性脊, 而且韧窝较深、较大; 轧制方向试样的断口上韧窝很少, 且小和浅, 并且有较多深的沿晶二次裂纹; 横向试样的断口形貌介于以上二者之间, 分层尺寸及比例和韧窝的大小数量不同。

3 讨论

1420铝锂合金中的主要强化相是δ′相 (Al₃Li) , 由于该合金中含有较多的Mg, 它的存在可以降低Li在Al中的固溶度, 从而促进了δ′相的析出, 使得δ′相的体积分数较大, 正是由于大量δ′相的析出才使合金具有十分显著的时效特性。然而, 由于Li原子和空位之间有较高的结合能, 致使Li原子被空位俘获而使自由的Li原子数量减少, Li原子扩散速率减慢, 致使粒子长大缓慢, 使得强度上升平缓。

从合金的拉伸力学性能、各向异性指标IPA值和断口形貌都可以清楚地看出, 该合金的力学性能具有明显的各向异性。据Rioja等 ^[4] 报道, 材料的各向异性主要源于其晶体学织构、晶粒形貌和时效析出相等的交互作用。前人所做的实验结果表明, 1420铝锂合金板材在热轧过程中会形成高密度的织构, 这必然会增加合金力学性能的各向异性。 Cho等 ^[5] 已经研究表明, 当晶内最大切应力的方向与晶界的方向一致时, 材料具有较低的屈服强度。当材料中具有延伸变形了的非等轴晶粒时, 合金的各向异性会增加。本合金的晶粒组织呈沿轧向延伸了的薄饼状, 因此在拉伸试验中, 对于不同方位的试样, 外加应力引起的晶内最大切应力的方向与晶界的方向之间的夹角不同, 集中于晶界处的位错向晶内运动的难易程度不同, 造成合金的变形难易程度及变形方式不同, 这样便影响了合金力学性能的各向异性。

除了因变形引起的晶体学织构和晶粒形貌会造成1420铝锂合金的各向异性外, 1420铝锂合金中主要强化相δ′相的特征也必将影响到该合金的各向异性 ^[6,7] 。 δ′相对合金力学性能的各向异性的影响是与其容易被位错切过而产生共面滑移相关的。 Vasudeven等 ^[8] 认为, 如果析出相不可切过, 则它对合金的各向异性没有影响。但是, 在时效之初至峰值时效之前, 由于δ′相的弥散细小分布, 位错运动难以绕过δ′相粒子, δ′相是被运动位错切过的。这样, 它易于诱发位错的共面滑移, 将变形限制于几个可动的滑移面上, 使合金的变形出现不均匀, 增加了合金的各向异性。此外, 由于δ′相与基体共格, 晶粒的择优取向也会使δ′相的分布具有择优取向。该1420铝锂合金力学性能具有的明显的各向异性正是前面所述的合金中晶体学织构、晶粒形貌及时效析出相对合金交互作用的结果。

在达到峰时效之前, 随着时效时间的延长, 合金力学性能的各向异性在增加, 而增幅在减小, 这种表现主要是由δ′相的析出特征引起的。在时效初期, 随着时效的进行, δ′相的体积分数和粒子数目增多, 滑移面软化将加剧, δ′相对合金的各向异性的作用增强; 同时, 随着时效的进行, δ′相的尺寸增大, 位错切过δ′相粒子的阻力增大, 加上由于粒子间距增加而引起位错绕过的增多, 从而减少了共面滑移, 使得合金各向异性的增幅逐渐减小。当合金达到峰值时效时, 各向异性可能达到最大值。到过时效阶段, 随着δ′相聚集粗化, δ′相粒子间距变大, 位错变得更容易绕过, 由此共面滑移减少, 变形变得均匀一些, 使得合金力学性能的各向异性降低。