不同取向条件下Al-Cu-Mg-Sc-Zr合金薄板的组织与性能

郭加林^{1, 2}，尹志民¹，唐蓓¹，商宝川¹，何振波^{1, 3}

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 广东豪美铝业有限公司，广东 清远，510542；

3. 东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨，150060)

摘要：采用室温拉伸性能测试、金相组织观察、透射电子显微分析以及取向分布函数(ODF)测定研究T3态Al-Cu-Mg-Sc-Zr合金(2524SZ-T3)薄板在不同取向条件下的显微组织和力学性能。研究结果表明：合金薄板在与轧制方向呈30°，60°和90°方向上的强度较0°和45°方向上的强度稍低，伸长率则在60°方向上最高，薄板的抗拉强度、屈服强度和伸长率平面各向异性指数分别为0.9%，3.3%和6.6%；2524SZ-T3态铝合金薄板具有明显的再结晶织构{110}和Cube_ND旋转立方织构{001}，同时还保留较弱的轧制织构即Goss织构{011};不同取向条件下2524SZ-T3合金薄板的平面各向异性与合金的晶粒结构以及晶体学织构密切相关。

关键词：钪；锆；Al-Cu-Mg合金；平面各向异性；取向分布函数(ODF)；晶体学织构

中图分类号：TG146.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)07-1923-05

Microstructure and properties of Al-Cu-Mg-Sc-Zr aluminum alloy

 sheet at different orientations

GUO Jia-lin^{1, 2}, YIN Zhi-min¹, TANG Pei¹, SHANG Bao-chuan¹, HE Zhen-bo^{1, 3}

 (1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Guangdong Haomei Aluminium Co. Ltd., Qingyuan 510542, China;

3. Northeast Light Alloy Co. Ltd., Harbin 150060, China)

Abstract: The microstructures and tensile properties of Al-Cu-Mg-Sc-Zr alloy sheet under T3 condition(2524SZ-T3) at different orientations were investigated by tensile test, OM, TEM and orientation distribution functions (ODF) analysis. The results show that the strengths of the sheet orientated 30°, 60° and 90° with respect to the rolling direction are lower than those of specimens orientated 0° and 45° with respect to the rolling direction, and the elongation of the sheet orientated 60° with respect to the rolling direction is the highest. The index of in-plane anisotropy of σ_b, δ₅ and σ_0.2 of the sheet is 0.9%, 3.3% and 6.6%, respectively. The major texture of 2524SZ-T3 alloy sheet is of recrystallization texture {110} and Cube_ND recrystallization texture {001}. There are some minor Goss rolling textures {011}. The in-plane anisotropy of mechanical properties of the sheet at different orientations is closely related to the grain structure and crystallography orientation.

Key words: scandium; zirconium; Al-Cu-Mg alloy; in-plane anisotropy; orientation distribution functions (ODF); crystallographic texture

2524合金是继2024合金和2124合金之后被开发出来的高强度、高韧度、高损伤容限的Al-Cu-Mg系合金^[1-3]，其中，2524-T3铝合金薄板主要用作飞机的蒙皮。近年来，国内外科研人员在2524合金的基础 上，采用微量钪和锆合金化方法对合金进行改性，结果表明微量钪和锆元素能显著提高合金的综合力学性能^[4-6]。目前，人们对合金板材力学性能的平面各向异性研究还鲜见报道。合金板材力学性能的平面各向异性给合金的使用带来了许多局限，在工程设计时只能以性能较低的方向作为设计依据，同时会增加材料成型加工时的难度，所以，平面各向异性是研制高性能铝合金板材必须考虑的一个重要性能指标。在此，本文作者研制用微量钪和锆合金化的2524铝合金(简称2524SZ)薄板，研究不同取向条件下T3态2524SZ合金薄板的力学性能，测试薄板力学性能平面各向异性的程度，并从晶粒结构、晶体学织构入手，探讨2524SZ-T3铝合金薄板力学性能平面各向异性与微观组织结构的关系，以便为这种新合金的工程应用提供理论和实验依据。

1  材料与实验方法

1.1  材料

实验用合金为2 mm厚的薄板，合金成分(质量分数)见表1。铸锭均匀化工艺为480~490 ℃/12 h；400~430 ℃/6 h热轧至厚度为6 mm再冷轧至2.2 mm；之后按规范进行T3处理(简称2524SZ-T3)，即冷轧板经498 ℃/60 min盐浴固溶水淬后，压光矫直至厚度为2.0 mm，再自然时效96 h。

表1  2524SZ合金化学成分(质量分数)

      Table 1  Chemical composition of 2524SZ      %

1.2  拉伸力学性能测试

拉伸力学性能样品取自2524SZ-T3合金薄板。在轧制面内对试样沿与轧制方向呈0°(轧向)，30°，45°，60°和90°(横向)共5个方向上切取拉伸试样(图1)。试样按照GB 6397—86《金属拉伸试验试样》的规定进行加工，之后在CSS-44100材料实验机上进行实验。

1.3  平面各向异性指数的计算

按文献[7-8]提供的下式进行计算平面各向异性指数I_PA：

I_PA＝(4X_max-X_mid1-X_mid2-X_mid3-X_min)/(4X_max­­)×100%  (1)

其中：X_max和X_min分别表示5个取样方向上抗拉强度σ_b、屈服强度σ_0.2或伸长率δ的最大值和最小值；X_mid1，X_mid2和X_mid3分别对应σ_b，σ_0.2和δ的中间值。

图1  合金薄板拉伸试样取样方向

Fig.1  Tensile specimens of different orientations in rolling plane of alloy sheet

1.4  合金薄板的极图和取向分布函数测定

极图测定采用Schulz反射法在BRUKER全自动X线衍射仪上进行，仪器工作参数为：40 kV，40 mA，采用Cu K_α耙。所测极图为{11l}，{200}，{220}和{311}(0°≤α≤75°)。极图数据经散焦与基底修正后，采用Bunge级数展开法计算取向分布函数。

1.5  合金的显微组织观察

金相样品取自2524SZ-T3合金薄板的轧面、横截面和纵截面，金相显微分析在POLYVER-MET显微镜上进行，样品采用Keller试剂腐蚀。透射电镜薄膜样品经机械预减薄后采用双喷电解减薄，电解液是体积分数为30%硝酸和70%的甲醇混合液，电解减薄温度低于-20 ℃。透射电子显微组织观察在TECNAI G²20电镜上进行，加速电压为200 kV。

2  实验结果

2.1  不同取向条件下2524SZ-T3合金薄板的力学  性能

不同取向条件下2524SZ-T3合金薄板的拉伸力学性能测试结果见表2。

表2  2524SZ-T3合金薄板拉伸力学性能和平面各向异性指数

Table 2  Tensile mechanical properties and in-plane anisotropy of 2524SZ-T3 alloy sheet

从表2可见：2524SZ-T3合金薄板有一定的力学性能平面各向异性，总的趋势是：在与轧制方向呈 30°，60°和90°方向上的强度较0°和45°方向上的强度低；伸长率则在60°方向上最高；合金薄板的屈服强度和伸长率平面各向异性指数I_PA比抗拉强度的大，合金薄板纵向屈服强度比横向屈服强度高18 MPa。

2.2  2524SZ-T3合金薄板的取向分布函数

2524SZ-T3合金薄板的取向分布函数(ODF)如图2所示。对于立方晶系材料，主要织构组分可以从恒φ₂=0°和恒φ₂=45°的ODF截面图上得出。结果表明2524SZ合金再结晶织构主要由2种取向构成：一种是{110}取向^[9]，该取向在单相合金中并不出现，因而可断定其形成与第二相粒子有关；另一种绕法向(ND)旋转约22°的立方取向^[10]，在此记为Cube_ND。此外，还有较弱的Goss取向。这3种取向在Euler空间中的位置如表3所示。

采用粒子群优化算法^[11](Particle swarm optimization)定量计算2524SZ-T3合金薄板织构的体积分数，如表3所示。从表3可以看到：{110}织构和Cube_ND旋转立方织构的体积分数较大，而Goss织构的体积分数较小，其他晶粒取向体积分数则呈随机分布。

图2  2524SZ-T3合金薄板的取向分布函数

Fig.2  ODF of 2524SZ-T3 alloy sheet

表3  计算得到的2524SZ-T3合金薄板织构的体积分数

Table 3  Calculated volume fraction of textures in 2524SZ-T3 alloy sheet

2.3  2524SZ-T3合金薄板的显微组织结构

对2524SZ-T3合金薄板的金相组织和透射电子显微组织进行观察和分析，结构见图3和图4。从图3可见：薄板为不完全的再结晶组织，晶粒粒径比较小。从图4可见：薄板具有明显的位错亚结构(图4(a))，基体内除Al₆Mn相外，还存在一种与基体共格的蹄印形粒子，根据文献[12-13]，它是Al₃(Sc,Zr)粒子(图4(b))。

图3  2524SZ-T3合金薄板的金相组织

Fig.3 Metallographic microstructures of 2524SZ-T3 alloy sheet

图4  2524SZ-T3合金薄板的透射电子显微组织

Fig.4  TEM microstructures of 2524SZ-T3 alloy sheet

3  分析与讨论

力学性能的平面各向异性与合金的晶粒结构和晶体学取向密切有关^[14-15]。T3态合金晶粒比较细小，为非完全的再结晶组织，还保留部分纤维状组织，从而在宏观上造成合金在不同方向的变形程度及变形方式存在差异，也可以预见晶粒组织结构的各向异性对薄板力学性能的各向异性有一定的影响。晶体学取向对力学性能的各向异性也会产生影响。

从ODF织构分析可以看到：合金薄板中主要的织构为{110}和Cube_ND旋转立方织构。为了便于分析织构对2524SZ合金力学性能各向异性的影响，可将合金薄板简化为含2种单组分织构晶粒组成的多晶体薄板。

单组分织构薄板的屈服强度σ_0.2可表示为^[16]：σ_0.2= τ_c/(cos φcos λ)_max(其中：λ为外加载荷与滑移方向的夹角；τ_c为临界分切应力)。当τ_c为1时， cos φcos λ称为Schmid因子η_s，(cos φcos λ)_max为拉伸轴向[uvw]相应的η_s的最大值η_smax，则有：σ_0.2=1/η_smax。按照文献[14]中的计算方法可以分别计算出2种织构在不同取向条件下的Schmid因子最大值η_smax，见表4。

表4  计算得到的2524SZ-T3合金薄板2种织构在不同取向条件下的Schmid因子最大值η_smax

Table 4  Calculated maximum Schmid factors (η_smax) of two textures of 2524SZ-T3 alloy sheet at various tensile orientations

将表4中2种织构不同取向条件下的Schmid因子最大值η_smax与2种织构的体积分数加权平均，所得结果见表5。

表5  权重得到的2524SZ-T3合金薄板在不同取向条件下的Schmid因子最大值η_smax及其倒数1/η_smax

Table 5  Weighted maximum Schmid factors (η_smax) and reciprocals of maximum Schmid factor (1/η_smax) of 2524SZ-T3 alloy sheet at various tensile orientations

从表5可见：所研究的合金薄板在与轧向呈30°，45°，60°和90°方向上的1/η_smax较低，0°方向上的1/η_smax较高。根据表5和文献[16]可以得出：合金薄板在与轧向呈30°，45°，60°和90°方向上的屈服强度σ_0.2较低，而0°方向上的屈服强度σ_0.2较高。这与表2和图2的实验结果一致，说明晶体学织构对合金平面力学性能各向异性有一定影响。

4  结论

(1) T3态的2524SZ合金薄板与轧制方向呈30°，60°和90°方向上的薄板强度较0°和45°方向上的强度低，伸长率则在60°方向上最高，合金薄板的抗拉强度、屈服强度和伸长率平面各向异性指数分别为0.9%，3.3% 和6.6%。

(2) T3态的2524SZ合金薄板的主要织构为{110}和Cube_ND旋转立方织构{001}，此外，还有较弱的Goss织构{011}。

(3) T3态的2524SZ合金薄板的平面各向异性与合金的晶粒结构以及晶体学织构密切相关。

参考文献：

[1] Nakai M, Eto T. New aspects of development of high strength aluminum alloys for aerospace applications[J]. Materials Science and Engineering A, 2000, 285(1/2): 62-68.

[2] Jr Starke E A, Staley J T. Application of modern aluminum alloys to aircraft[J]. Progress in Aerospace Science, 1996, 32(2/3): 166-170.

[3] Gondhalekar Vasant, Patni K. New 2××× aluminum aircraft alloys[J]. Advanced Materials and Process, 1996, 149(3): 24-25.

[4] Hansson I L H, Tack William T. Aluminum alloys containing scandium with zirconium additions: USA, US005620652[P]. 1997-04-15.

[5] Warner T. Recently-developed aluminum solutions for aerospace applications[J]. Materials Science Forum, 2006, 519/521(2): 1271-1278.

[6] 王华, 尹志民, 郭加林, 等. 用微量Sc、Zr合金化的2524合金薄板的疲劳特性[C]//第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集. 西安, 2008: 307-312.
WANG Hua, YIN Zhi-min, GUO Jia-lin, et al. Fatigue properties of 2524 alloy sheet with minor scandium and zirconium[C]//Proceedings of 14th Fatigue & Fracture Conference. Xi’an, 2008: 307-312.

[7] Jata K V, Hopkins A K, Rioja R J. The anisotropy and texture of Al-Li alloys[J]. Materials Science Forum, 1996, 217/222(1): 647-652.

[8] Singh R K, Singh A K, Eswara Prasad N. Texture and mechanical property anisotropy in an Al-Mg-Si-Cu alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2000, 277: 114-122.

[9] 陈扬, 赵刚, 刘春明, 等. 冷轧6111铝合金板材固溶处理后的再结晶织构[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(2): 333-338.
CHEN Yang, ZHAO Gang, LIU Chun-ming, et al. Recrystallization texture in cool rolled sheet of Al alloy 6111 after solution treatment[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(2): 333-338.

[10] Engler O, Lucke K. Mechanism of recrystallization texture formation in aluminum alloys[J]. Scripta Metallurgica, 1992, 22(11): 1527-1532.

[11] TANG Jian-guo, ZHANG Xin-ming, DENG Yun-lai, et al. Texture decomposition with particle swarm optimization method[J]. Computational Materials Science, 2006, 38(1/2): 395-399.

[12] NIE Bo, YIN Zhi-min, ZHU Da-peng, et al. Effect of homogenization Treatment on microstructure and properties of Al-Mg-Mn-Sc-Zr alloy[J]. Journal of Central South University of Technology, 2007, 14(4): 452-455.

[13] YIN Zhi-min, PAN Qing-lin, JIANG Feng. Effect of minor Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al-Mg based alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2000, 280: 151-153.

[14] 郭加林, 尹志民, 商宝川, 等. 2524铝合金薄板平面各向异性研究[J]. 航空材料学报, 2009, 29(1): 1-6.
GUO Jia-lin, YIN Zhi-min, SHANG Bao-chuan, et al. Study on in-plane anisotropy of 2524 aluminum alloy sheet[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2009, 29(1): 1-6.

[15] PENG Yong-yi, YIN Zhi-min, YANG Jin, et al. In-plane anisotropy of 1545 aluminum alloy sheet[J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2005, 15(1): 87-92.

[16] Cho K K, Chung Y H, Lee C W, et al. Effects of grain shape and texture on the yield strength anisotropy of Al-Li alloy sheet[J]. Scripta Materialia, 1999, 40(6): 651.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-20；修回日期：2011-09-02

基金项目：国家重点基础研究计划(“973”计划)项目(G2005CB623705)

通信作者：尹志民(1946-)，男，湖南湘乡人，教授，从事高性能铝合金的研究；电话：0731-88830262；E-mail: yin-grp@csu.edu.cn