楊　霞，劉崇宇，李　釗，任靜心，陳錦清，曲　博

(桂林理工大學(xué) a.測繪地理信息學(xué)院；b.廣西有色金屬及特色材料加工教育部重點(diǎn)實驗室；c.有色金屬清潔冶煉與綜合利用廣西高校重點(diǎn)實驗室，廣西 桂林 541004)

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軋制變形對Al-20wt.%Zn合金結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

楊霞a，劉崇宇b, c,*，李釗b，任靜心b，陳錦清b，曲博b

(桂林理工大學(xué) a.測繪地理信息學(xué)院；b.廣西有色金屬及特色材料加工教育部重點(diǎn)實驗室；c.有色金屬清潔冶煉與綜合利用廣西高校重點(diǎn)實驗室，廣西 桂林 541004)

摘要：對固溶處理后的Al-20wt.%Zn合金進(jìn)行室溫軋制變形，發(fā)現(xiàn)隨壓下量的增加，該合金的晶粒尺寸不斷下降,位錯密度不斷增加,Zn在Al晶格中的溶解度不斷下降,Zn析出相數(shù)量不斷增加。Zn-Al合金的硬度性能測試表明，Al-20wt.%Zn合金的硬度隨壓下量增加而不斷增加，并在92%條件下達(dá)到峰值，為119 Hv。

關(guān)鍵詞：鋁合金；軋制；微觀結(jié)構(gòu)；硬度

0引言

作為7XXX鋁合金的基礎(chǔ)，Al-Zn二元體系廣受關(guān)注[1-5]。由Al-Zn二元相圖可知，常溫環(huán)境下，Zn在Al晶格中的溶解度極低，但在高溫環(huán)境下，Zn原子可大量溶解在Al晶格中。因此，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可制備出過飽和的Al-Zn二元合金，且該合金具有較高的晶格畸變能。

以往的研究表明，劇烈塑性變形，如高壓扭轉(zhuǎn)可使過飽和Al-Zn合金發(fā)生分解，并大幅降低合金的固溶強(qiáng)化效果。盡管由塑性變形引起的晶粒細(xì)化及位錯密度增加可分別提高合金的晶界強(qiáng)化及加工硬化，進(jìn)而起到強(qiáng)化合金的作用，但是，由于固溶強(qiáng)化的下降，綜合作用使得Al-Zn合金在高壓扭轉(zhuǎn)過程中表現(xiàn)出加工軟化這一反常的力學(xué)行為。

軋制變形是另外一種重要的塑性變形工藝[6,7]。不同于高壓扭轉(zhuǎn)，軋制具有更高的變形速率。因此相比于高壓扭轉(zhuǎn)，軋制過程中，Zn原子在Al晶格中具有較低的遷移能力，進(jìn)而導(dǎo)致固溶體分解與納米相析出較為困難。

本研究擬探索Al-Zn合金在軋制變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能變化規(guī)律，并分析Al-Zn合金經(jīng)不同變形量軋制后的強(qiáng)化機(jī)制。

1實驗

采用高純Al和Zn為原材料，在真空環(huán)境下熔煉、鑄造制備Al-20wt.%Zn合金。對制備的Al-20wt.%Zn合金進(jìn)行固溶處理(550 ℃保溫3 h后水冷至室溫)后，進(jìn)行多道次室溫軋制。最終軋制壓下量為92%。軋制過程中不使用潤滑劑，軋制速度為0.5 m/s。

采用X射線衍射儀(XRD)對所有樣品進(jìn)行相組成分析。分別采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。采用維氏硬度計對樣品顯微硬度進(jìn)行測試。

2結(jié)果及討論

固溶處理后Al-20wt.%Zn合金的SEM照片及該合金的能譜面掃描圖見圖1。由圖1可見，Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過固溶處理后Al和Zn元素分布均勻。

圖1　固溶處理后SEM照片分布圖Fig.1　Distribution of SEM photograph after soild solution treatment

固溶處理后Al-20wt.%Zn合金的TEM照片及XRD圖譜見圖2。由圖2(a)可見，Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過固溶處理后Zn原子完全固溶到Al晶格中，未見Zn相存在。水冷過程釋放的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生位錯線。XRD圖譜也未見Zn相衍射峰的存在(圖2(b))。

圖2　固溶處理后Al-20wt.%Zn合金TEM照片(a),X射線衍射圖譜(b)Fig.2　TEM(a) and XRD of Al-20wt.%Zn after solid solution treatment(b)

圖3　不同軋制壓下量下Al-20wt.%Zn合金光學(xué)顯微鏡照片：0(a)、15%(b)、50%(c和d)、65%(e)、75%(f)、92%(g)Fig.3　OM of Al-20wt.%Zn after different rolling reduction ratio: 0(a)、15%(b)、50%(c and d)、65%(e)、75%(f)、92%(g)

固溶態(tài)Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過不同壓下量軋制后的光學(xué)顯微鏡照片見圖3。由圖3(a)可見，固溶態(tài)Al-20wt.%Zn合金的晶粒形狀為等軸狀，平均尺寸約為300 μm。經(jīng)過15%壓下量軋制后，Al晶粒沿軋制方向被略微拉長見圖3(b)。Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過50%的壓下量軋制后的中心部位及表面附近的顯微結(jié)構(gòu)照片見圖3(c)和圖3(d)。該樣品各處晶粒均被明顯拉長。不同的是，與中心部位相比，表面附近區(qū)域由于受到更多軋輥摩擦力的作用，而在該區(qū)域的晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量剪切帶，且剪切帶與軋制方向相差45°。當(dāng)壓下量增至65%后，Al-20wt.%Zn合金各處晶粒內(nèi)均出現(xiàn)大量剪切帶(圖3(e))。由圖3(f)可見，Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過75%壓下量軋制后，晶粒尺寸大幅細(xì)化，且剪切帶數(shù)量減少。當(dāng)壓下量增至92%后，Al-20wt.%Zn合金的內(nèi)部組織呈現(xiàn)纖維狀(圖3(g))。

Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過92%壓下量軋制后的TEM照片及XRD圖譜見圖4。由圖4(a)可見，Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過92%壓下量軋制后，合金內(nèi)部產(chǎn)生高密度位錯和尺寸<100 nm的析出相(如白色箭頭所示)。明顯的Zn相衍射峰出現(xiàn)在圖4(b)中，因此圖4(a)中的析出相為Zn相。

圖4　Al-20wt.%Zn合金經(jīng)92%軋制壓下量后的TEM照片(a)，X射線衍射圖譜(b)Fig.4　TEM (a) and XRD (b) of Al-20wt.%Zn after 92% rolling reduction ratio

固溶態(tài)Al-20wt.%Zn合金在軋制過程中，晶粒不斷被拉長。同時，被拉長的晶粒被不斷產(chǎn)生的剪切帶切斷，因此，隨著壓下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不斷下降。軋制變形導(dǎo)致大量晶體缺陷，如位錯、空位和晶界的產(chǎn)生。這些晶體缺陷為溶質(zhì)原子的擴(kuò)散提供大量的通道，因此，隨軋制壓下量的增加，Zn原子不斷聚集、偏析、形成團(tuán)簇、從鋁基體中析出，最后形成納米沉淀相。

Al-20wt.%Zn合金的顯微硬度隨軋制壓下量變化曲線見圖5。由圖5可見，固溶態(tài)Al-20wt.%Zn合金的顯微硬度為65 Hv，隨壓下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的顯微硬度不斷增加，當(dāng)壓下量為92%時，顯微硬度高達(dá)119 Hv。

圖5　不同軋制壓下量Al-20wt.%Zn合金的顯微硬度Fig.5　Vickers hardness of Al-20wt.%Zn after different rolling reduction ratios

固溶處理后的Al-20wt.%Zn合金的強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化。軋制過程中，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不斷下降，位錯密度不斷升高，且大量納米相析出。因此軋制后Al-20wt.%Zn合金的強(qiáng)化機(jī)制主要為由晶粒細(xì)化導(dǎo)致的晶界強(qiáng)化、位錯密度增加導(dǎo)致的加工硬化、納米析出相引起的沉淀強(qiáng)化。盡管軋制過程導(dǎo)致的動態(tài)析出弱化了Al-20wt.%Zn合金的固溶強(qiáng)化效果，但是綜合其他強(qiáng)化因素，該合金的硬度隨壓下量的增加而不斷增加。

3結(jié)論

對固溶處理后的Al-20wt.%Zn合金進(jìn)行不同變形量的室溫軋制變形，對各樣品的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行表征及分析，得到以下結(jié)論：

1)固溶處理后的Al-20wt.%Zn合金元素分布均勻，晶粒尺寸大約為300 μm，位錯密度較低，無析出相產(chǎn)生；

2)軋制過程中，隨壓下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的晶粒尺寸不斷細(xì)化；

3)Al-20wt.%Zn合金經(jīng)過92%壓下量軋制后，位錯密度大幅增加，且Zn原子從鋁晶格中析出，形成納米析出相；

4)隨軋制壓下量的增加，Al-20wt.%Zn合金的硬度不斷增加，并在92%軋制壓下量條件下達(dá)到峰值，為119 Hv。該條件下得到合金的主要強(qiáng)化機(jī)制包括：晶界強(qiáng)化、加工硬化和沉淀強(qiáng)化。

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Effects of rolling deformation on the microstructures and mechanical properties of Al-20wt.% Zn alloy

YANG Xiaa, LIU Chong-Yub,c,*, LI Zhaob, REN Jing-Xinb, CHEN Jin-Qingb,QU Bob

(GuilinUniversityofTechnology,a.CollegeofGeomaticsandGeoinformation;b.KeyLaboratoryofNewProcessingTechnologyforNonferrousMetal&Materials,MinistryofEducation;c.GuangxiKeyLaboratoryofUniversitiesforCleanMetallurgyandComprehensiveUtilizationofNon-ferrousMetalResources,Guilin541004,Guangxi,China)

Abstract：A solid solution treated binary Al-20%Zn alloy was deformed by rolling at room temperature. With increasing of deformation degree, the grain size of Al matrix decreases, density of dislocation increases, solubility of Zn atom in Al lattice decreases, and the number of Zn precipitate phase increases. The hardness of the Zn-Al alloys was also investigated, results showed that the hardness value increases with the increases of deformation degree, and reaches up to 119 Hv at 92% reduction ratio.

Key words：Al alloy; rolling; microstructures; hardness

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.009

收稿日期：2015-09-23;

修訂日期：2015-10-11

基金項目：廣西自然科學(xué)基金資助項目(2015GXNSFBA139238);桂林理工大學(xué)博士科研啟動項目(65030201)；廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(KY2015ZD050)

作者簡介：楊霞(1986-)，女，江西鷹潭人，助教，碩士，研究方向：航空材料及無人機(jī)技術(shù)，E-mail: yangxia@glut.edu.cn；*通訊作者：劉崇宇(1984-)，男，遼寧營口人，講師，博士，研究方向：有色金屬材料加工，E-mail:lcy261@glut.edu.cn。

中圖分類號：TG146

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0046-04

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.008.html