溫培剛，李國(guó)愛，陸 政，趙亮亮

(北京航空材料研究院，北京 100083)

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時(shí)效處理對(duì)鋁鋰合金斷裂行為的影響

溫培剛，李國(guó)愛，陸 政，趙亮亮

(北京航空材料研究院，北京 100083)

通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡、透射電鏡等設(shè)備對(duì)不同時(shí)效工藝下鋁鋰合金厚板的拉伸性能、微觀組織以及斷裂特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：隨人工時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，合金的高向強(qiáng)度迅速增加，同時(shí)延伸率快速降低，合金的斷裂方式也由穿晶滑移剪切+沿晶混合斷口轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭兊难鼐嗫凇r(shí)效過(guò)程中晶內(nèi)析出了大量的T1相，提高了晶內(nèi)強(qiáng)度，抑制了拉伸過(guò)程中晶內(nèi)的協(xié)調(diào)變形，降低了合金的塑性并導(dǎo)致合金沿晶開裂。

鋁鋰合金；斷裂特征；T1析出相；人工時(shí)效；拉伸性能

0 引言

Al-Cu-Li系鋁鋰合金由于具有高比強(qiáng)、高比剛、優(yōu)良的耐損傷以及良好的斷裂韌度等性能，成為現(xiàn)階段鋁鋰合金研究的重點(diǎn)[1-3]。由于加入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Li可以帶來(lái)3%的密度減重，并使彈性模量增加6%[4]，在航空領(lǐng)域，采用具有高綜合性能的Al-Cu-Li系合金替代傳統(tǒng)的7xxx系鋁合金可以起到很好的減重、延壽的效果。作為時(shí)效強(qiáng)化型合金，Al-Cu-Li系鋁鋰合金中最為主要的析出相Al2CuLi(T1)、δ′相的尺寸及分布直接影響了Al-Cu-Li系合金的綜合性能[5-7]。

為了調(diào)控析出相的類型及分布，眾多研究者在主合金元素Cu：Li比例、微合金化元素以及時(shí)效工藝方面開展了大量研究[8-10]，并取得了較多的成果。如適當(dāng)增加Cu：Li比可以促進(jìn)T1相的析出，縮短峰值時(shí)效時(shí)間[8]；采用多級(jí)時(shí)效的工藝，可以在保證合金綜合性能的同時(shí)提高合金的塑性；采取淬火后的預(yù)拉伸可以促進(jìn)T1相的析出[7]，再提高強(qiáng)度的同時(shí)改善合金的耐蝕性能等。目前，這些研究多集中于析出相與合金的疲勞、強(qiáng)度、耐腐蝕性能等方面[9-10]，關(guān)于析出相對(duì)合金斷裂行為影響研究的相對(duì)較少。

隨著航空領(lǐng)域可靠性設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，對(duì)鋁鋰合金的綜合性能提出了更高的要求，特別是作為主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用的厚板，對(duì)厚度方向的強(qiáng)度、塑性等提出了嚴(yán)格要求，合金的斷裂方式對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也起著重要的作用。因此，針對(duì)航空領(lǐng)域的高可靠性需求，系統(tǒng)的研究鋁鋰合金厚板時(shí)效工藝對(duì)最薄弱方向——短橫向(高向)性能及斷裂方式的影響規(guī)律對(duì)于新合金的開發(fā)及應(yīng)用具有非常重要的意義。

本研究以國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的一種新型鋁鋰合金為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了不同時(shí)效工藝下合金高向的拉伸性能及斷裂方式，結(jié)合透射電鏡(TEM)觀察結(jié)果，初步明確析出相對(duì)合金斷裂行為的影響機(jī)制，從而為鋁鋰合金的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為工業(yè)化制備的80 mm厚熱板材，化學(xué)成分組成為3.85%Cu、1.40%Li、0.33%Mg、0.50%Zn、0.36%Mn、0.12%Zr、≤0.01%Ti、0.06%Fe、0.08%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，余量為Al。板材經(jīng)520 ℃，480 min固溶處理，室溫水淬火，隨后進(jìn)行4.5%的預(yù)拉伸處理。將預(yù)拉伸后的合金分別進(jìn)行室溫自然時(shí)效，150 ℃/8 h、150 ℃/12 h的人工時(shí)效處理，狀態(tài)分別定義為T34、T8a、T8b。

將不同時(shí)效狀態(tài)的合金沿高向取樣，加工成拉伸試樣，在INSTRON型拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為1 mm/min，試驗(yàn)按HB 5143—1996進(jìn)行，測(cè)量合金的拉伸性能，最終取3個(gè)有效值的平均值。拉伸斷口形貌觀察在JSA-6360LA掃描電鏡上進(jìn)行。

將不同狀態(tài)試樣線沿厚度方向切割成0.5 mm薄片，然后經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨至70 μm左右，在雙噴電解儀上制備透射電鏡試樣，操作溫度為-20 ℃，操作電壓為20～25 V，電流為90～100 mA，雙噴電解液為30% HNO3+70% CH3OH(體積分?jǐn)?shù))。將制備好的試樣在JEM-2000CX型電鏡上進(jìn)行觀察，加速電壓為160 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同時(shí)效工藝下合金的高向拉伸性能

圖1是自然時(shí)效及不同人工時(shí)效處理后合金高向拉伸性能曲線，可以發(fā)現(xiàn)，人工時(shí)效處理后合金的強(qiáng)度較自然時(shí)效狀態(tài)顯著增加，屈服強(qiáng)度σ0.2從284 MPa增加到約400 MPa，抗拉強(qiáng)度σb從409 MPa增加到約500 MPa，同時(shí)延伸率δ快速降低，從9.6%降低至1.8%。

2.2 斷口形貌特征

圖2是3種時(shí)效狀態(tài)高向拉伸試樣的斷口掃描照片。從宏觀形貌上相比，T34狀態(tài)斷口起伏較大，具有較大的撕裂棱，T8a狀態(tài)的斷口相對(duì)平齊，邊部區(qū)域具有小的撕裂棱出現(xiàn)，而T8b狀態(tài)的斷口非常平整，整個(gè)斷口有幾個(gè)大的平面構(gòu)成。局部放大觀察發(fā)現(xiàn)：T34斷口由穿晶滑移以及部分沿晶斷口組成，在撕裂棱區(qū)域可以觀察到由滑移變形產(chǎn)生的細(xì)紋(圖2b中A區(qū))；T8a狀態(tài)下僅有局部區(qū)域可以觀察到穿晶形成的滑移條帶(圖2f中A、B區(qū))，絕大部分為平齊的沿晶斷口，斷口上可以觀察到析出相變形脫落留下的痕跡(圖2f中C區(qū))；T8b狀態(tài)下合金全部為沿晶斷口，晶界相交處的撕裂棱非常平齊，觀察不到明顯的滑移痕跡，較大的斷裂平面上清晰可見析出相變形脫落的痕跡(圖2i中A區(qū))，與T8a相比，析出相脫落痕跡的數(shù)量顯著增多。

圖1 不同時(shí)效狀態(tài)鋁鋰合金厚板高向拉伸性能

Fig.1 Short-transverse tensile properties of Al-Li alloy thick plate with different aging states

2.3 微觀組織特征

圖3是3種不同時(shí)效狀態(tài)合金晶內(nèi)析出相組織形貌及對(duì)應(yīng)的衍射斑點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)板材晶內(nèi)析出相具有很大差異：T34狀態(tài)板材晶內(nèi)存在大量細(xì)小的析出相，尺寸在2 nm左右，<100>α衍射花樣中在{100}以及{110}位置出現(xiàn)了清晰的衍射斑點(diǎn)，表明析出相為δ′相(圖3a、圖3b)；T8a以及T8b狀態(tài)中則出現(xiàn)了大量的針狀析出相，根據(jù)<100>α衍射花樣的特點(diǎn)[11]，可以確認(rèn)該相為T1相(圖3c～圖3f)。對(duì)比圖3c、圖3e可知，T1相的尺寸隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)并沒(méi)有太大變化，但密度顯著增加。

3 分析與討論

對(duì)于Al-Cu-Li系合金來(lái)說(shuō)，主要的析出相為δ′相和T1相，這兩種析出相在結(jié)構(gòu)和形貌上具有很大差異，直接影響到合金的拉伸性能及斷裂方式。δ′相為與基體共格的LI2結(jié)構(gòu)，在變形過(guò)程中很容易被位錯(cuò)切過(guò)[12]，因此，當(dāng)晶內(nèi)析出相為小尺寸的δ′相時(shí)，析出相對(duì)位錯(cuò)開動(dòng)的阻力較小，拉伸時(shí)位錯(cuò)容易開動(dòng)，導(dǎo)致合金屈服強(qiáng)度較低，同樣，在持續(xù)變形過(guò)程中，由于晶內(nèi)析出相容易切過(guò)，形成共面滑移，導(dǎo)致大量位錯(cuò)在晶界塞積，當(dāng)相鄰晶粒的滑移系與塞積形成的應(yīng)力方向相差不大時(shí)，變形可以穿過(guò)晶界，進(jìn)入相鄰的晶粒，形成穿晶滑移斷口；如果相鄰晶粒之間取向差較大，應(yīng)力集中前端位錯(cuò)開動(dòng)較難，將會(huì)使晶界開裂，形成沿晶斷口；最終形成沿晶+穿晶的混合型斷口，此時(shí)合金具有較好的塑性。當(dāng)晶內(nèi)開始析出T1相時(shí)，由于T1相與基體為半共格，而且為六邊形的片狀形貌，在尺寸大于100 nm時(shí)，在變形過(guò)程中很難被位錯(cuò)切過(guò)，位錯(cuò)以繞過(guò)機(jī)制為主[13]，因此，人工時(shí)效處理后合金的強(qiáng)度迅速上升。晶內(nèi)T1相的密度越高，對(duì)位錯(cuò)阻礙的效果越顯著，合金的強(qiáng)度也越高。在強(qiáng)度增加的同時(shí)，由于T1相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈阻礙作用，相鄰晶粒間的協(xié)調(diào)變形難以實(shí)現(xiàn)，大量應(yīng)力集中于晶界處，使合金發(fā)生沿晶開裂，晶內(nèi)T1相數(shù)量越高，協(xié)調(diào)變形能力越差，合金的塑性越低。

圖2 同時(shí)效狀態(tài)鋁鋰合金厚板高向拉伸試樣斷口形貌

4 結(jié)論

1)不同時(shí)效狀態(tài)直接影響鋁鋰合金的拉伸性能，隨時(shí)效程度增加，合金的高向強(qiáng)度升高，延伸率快速降低。

2)隨時(shí)效程度增加，合金的斷裂方式由T34狀態(tài)的穿晶滑移+沿晶開裂的混合斷裂方式逐步變化為單純的沿晶斷裂。

3)隨時(shí)效程度增加，晶內(nèi)析出相由T34狀態(tài)的δ′相為主轉(zhuǎn)變?yōu)門8狀態(tài)的T1相為主，析出相的變化決定了合金的拉伸性能及斷裂行為。

圖3 不同時(shí)效狀態(tài)鋁鋰合金晶內(nèi)析出相及衍射斑

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Effect of Aging Treatment on Fracture Behavior of Al-Li Alloy

WEN Pei-gang，LI Guo-ai，LU Zheng，ZHAO Liang-liang

(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)

Effect of aging treatment on the tensile properties, microstructure and fracture characteristics of Al-Li alloy were studied by tensile testing, SEM and TEM. The results show that, with the increase of aging time, the strength of short-transverse direction increases quickly and the elongation decreases rapidly. The fracture mode changes from the mixture of transgranular and intergranular cracking to intergranular cracking. Abundant T1phase precipitates in grains during aging process, which enhances the strength and restraining the matching deformation within grain, leading to intergranular cracking during tensile test.

Al-Li alloy; fracture characteristic; T1precipitation; artificial aging; tensile properties

2016年4月1日

2016年5月26日

國(guó)家自然科學(xué)基金(51474195)

溫培剛(1981年-)，男，碩士，工程師，主要從事鋁合金研制、物理氣相沉積、表面防護(hù)等方面的工作。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.002

1673-6214(2016)03-0139-04