張顯峰，陸 政，高文理，曹亞雷，馮朝輝

(1 北京航空材料研究院，北京 100095； 2北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心，北京 100095； 3湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

2A66鋁鋰合金板材各向異性研究

張顯峰1,2，陸 政1,2，高文理3，曹亞雷3，馮朝輝1

(1 北京航空材料研究院，北京 100095； 2北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心，北京 100095； 3湖南大學 材料科學與工程學院，長沙 410082)

采用布氏硬度與拉伸性能測試以及OM，SEM和TEM分析，研究2A66鋁鋰合金板材力學性能的各向異性隨時效時間變化的規(guī)律和合金時效狀態(tài)下的顯微組織，并探討影響各向異性的主要因素。結果表明：165℃峰值時效前，隨時效時間的延長，2A66鋁鋰合金力學性能的各向異性程度逐漸下降，過時效后合金的各向異性有所增強，伸長率的各向異性大于強度各向異性。峰時效(64h)時合金的σb，σ0.2，δ的IPA值均達到了最低值，分別為3.0%，3.0%，12.2%，此時合金也獲得了較好的強塑性結合，軸向σb，σ0.2，δ分別為526.5，448.9MPa，10.1%。不同熱處理狀態(tài)下，2A66鋁鋰合金平面各向異性的總體表現(xiàn)為：縱向(0°)和橫向(90°)的強度最高，45°方向最低；45°方向試樣的伸長率最高，縱向和橫向最低。

2A66鋁鋰合金；力學性能；各向異性；時效；顯微組織

鋰是自然界中最輕的金屬，每添加1%(質量分數(shù))的鋰于鋁中，能使合金密度降低3%，彈性模量提高6%，比彈性模量增加9%，其強度可與2024，7075等鋁合金媲美[1,2]。此外，少量的Li元素在鋁合金時效過程中會析出共格強化相δ′ (Al3Li)，提高鋁合金的力學性能，因此Li成為制造低密度鋁合金的首選合金元素。而鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、高彈性模量和良好的耐腐蝕性，用其取代常規(guī)鋁合金，可使構件質量減小10%～15%，剛度提高15%～20%[3]。鋁鋰合金具有優(yōu)良的性能，它的成形、修復等都較復合材料簡單，成本也遠遠低于復合材料，這使其在汽車、化工尤其是航空航天領域受到越來越多的關注，成為該領域的重要結構材料之一[4-6]。

盡管鋁鋰合金在航空航天領域有著廣闊的應用前景，但該合金在未再結晶狀態(tài)下其力學性能具有明顯的各向異性，這已成為制約其發(fā)展和應用的主要因素之一[7,8]。近年來，國內一些工作者對鋁鋰合金熱處理工藝、顯微組織與力學性能各向異性之間的關系進行了相關研究[9-11]。陳錚等[9]發(fā)現(xiàn)1420鋁鋰合金軋板隨著時效的進行，各向異性逐漸增強，拉伸斷裂特征也出現(xiàn)了各向異性。魏齊龍等[10]研究了T1相對鋁鋰合金各向異性的影響，發(fā)現(xiàn)T1相會影響變形織構的存在，使其自身的分布及其位錯的作用發(fā)生變化，從而使其強化貢獻具有各向異性。李紅英等[11]研究了2195鋁鋰合金冷軋薄板的各向異性在150℃時效下隨時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在峰值時效前，隨時效時間的延長，合金的各向異性程度逐漸下降，過時效時合金的各向異性比峰值時效時有所增加。本工作著重研究了2A66鋁鋰合金力學性能的各向異性水平及其表現(xiàn)規(guī)律，并從晶粒形貌和時效析出相對合金各向異性的影響入手，對合金各向異性的產生機理進行探究。

1 實驗材料與方法

實驗用2A66鋁鋰合金為軋制板材，由北京航空材料研究院提供，厚度為2mm。試樣的熱處理工藝為：520℃固溶90min，水淬+165℃人工時效，水淬。硬度測試采用HBRVU-187.5型布洛維光學硬度計，加載載荷為612.9N，保荷時間為30s，取5個點的平均值作為測試值。

在軋制平面內沿與軋制方向成0°(軋向)，30°，45°，60°，90°(橫向)方向上裁取拉伸試樣。熱處理工藝為：固溶520℃，90min，水淬+人工時效165℃/12，40，64h(峰時效)，80h，水淬。試樣按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規(guī)定進行加工，然后在Instron3369電子萬能試驗機上進行室溫拉伸性能測試，拉伸速率為1mm/min。拉伸試樣斷口形貌在Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)上進行觀察。金相組織觀察在Ployvar-Met金相顯微鏡下進行。

TEM試樣經線切割制成400μm薄片后再經機械減薄至約100μm，沖裁成直徑為3mm的圓片，然后采用體積分數(shù)為30%硝酸+70%甲醇混合溶液雙噴減薄。在JEM-3010高分辨透射電子顯微鏡(TEM)上進行顯微組織觀察，電鏡加速電壓為200kV。

2 結果與分析

2.1 時效硬化曲線

圖1為2A66鋁鋰合金165℃時效硬化曲線?？梢钥闯觯?A66鋁鋰合金具有明顯的時效強化效應。時效初期硬度迅速上升，時效至12h硬度已達到120HB；隨后硬度上升變緩，時效至40h硬度達到130HB；之后隨著時效時間的延長，合金的硬度繼續(xù)緩慢上升，時效64h后達到峰值硬度146HB；繼續(xù)時效將會進入過時效狀態(tài)，合金硬度開始緩慢下降；因此，將拉伸試樣的時效時間定為12，40，64，80h。

圖1 2A66鋁鋰合金165℃時效硬化曲線Fig.1 Hardness-time curve of 2A66 Al-Li alloy aged at 165℃

2.2 力學性能

表1列出了不同時效時間下5個取樣方向上測得的試樣力學性能，其中力學性能的平面各向異性指標IPA值由公式(1)[7]得出：

(1)

式中：Xmax，Xmin，Xmid分別代表力學性能指標(σb，σ0.2，δ)各自所對應5個方向上的最大值、最小值及中間值(1，2，3分別表示3個中間值)。

從IPA值可以看出，σb的IPA值最低，δ的IPA值最高，合金的伸長率各向異性大于強度各向異性。時效12h時，σb，σ0.2，δ的IPA值都較大，說明此時合金具有較強的各向異性。繼續(xù)時效至40h和64h時，合金的強度各向異性減小，但伸長率各向異性仍較明顯。時效80h(過時效)狀態(tài)下，σb，σ0.2，δ的IPA值均比峰值時效有所增大。綜上所述，峰時效(64h)時合金的σb，σ0.2，δ的IPA值均達到了最低值，分別為3.0%，3.0%，12.2%，此時合金獲得了較好的強塑性結合，軸向拉伸性能中σb為526.5MPa，σ0.2為448.9MPa，δ為10.1%。由此可知，在峰值時效前，合金各力學性能指標的IPA值都隨時效時間的延長而降低，并且隨著時效時間的延長，IPA 值的降幅減?。贿^時效狀態(tài)合金的各向異性比峰值狀態(tài)有所增強。

表1 拉伸試樣的力學性能Table 1 Mechanical properties of the tensile specimens

合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率隨取樣方向與時效狀態(tài)的變化規(guī)律如圖2所示。隨著時效時間的延長，合金的抗拉強度和屈服強度變化規(guī)律相同，峰值時效(64h)前，隨時效時間的延長，合金在各個方向的σb和σ0.2均逐漸提高，時效80h(過時效)后，強度開始降低；伸長率則隨著時效時間的延長逐漸下降。通過比較不同方向上的力學性能可以發(fā)現(xiàn)，合金在縱向(0°)和橫向(90°)的強度最高，45°和60°方向最低，30°方向居中；而伸長率的變化規(guī)律為：45°方向最高,縱向和橫向最低，30°和60°方向居中。

圖2 合金的力學性能隨取樣方向和時效時間的變化曲線 (a)抗拉強度；(b)屈服強度；(c)伸長率Fig.2 Mechanical properties curves of the alloy with sampling direction and different aging time (a)tensile strength;(b)yield strength;(c)elongation

2.3 拉伸斷口形貌

圖3為165℃/64h峰時效狀態(tài)下2A66鋁鋰合金不同取樣方向試樣的拉伸斷口形貌。可以看出，3個試樣的斷口形貌主要為沿晶和沿亞晶分層開裂。其中，縱向試樣的斷口上存在一定量的韌窩，表現(xiàn)出較為明顯的分層特征，且沿垂直于主裂紋的方向前進，有較多深的沿晶二次裂紋；45°方向試樣的斷口上分布著大量細小的韌窩，同時還存在一定量的韌性脊，分層特征減弱；橫向試樣的斷口形貌與縱向相似。上述規(guī)律與力學性能結果相吻合。

2.4 金相組織分析

圖4為2A66鋁鋰合金165℃/64h時效狀態(tài)的晶粒組織。在軋制平面內，大小晶粒并存，并有少量的細小再結晶晶粒。橫截面和縱截面內均為普遍的流線變形組織，晶粒形態(tài)均為扁平狀晶粒組織?？傮w而言，晶粒形貌屬于典型的纖維態(tài)變形組織與再結晶晶?；旌系牟煌耆俳Y晶組織，其空間形貌為薄餅狀，且其界面平行于軋面。

圖3 165℃/64h時效狀態(tài)下2A66鋁鋰合金拉伸斷口形貌 (a)縱向；(b)45°方向；(c)橫向Fig.3 Tensile fracture morphologies of 2A66 Al-Li alloy aged at 165℃ for 64h(a)rolling direction;(b)45° to the rolling direction;(c)transverse direction

圖4 2A66鋁鋰合金165℃/64h時效態(tài)的顯微組織 (a)軋制面；(b)橫截面；(c)縱截面Fig.4 Optical microstructures of 2A66 Al-Li alloy aged at 165℃ for 64h(a)rolling plane;(b)transverse section;(c)longitudinal section

圖5 2A66鋁鋰合金165℃時效狀態(tài)下的TEM圖(a)165℃/12h，B=[100]Al；(b)165℃/12h，B=[110]Al；(c)165℃/40h，B=[100]Al；(d)165℃/40h，B=[110]Al；(e)165℃/64h，B=[100]Al；(f)165℃/64h，B=[110]AlFig.5 TEM images of 2A66 Al-Li alloy aged at 165℃(a)165℃/12h,B=[100]Al;(b)165℃/12h,B=[110]Al;(c)165℃/40h,B=[100]Al; (d)165℃/40h,B=[110]Al;(e)165℃/64h,B=[100]Al;(f)165℃/64h,B=[110]Al

3 討論

材料的各向異性是多方面因素綜合作用的結果，Rioja[12]認為其影響因素主要包括晶體學織構、晶粒形貌和時效析出相。由圖4可知，2A66鋁鋰合金的晶粒組織為沿軋制方向拉長的扁平狀的不完全再結晶組織，研究表明當材料中存在拉長的非等軸晶粒時，合金的各向異性會增強[13]。這是因為與軋向成不同角度的各個方向的晶界密度不同，外加應力引起的晶內最大切應力的方向與晶界之間的夾角不同，集中于晶界處的位錯向晶內運動的難易程度也不同，從而在宏觀上造成材料沿不同方向的變形阻力、變形程度及變形方式的差異，進而導致了拉伸時合金力學性能的各向異性。

彌散分布且與基體共格的Li2型結構的δ′相容易被位錯切過而形成共面滑移，致使變形被集中在幾個特定的滑移面上進行，導致基體變形不均勻。此外，由于δ′相與基體共格，且晶粒在多組元織構存在的條件下?lián)駜?yōu)取向，δ′相的分布也相應具有擇優(yōu)取向。結合圖5，隨著時效時間的延長，δ′相逐漸溶解，對合金各向異性的影響減弱。

此外， 2A66鋁鋰合金軋制時形成的位錯在T1相{111}4個慣析面上的密度不同，導致T1相形核不均勻，時效時T1相在每個慣析面上析出的數(shù)量不同，而不同取向上T1相的強化作用的差異是由滑移面單位面積上T1相數(shù)量的不同造成的[17]，從而導致板材力學性能的各向異性；因此，各個析出相的大小、數(shù)量和分布都是導致合金力學性能的各向異性變化的原因。

鋁鋰合金往往具有較高的沿晶斷裂傾向，由于各位向晶界密度不同，沿晶斷裂所占比例與作用也不同，導致斷裂方式的各向異性，進而影響合金伸長率的各向異性[11]。拉伸斷裂時，第二相和雜質處形成等軸微孔，在45°方向，微孔的擴展受到晶界的阻礙較小，進而不斷長大和聚合形成顯微裂紋，造成溝槽狀韌窩斷口形貌，如圖3(b)所示，合金塑性較高。而縱向和橫向，晶界對于微孔的擴展有明顯的阻礙作用，合金發(fā)生沿晶斷裂，進而形成平行軋面的扁平狀孔洞[18]，最終導致樣品斷裂，合金塑性較差。

4 結論

(1)峰值時效前，隨時效時間的延長，2A66鋁鋰合金力學性能的各向異性程度逐漸下降，過時效后合金的各向異性有所增強，伸長率的各向異性大于強度各向異性。峰時效時合金的σb，σ0.2，δ的IPA值均達到了最低值，分別為3.0%，3.0%，12.2%，此時合金也獲得了較好的強塑性結合，拉伸性能中σb，σ0.2，δ分別為526.5，448.9MPa和10.1%。

(2)2A66鋁鋰合金平面各向異性的表現(xiàn)規(guī)律為：縱向(0°)和橫向(90°)的強度最高，45°和60°方向最低，30°方向居中； 45°方向試樣的伸長率最高，縱向和橫向最低，30°和60°方向居中。

(3)在達到峰時效之前，隨著時效時間的延長，2A66鋁鋰合金力學性能的各向異性程度逐漸下降，而且降幅減小，這主要是由δ′相、θ′相和T1相的大小、數(shù)量以及分布的變化所致。

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(本文責編：寇鳳梅)

Anisotropy of 2A66 Al-Li Alloy Sheet

ZHANG Xian-feng1,2,LU Zheng1,2,GAO Wen-li3,CAO Ya-lei3,FENG Zhao-hui1

(1 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China; 2 Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications,Beijing 100095,China; 3 College of Materials Science and Engineering,Hunan University, Changsha 410082,China)

The anisotropy and microstructures during aging treatment for 2A66 Al-Li alloy were studied by Brinell hardness, tensile testing, optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and transmission electron microscope (TEM). The main factors which influence the anisotropy of mechanical properties were discussed. The results indicate that, before 165℃ peak-aged, the anisotropy of the mechanical properties of the 2A66 Al-Li alloy decreases gradually with the extension of aging time. When the alloy is over-aged, the anisotropy of the alloy increases; the anisotropy of ductility is more serious than that of strength. The IPA values ofσb,σ0.2andδof the alloy reach the lowest value at 3.0%, 3.0% and 12.2% respectively at the time of peak aging (64h), and the alloy is also obtained with good plasticity and axial tensile properties.σb,σ0.2andδof the alloy are 526.5, 448.9MPa, 10.1% respectively. Under different heat treatment conditions, the general behavior of the anisotropy of 2A66 Al-Li alloy is as follows: longitudinal (0°) and transverse (90°) have the highest strength, 45° direction is the lowest strength; 45° direction specimen has the highest elongation, vertical and horizontal direction has the minimum elongation.

2A66 Al-Li alloy;mechanical property;anisotropy;aging treatment;microstructure

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000248

TG146.2

A

1001-4381(2017)07-0007-06

國家自然科學基金資助項目(51271076,51474101)；長沙市科技計劃項目(k1403033-11)

2016-03-07；

2017-04-06

張顯峰(1979-)，男，碩士，高級工程師，從事高強鋁合金方面的研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱2分箱(100095)，E-mail:zhangxf0476@sohu.com