馬國(guó)峰, 魯志穎, 賀春林

(沈陽(yáng)大學(xué) 遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

時(shí)效處理對(duì)2024鋁合金晶界特征分布及性能的影響

馬國(guó)峰, 魯志穎, 賀春林

(沈陽(yáng)大學(xué) 遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

運(yùn)用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)、顯微硬度計(jì)及電化學(xué)測(cè)試,研究了不同時(shí)效處理對(duì)2024鋁合金晶界特征分布、硬度和腐蝕性能的影響,并分析鋁合金晶界特征分布與硬度和耐蝕性的相關(guān)性.結(jié)果表明,隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),2024鋁合金樣品中的小角度晶界的比例先逐漸增大,然后逐漸降低;低重位晶界(ΣCSL晶界)比例也是先增加,達(dá)到峰值后又呈下降趨勢(shì);小角度晶界和低ΣCSL晶界比例高的樣品比小角度晶界和低ΣCSL晶界比例低的樣品明顯具有高硬度和耐腐蝕性.

2024鋁合金; 小角度晶界; 重位晶界; 硬度; 耐蝕性

晶界廣泛存在于合金與金屬中,由于晶界處有較多的缺陷和很大的畸變,引起晶粒內(nèi)部能量小于晶界處能量,因此,多晶體合金與金屬材料的破壞一般都是晶界時(shí)效引起的[1-2].通常認(rèn)為晶界可分為重位晶界、大角度晶界和小角度晶界等[3-5].

自從20世紀(jì)80年代Watanabe提出了晶界特征分布的概念以來(lái)[6],研究人員對(duì)晶界結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了大量的研究,表明許多晶界現(xiàn)象如擴(kuò)散、腐蝕和偏聚等強(qiáng)烈依賴晶界的特征分布[7-9].但目前,對(duì)晶界特征分布的研究主要還是集中在奧氏體鋼、銅合金、鉛合金和鎳基合金等,而對(duì)鋁及鋁合金的研究還是較少.如王軼農(nóng)等人研究了LY12鋁合金的晶界特征分布與抗腐蝕性能的關(guān)系,觀察到了重位晶界出現(xiàn)的頻率越高,試樣的抗腐蝕性能越好[10].

2024鋁合金是2XXX系高強(qiáng)鋁合金,具有高強(qiáng)度、耐熱性好、耐損傷及密度低等優(yōu)點(diǎn),在一些民用產(chǎn)品和航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛[11-12].2024鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金,因而熱處理工藝對(duì)其組織及性能有極大的影響[13-14].截至目前,對(duì)2024鋁合金的研究仍集中在熱處理工藝的優(yōu)化和微量元素的添加等方面,而對(duì)于熱處理工藝與其晶界特征分布之間關(guān)系方面的研究較少.

因此,本文以2024鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料,利用電子背散射衍射分析技術(shù)和電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等研究手段和分析方法,對(duì)不同時(shí)效時(shí)間處理的2024鋁合金的晶界特征分布及其性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究,為進(jìn)一步優(yōu)化2024鋁合金的熱處理工藝提供理論指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用2024鋁合金的名義化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示.實(shí)驗(yàn)所用的軋制板材2024鋁合金樣品規(guī)格為8 mm×8 mm×5 mm.本實(shí)驗(yàn)所有樣品在495 ℃下進(jìn)行60 min的固溶處理,然后在195 ℃下進(jìn)行不同時(shí)間(3、6、9、12和15 h)的時(shí)效處理.不同時(shí)效處理后的樣品經(jīng)研磨、機(jī)械拋光,待用.

樣品采用DF-3010電解拋光腐蝕儀進(jìn)行電解拋光,拋光液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%高氯酸和90%乙醇的混合溶液.并利用配有Channel5-EBSD系統(tǒng)的日立S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)電解拋光后的樣品進(jìn)行晶粒取向和晶界特征分析.

表1 實(shí)驗(yàn)所用的2024鋁合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)化學(xué)成分Table 1 Mass fraction of chemical composition of 2024 Al alloy used in this experiment %

本實(shí)驗(yàn)的硬度值測(cè)量在Vickers 420MVD維氏顯微硬度儀上進(jìn)行,每個(gè)合金樣品的硬度都是取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值.

利用CHI600A型電化學(xué)分析儀研究腐蝕行為.電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液,參比電極是飽和甘汞電極,輔助電極是Pt電極,在25 ℃恒溫條件下測(cè)試.研究電極為合金試樣,工作面為圓形(d=3 mm),用石蠟涂封.

2 結(jié)果分析

2.1 對(duì)晶界取向角的影響

一般認(rèn)為兩個(gè)晶粒取向差小于10°為小角度晶界,小角度晶界由一列位錯(cuò)構(gòu)成,小角度晶界比例的大小對(duì)材料的性能起到一定的作用.圖1為不同時(shí)效時(shí)間下的取向差角分布.從圖中可以看出, 圖1a的小角度晶界的比例小于圖1b的小角度晶界的比例,圖1c的小角度晶界的比例與圖1a和圖1b相比較有較大幅度的上升,圖1d和圖1f的小角度晶界的比例與圖1c相比有明顯的下降.通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),2024鋁合金試樣中的小角度晶界的比例先逐漸增大,然后小角度晶界的比例逐漸降低,時(shí)效時(shí)間為9 h的鋁合金試樣中的小角度晶界的比例最高.這是因?yàn)樵跁r(shí)效0～3 h之間,2024鋁合金中的Si、Mg原子在微區(qū)中聚集,并形成較大彌散分布的G.P(Ⅰ)區(qū),而隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),G.P(Ⅰ)區(qū)的核心成分向過(guò)渡相轉(zhuǎn)變. 當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到9 h后,合金組織中將有更多的G.P(Ⅰ)區(qū),并形成細(xì)小彌散均勻分布的G.P(Ⅱ) 區(qū),此時(shí)晶粒分布最為細(xì)小均勻(如圖2所示),此時(shí)小角度晶界的比例也達(dá)到最大值,但隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)(圖2e)會(huì)引起析出相的粗化,小角度晶界轉(zhuǎn)換為大角度晶界,小角度晶界的比例也隨著降低.

圖1 不同時(shí)效時(shí)間下的取向差角分布圖Fig.1 Distribution of misorientation angle at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

圖2 不同時(shí)效時(shí)間下的晶界特征分布圖Fig.2 Grain boundarycharacter distribution at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

2.2 對(duì)重位晶界的影響

通常來(lái)說(shuō),具有特殊性能和特殊結(jié)構(gòu)的重位晶界指的是低ΣCSL(重位點(diǎn)陣,coincidence site lattice)晶界,低ΣCSL指的是Σ≤29,低ΣCSL晶界具有好的抗蠕變性能、耐腐蝕性能以及抗晶界偏聚性能等.圖3是不同時(shí)效時(shí)間下的重位晶界的分布圖.從圖中可以看出Σ3、Σ5等低ΣCSL晶界比例隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但達(dá)到峰值后又呈下降趨勢(shì),時(shí)效時(shí)間為12 h的鋁合金試樣中的低ΣCSL晶界的比例最高.

鋁合金的時(shí)效過(guò)程是固體淬火后過(guò)飽和固溶體分解的過(guò)程,時(shí)效處理使鋁合金的結(jié)晶點(diǎn)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài).從圖3可以看出,低ΣCSL晶界比例的改變可分為3個(gè)階段:第1個(gè)階段(時(shí)效時(shí)間0～3 h),低ΣCSL晶界的比例較低,主要因?yàn)闀r(shí)效時(shí)間較短,2024鋁合金組織來(lái)不及發(fā)生充分的再結(jié)晶,晶界遷移反應(yīng)不完全,不會(huì)形成太多的低ΣCSL晶界;第2個(gè)階段(時(shí)效時(shí)間3～12 h),隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),2024鋁合金組織再結(jié)晶越來(lái)越充分,并發(fā)生充分的晶界遷移反應(yīng),會(huì)形成更多的特殊晶界,當(dāng)時(shí)效時(shí)間為12 h時(shí)鋁合金試樣中的低ΣCSL晶界的比例最高;第3個(gè)階段(時(shí)效時(shí)間12～15 h),隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),低ΣCSL晶界的比例又有所下降,這是由于2024鋁合金組織中的晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大,在晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中,一般大角度晶界的遷移會(huì)吞并已有的低ΣCSL晶界,造成低ΣCSL晶界比例的下降.

2.3 對(duì)硬度的影響

圖4為2024鋁合金的硬度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系圖.從圖中可看出,在一定的時(shí)效時(shí)間下,合金硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而上升,在時(shí)效時(shí)間為9 h和12 h時(shí),2024鋁合金的硬度達(dá)到最大值,之后合金的硬度開(kāi)始下降.2024鋁合金在加熱和快速冷卻時(shí),形成過(guò)飽和固溶體,在這個(gè)過(guò)程中由于大量空位存在于合金組織中,因而加速了溶質(zhì)原子的快速擴(kuò)散.隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),在晶體內(nèi)部的富集區(qū)開(kāi)始從G.P(I)區(qū)向G.P(Ⅱ) 區(qū)轉(zhuǎn)變,過(guò)飽和固溶體中的富集溶質(zhì)原子逐漸從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)變,因此2024鋁合金的硬度逐漸提高,在時(shí)效時(shí)間為9 h和12 h時(shí),2024鋁合金的硬度達(dá)到最大值.但隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),析出相出現(xiàn)粗化,合金硬度有所下降.

圖3 不同時(shí)效時(shí)間下的重位晶界的分布圖Fig.3 Coincidence site lattice grain boundary distribution at different aging time(a)—3 h; (b)—6 h; (c)—9 h; (d)—12 h; (e)—15 h.

圖4合金的硬度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系

Fig.4 The curve of relationship between the hardness and aging time

通常認(rèn)為小角度晶界處原子排列很不規(guī)則,因此小角度晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用.Ghosh等認(rèn)為小角度晶界阻礙位錯(cuò)移動(dòng)存在一個(gè)門(mén)檻值:當(dāng)應(yīng)力大于這個(gè)門(mén)檻值時(shí),位錯(cuò)才可移動(dòng);當(dāng)小于這個(gè)門(mén)檻值時(shí),位錯(cuò)就很難移動(dòng),從而致使材料強(qiáng)度提高.而硬度和強(qiáng)度之間存在著一定的聯(lián)系,硬度值越高,其強(qiáng)度值也就越大[15].

2.4 對(duì)腐蝕性能的影響

通常認(rèn)為材料的腐蝕電位越正、腐蝕電流越小、極化電阻越大,材料的耐腐蝕性能越好. 從表2中可以看出,2024鋁合金在時(shí)效12 h處理下耐蝕性最好, 這和重位晶界變化規(guī)律是一致的.

由于隨機(jī)晶界、大角度具有較高的能量,常常成為腐蝕和裂紋擴(kuò)展的通道,而低能晶界(小角度晶界和重位晶界)具有較低的能量、低的電阻系數(shù)和低的擴(kuò)散率等特殊性能,對(duì)晶間腐燭和裂紋擴(kuò)展有強(qiáng)烈的抑制作用.正是因?yàn)榕c一般大角度晶界相比,低ΣCSL晶界的具有晶界能低、晶界上偏聚程度輕微、晶界擴(kuò)散率低、沿晶析出幾率小、特殊晶界遷移速率小等重要特性,才使其具備較高的晶界腐蝕抗力.

表2 不同時(shí)效處理2024鋁合金的電化學(xué)腐蝕參數(shù)Table 2 The electrochemical corrosion parameters of different aging time treatment of 2024 Al alloy

3 結(jié) 論

(1) 隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),2024鋁合金試樣中的小角度晶界的比例先逐漸增大,然后逐漸降低,時(shí)效時(shí)間為9h的鋁合金試樣中的小角度晶界的比例最高.

(2) 低ΣCSL晶界比例隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但達(dá)到峰值后又呈下降趨勢(shì),時(shí)效時(shí)間為12 h的鋁合金試樣中的低ΣCSL晶界的比例最高.

(3) 合金硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而上升,在時(shí)效時(shí)間為9 h和12 h時(shí),2024鋁合金的硬度達(dá)到最大值,之后合金的硬度開(kāi)始下降.

(4) 2024鋁合金在時(shí)效12 h處理下耐蝕性最好,這和重位晶界變化規(guī)律是一致的.

(5) 小角度晶界和低ΣCSL晶界比例高的樣品比小角度晶界和低ΣCSL晶界比例低的樣品明顯具有高硬度和耐腐蝕.

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【責(zé)任編輯:胡天慧】

InfluenceofAgingTreatmentonGrainBoundaryCharacterDistributionandPropertiesof2024AluminumAlloy

MaGuofeng,LuZhiying,HeChunlin

(Liaoning Province Key Laboratory for Advanced Materials Preparation Technology, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The effects of aging treatment on grain boundary character distribution and properties of 2024 Al alloy were studied by using electron backscattered diffraction (EBSD) technology, hardness test and the electrochemical test. The relationship between grain boundary character distribution and hardness, intergranular corrosion resistance of 2024 Al alloy was summarized. The results showed that the frequency of low angle boundaries gradually increased after aging treatment at 9 h, and the hardness decreased with the further increase of aging time. With the increase of aging time in the range of 0～15 h, low coincidence site lattice (CSL) grain boundary occur with a relatively high frequency after aging treatment at 12 h. The higher frequency low angle boundaries and low CSL grain boundaryis occur with, the better the hardness and the corrosion-resisting property are.

2024 Al alloy; low angle boundaries; coincidence site lattice; the hardness; corrosion-resisting property

TG 174.33

A

2017-07-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171118); 中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2016M601333); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602518).

馬國(guó)峰(1979-),男,遼寧鞍山人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授,博士.

2095-5456(2017)06-0435-06