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预变形方式对 T76 时效态 7475 铝合金组织及性能的影响 ① 刘文娟, 刘志义, 林亮华, 刘冠华 (中南大学 材料科学与工程学院, 湖南 长沙 410083) 摘 要 通过透射电镜组织观察、拉伸试验、剥落腐蚀试验以及极化曲线试验,研究了拉伸与轧制预变形方式对 7475 铝合金组织、 强度与抗腐蚀性能的影响。 结果表明,预变形引入大量位错,且在 125 ℃ /3 h 时效后仍大部分残留;轧制预变形表面位错多于中心 位错;拉伸预变形与轧制预变形都导致 T76 过时效态 7475 铝合金中 η′相减少、η 相增多、晶内析出相尺寸增大、晶界析出相间距减 小、合金强度与抗腐蚀性能降低;当变形量一致时,轧制预变形比拉伸预变形处理的合金强度高,但抗腐蚀性能低。 关键词 7475 铝合金; 时效处理; 拉伸预变形; 轧制预变形; 析出相; 力学性能 中图分类号 TG115文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.04.033 文章编号 0253-6099(2017)04-0127-05 Effects of Pre⁃deformation Mode on Microstructure and Property of T76 Aged 7475 Aluminum Alloy LIU Wen⁃juan, LIU Zhi⁃yi, LIN Liang⁃hua, LIU Guan⁃hua (School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract Effects of pre⁃deformation mode of stretching and rolling on the microstructure and properties of T76 aged 7475 aluminum alloy were studied by transmission electron microscope analyses, tensile tests, exfoliation corrosion tests and polarization tests. Results showed that the pre⁃deformation brought a large number of dislocations, most of which still remained after aging at 125 ℃ for 3 hrs. The density of dislocations on the surface of the pre⁃rolled sample was higher than that at the center. For the T76 aged 7475 aluminum alloy, both pre⁃rolling and pre⁃stretching deformation decreased the proportion of η′ precipitates, the distance between grain⁃boundary precipitates, the strength and corrosion resistance but increased the proportion of η precipitates and size of intracrystalline precipitates. With the same pre⁃deformation percent, the pre⁃rolled sample showed higher strength and lower corrosion resistance, in comparison with the pre⁃stretched sample. Key words 7475 aluminum alloy; aging treatment; pre⁃stretching; pre⁃rolling; precipitate; mechanical property 7475 铝合金是高强 Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu 合金中的一种, 由于其具有高强度、高断裂韧性以及良好的耐腐蚀性 能,常被用于军事、航空以及车辆制造等领域[1]。 在 产品的加工生产过程中,尤其是大尺寸构件,淬火后会 形成较大的残余应力,易使构件在后续加工中产生变 形甚至开裂。 对于板材以及线材来说,目前解决该问 题的方法主要是拉伸预变形[2]。 对 Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu 合金而言,预变形的存在一般会 粗化析出相、降低合金强度[3],目前关于预变形对 Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu 合金耐腐蚀性能影响的研究报道不多。 为此,本文以 7475 铝合金为实验材料,结合双级时效 处理,研究了预变形对 7475 铝合金 T76 双级时效中组 织演变的影响,以及对合金时效后力学性能与抗腐蚀 性能的影响,并比较了拉伸预变形与轧制预变形对 7475 铝合金组织结构的影响。 1 实 验 实验用材料为 7475 铝合金铸锭,经 465 ℃ /24 h 均匀化后被热轧成 6 mm 厚板材,然后在同一热轧板 上剪取相应的试样。 试样主要化学成分(质量分数) 为Zn 5.9%,Mg 2.2%,Cu 1.5%,Cr 0.4%,Mn 0.3%, Fe 0.03%,Si 0.05%。 试样经 470 ℃ /1 h 固溶后立即 ①收稿日期 2017-02-24 作者简介 刘文娟(1990-),女,湖南娄底人,硕士研究生,主要从事 7 系铝合金组织性能研究。 通讯作者 刘志义(1962-),男,湖南邵阳人,二级教授,博士研究生导师,主要从事铝合金的基础研究及应用技术开发。 第 37 卷第 4 期 2017 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №4 August 2017 ChaoXing 水冷至室温,然后进行预变形处理,再进行 T76 双级 时效(125 ℃ /3 h+170 ℃ /10 h)。 预变形处理工艺 见表 1。 表 1 预变形处理工艺 试样变形方式变形量/ % T760 T76⁃S1预拉伸1.0 T76⁃S3预拉伸3.0 T76⁃S5预拉伸5.0 T76⁃R3预轧制3.0 沿热轧板横向剪取拉伸性能测试试样,具体尺寸 及测试条件依照 GB/ T16865-2013 进行,拉伸速率为 2 mm/ min。 每组 3 个试样,然后取其算数平均值作为 每组的最终数据。 透射组织观察在 Tencnai-G220 电 镜上进行,加速电压 200 kV,除特殊标明外,透射样均取 自板材中心层。 剥落腐蚀试样大小为 60 mm 20 mm, 测试依照 ASTM G 34-01 进行,并依照标准对每组试 样进行腐蚀程度评级。 在剥落腐蚀测试完成后截取试 样的纵截面,利用金相观察其最大腐蚀深度。 极化曲 线测试试样大小为 10 mm 10 mm, 扫描电压的速率 和范围分别为 2 mV/ s 和-700~ -250 mVSCE。 极化曲 线测试时溶液为 3.5%NaCl+0.5%H2O2(质量分数),温 度 25 ℃左右。 2 实验结果 2.1 显微组织 图 1 为 T76⁃R3 试样 125 ℃ /3 h 时效前后的透射 组织、衍射花样以及位错演变。 其中,图 1(a) ~(b)在 晶带轴<100>Al方向下观察,对应的选取衍射花样见图 1(c);图 1(d) ~ (f)在晶带轴<100>Al、矢量为 100 的 近双束条件下观察,对应衍射花样见图 1(g)。 可见轧 制预变形后,合金内产生了大量位错,而试样表面的位 错含量明显比中心多。 经 125 ℃ /3 h 时效后,试样内 仍保留许多位错。 由衍射花样图可以看出,试样经 125 ℃ /3 h 时效后,其晶内组织主要为 GP 区。 GP 区 的衍射斑点在<100>Al衍射花样的{1,(2n+1) /4,0} 处[4]。 并且可以发现,125 ℃ /3 h 时效后,试样在位错 附近的粒子相比远离位错处更粗大且更疏散。 图 1 T76⁃R3 试样经 125 ℃/3 h 时效前后的 TEM 像 (a) 时效后位错附近析出相; (b) 时效后远离位错析出相; (c) <100>Al方向衍射花样图; (d) 时效前表面位错; (e) 时效前中心位错; (f) 时效后中心位错; (g) 矢量 100 近双束衍射花样 图 2 给出了不同预变形处理的试样经 T76 双级 时效处理后,在晶带轴<100>Al方向下观察到的晶内 透射微观组织以及对应的选区衍射花样。 由图 2 可 以看出,所有试样的晶内组织均为 η′相+η 相。 η′相 在<100>Al衍射花样中 1/3 与 2/3{220}处有衍射斑 点,而邻近 2/3{220}的斑点代表 η 相[5]。 由图 2 还可 以看出,随着拉伸预变形量增加,合金内粗大的 η 相 增多,而 η′相减少,并且粒子的平均尺寸随之升高而 821矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 分布率随之降低。 对比试样 T76⁃S3 和试样 T76⁃R3, 发现试样 T76⁃R3 的析出相粒子平均尺寸小于试样 T76⁃S3。 图 2 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的晶内 TEM 像 (a) T76; (b) T76⁃S1; (c) T76⁃S3; (d) T76⁃S5; (e) T76⁃R3 图 3 为不同预变形处理的试样经 T76 双级时效 处理后的晶界透射组织。 由图 3 可以看出,预变形 量增大,造成了合金的晶界析出相间隔宽度减小,使 晶界析出相逐渐趋向于连续分布。 所有试样均有一 定宽度的无沉淀析出带,其宽度随预拉伸量增大先 变宽后变窄,但是差距很小。 对比试样 T76⁃S3 和 T76⁃R3,发现后者的晶界析出相稍细小,其它特征无 明显差别。 2.2 拉伸性能测试 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的拉伸性能 见表 2。 由表 2 可以看出,随着拉伸预变形量增加,过 时效态 7475 铝合金的抗拉强度及屈服强度都逐渐降 低。 当变形量达到 5%时,强度下降了约 30 MPa。 而 相同变形量下,T76⁃R3 的强度比 T76⁃S3 高,尤其是屈 服强度,高了 15 MPa。 图 3 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的晶界 TEM 像 (a) T76; (b) T76⁃S1; (c) T76⁃S3; (d) T76⁃S5; (e) T76⁃R3 表 2 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的拉伸性能 试样抗拉强度/ MPa屈服强度/ MPa T76532474 T76⁃S1530467 T76⁃S3517450 T76⁃S5503415 T76⁃R3524465 2.3 腐蚀性能测试 图 4 为不同预变形处理的试样经双级时效处理后 的剥落腐蚀形貌,对应的纵截面腐蚀深度见图 5。 可 以看出,随着拉伸预变形量增加,试样表面鼓泡更严 重,腐蚀深度更大,因而抗剥落腐蚀性能更差。 而试样 T76⁃S3 比 T76⁃R3 腐蚀稍严重。 为了进一步验证不同试样的耐腐蚀性能,对每组 试样进行了极化曲线测试,结果如图 6 所示。 极化曲 线测试结果与剥落腐蚀测试结果一致。 随着拉伸预变 形量增加,过时效态 7475 铝合金的极化腐蚀电流逐渐 增大。 而试样 T76⁃S3 具有比 T76⁃R3 更大的腐蚀电 流。 具体的剥落腐蚀参数见表 3。 921第 4 期刘文娟等 预变形方式对 T76 时效态 7475 铝合金组织及性能的影响 ChaoXing 图 4 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的剥落腐蚀形貌 (a) T76; (b) T76⁃S1; (c) T76⁃S3; (d) T76⁃S5; (e) T76⁃R3 图5 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的最大剥落腐蚀深度 (a)T76; (b) T76⁃S1; (c) T76⁃S3; (d) T76⁃S5; (e) T76⁃R3 E/VSCE 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -0.65-0.75-0.55-0.45-0.35 T76 T76-S1 T76-S3 T76-S5 T76-R3 -0.25-0.15 lg[i/A cm-2] 图 6 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的极化曲线 表 3 不同预变形处理的试样经 T76 时效后的剥落腐蚀参数 试样 剥落腐蚀 等级 剥落腐蚀最大深度 / μm 极化腐蚀电流 / (mAcm -2 ) T76EA53.79.8 T76⁃S1EB66.110.2 T76⁃S3E B+ 72.111.7 T76⁃S5EC92.514.3 T76⁃R3EC89.612.6 3 分析与讨论 预变形使 7475 铝合金内引入了大量位错,减少了 合金内的淬火空位。 文献 [3]认为 GP 区主要依赖空 位和溶质原子的迁移完成,所以空位减少会导致 GP 区减少。 但是位错又会提供溶质原子扩散通道及能 量,致使位错附近的粒子长大。 因此,位错附近更容易 形成粗大的 η 相,而非 η′相。 根据 Orowan 定理,当粒 子不可切割时,合金强度随粒子尺寸减小而增大,随粒 子分布率减小而减小[6]。 同时,η′相被认为是 7475 铝 合金的主要强化相。 随预变形量增加,过时效态 7475 铝合金内的 η′相减少,析出相尺寸增大,分布率降低, 因此强度逐渐降低。 预变形后,7475 合金晶界处会形成大量位错,容 易沿着晶界纠缠成团,而位错可为析出相提供优先形 核质点,因此会导致晶界上的析出相连续分布[7]。 相 比于基体,晶界上的 η 相电位更负,更容易被腐蚀。 因此当腐蚀发生时,晶界上的 η 相优先腐蚀,致使晶 界成为腐蚀通道[8]。 而晶界上的析出相粗大不连续 时,可以起到阻断腐蚀通道的作用,从而减缓腐蚀速 率。 随预变形量增大,T76 态 7475 铝合金的晶界析出 相之间的宽度逐渐减小,因此抗剥落腐蚀性能逐步 变差。 不同于拉伸预变形的均匀变形,轧制预变形会造成 样品表面变形量大于心部变形量,致使表面位错含量比 心部多,这是轧制预变形试样强度高于拉伸预变形试样 031矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 的一个主要原因。 同理,轧制预变形试样表面晶粒的长 宽比大于心部晶粒,而且当变形量一致时其表面晶粒长 宽比也大于拉伸预变形样品。 Robinson[9]及 Li[10]均认 为晶粒长宽比越大,铝合金抗腐蚀性能越差。 同时,位 错是高能量结构,可以作为腐蚀通道促使腐蚀加快。 因 此,变形量一致时,拉伸预变形处理的试样比轧制预变 形处理的试样强度低,但抗腐蚀性能较好。 4 结 论 1) 拉伸预变形与轧制预变形都会使 T76 时效态 7475 铝合金强度与抗腐蚀性能下降、合金内 η′相减 少、η 相增多、第二相粒子平均尺寸增大、密度减小、晶 界析出相间距减小。 2) 变形量一致时,拉伸预变形处理的试样比轧制 预变形处理的试样强度低,但抗腐蚀性能稍好;试样 T76⁃R3 和 T76⁃S3 的抗拉强度、屈服强度、剥落腐蚀等 级分别为530 MPa、465 MPa、EC和517 MPa、450 MPa、 E B+ 。 3) 为了起到去除淬火应力的同时尽量保持合金 的性能,应控制预变形量小于 3%,并且适当的时候建 议以轧制预变形的方式代替拉伸预变形。 参考文献 [1] Wen K, Fan Y, Wang G, et al. 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Journal of Materials Science Engineering and Performance, 2012,21(7)1479-1484. 引用本文 刘文娟,刘志义,林亮华,等. 预变形方式对 T76 时效态 7475 铝合金组织及性能的影响[J]. 矿冶工程, 2017,37(4)127-131. (上接第 126 页) 颗粒粒径的控制和热性能的改善,同时阻燃玻纤增强 PA6 复合材料的力学性能得到提高。 2) 在复合阻燃剂含量为 18%(mMPP 10%,AHP 8%)时,阻燃玻纤增强 PA6 复合材料均能达到 UL94 V-0 级别,氧指数有所提高。 参考文献 [1] 王章郁. 三聚氰胺聚磷酸盐阻燃玻纤增强尼龙 6 及尼龙 66 的研 究[D]. 成都四川大学高分子科学与工程学院, 2007. [2] 李明猛. 氮磷阻燃剂的制备及其阻燃玻纤增强尼龙 6 和尼龙 66 的研究[D]. 成都四川大学高分子科学与工程学院, 2006. [3] Suzuki K, Shishido K, Shido M. Melamine polymetaphosphate and process for its production US Patent, 6008349[P]. 1999. [4] Horacek H, Reichenberger R, Ritzberger K. Flameproof, glass fiber⁃ reinforced polyamide resin compound with melamine or melemphos⁃ phoric acid reaction products as flame retardantsUS Patent, 6031032 [P]. 2000. [5] Gang Tang, Xin Wang, Rui Zhang. Facile synthesis of lanthanum hypophosphite and its application in glass⁃fiber reinforced polyamide 6 as a novel flame retardant[J]. Composites Part A, 2013(54)1-9. 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