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第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．1 F e b r u a r y2 009 C u 含量对A l C u 一0 ．4 M g 一0 ．6 A g 合金 组织与力学性能的影响 肖代红1 ，王健农2 ，陈康华1 1 ．中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙4 10 0 8 3 ；2 ．上海交通大学材料学院，上海2 0 0 0 3 0 摘要通过拉伸测试、差热分析 D S C 、扫描电镜 S E M 及透射电镜 T E M ，研究c u 含量对A I - C u ．0 ．4 M g ．0 ．6 A g 合金的显 微组织与力学性能影响。结果显示，增加c u 的含量，能提高合金的时效硬化与抗拉强度。添加8 ．0 ％C u 合金的室温抗拉强度从 4 3 4 M P a 增大到5 5 9 M P a ，延长率保持在9 ％以上，3 0 0 ℃时，合金的抗拉强度从1 4 1 M P a 增大到2 2 8 M P a 。1 8 5 ℃蜂时效时，A l C u - 0 ．4 M g m ．6 A g 合金的主要强化相由片状n 相和少量口7 相组成。随着c u 含量的增加，峰时效态合金中的n 相体积分数增大。提 高C u 的含量不仅能提高合金的固溶强化与时效强化作用，而且过量的C u 生成的o c 删2 相能起到弥散强化的作用，有助于提高 合金的高温性能。 关键词金属材料；铝合金；显微组织；力学性能；时效 中图分类号- T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 5 6 ．9 ；T G l l 3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 0 6 0 5 在高C u ／M g 比例的灿．C u M g 合金中加入微 量A g ，合金中析出一种新的时效强化相 0 相 【卜3 l ，该相在1 5 0 ～2 5 0 ℃的温度下具有优良的 热稳定性，从而改善了合金的高温力学性能。因此， 趾一C u ．M g ．A g 系铝合金有望成为新一代的中温耐热 铝合金。早期对～．C u ．M g ．A g 合金的研究主要集 中于力相的晶体结构【4 _ 6J ，其结构还在争论之中， 但通常认为是一种正交晶系结构的相，呈片状，在基 体的{ 1 1 1 } 。面上形核，化学组成近似为C 刖地。0 相在2 5 0 ℃以上的温度下长时间时效将会使得0 沉 淀相最终被非共格的口相所取代，从而使合金的耐 热性能明显下降【4 ，7J 。 最近几年来，国内针对舢．C u ．M g ．A g 合金，在 微合金化[ 4 ，8 1 1 ] 及其热处理工艺[ 1 2 1 3 ] 方面开展了 系列研究工作。然而，该系合金中的主要添加元素 C u 的含量对合金的析出相及其高温性能的影响研 究相对较少。为此，采用工业化的铸锭冶金的工艺， 制备一系列不同C u 含量的～一C u ．0 ．4 M g 一0 ．6 A g 合 金，并对其时效过程与力学性能进行研究，以期能对 该合金的工业化生产提供可行性参考。 收稿日期2 0 0 7 0 2 0 7 基金项目9 7 3 国家重点基础研究发展规划 G 1 9 9 9 0 6 4 9 0 0 ， G 2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 4 ；中国博士后科学基金 2 0 0 7 0 4 1 0 9 8 6 作者简介肖代6 1 9 7 1 一 ，男，湖南涟源市人，副研究员，博士，主 要从事高强铝合金组织与性能等方面的研究。 1实验方法 所用～一C u ．0 ．4 M g ．0 ．6 A g 合金的名义成分如 表1 所示。原材料采用A 0 0 纯铝、工业纯镁、电解 铜以及白银等形式加入。合金通过真空熔炼氩气保 护浇铸成圆锭，5 0 0 ℃匀化退火后在4 0 0 ℃以挤压比 为1 0 的工艺热挤压成棒材，合金的淬火时效工艺采 用5 2 5 ℃淬火 水冷 ，分别在1 8 5 ℃及2 5 0 ℃进行时 效处理。 试样的硬度在H v 一5 0 维氏计上检测。对固溶 淬火态合金进行D S C 分析，以探讨合金的时效过 程，所用仪器为差示扫描量热仪 D S C 5 P 。拉伸测 试在带高温炉的岛津A G 一1 0 0 K N A 试验机上进行， 采用≯5 m m 2 5 r a m 棒状标样，拉伸应变速度为 0 ．5 m m ／m i n ，试样均为3 个，取平均值。室温和高 温拉伸试验程序按照G B 2 2 8 ．8 7 金属拉伸试验方 法及G I M 3 3 8 ．8 4 金属高温拉伸试验方法中有关 规定进行。试样拉断后，采用S - 5 2 0 扫描电镜对断 口进行观察。显微分析在J E M 一1 0 0 C X 型透射电镜 上进行，薄膜试样采用电解双喷减薄，电解液为 3 0 ％硝酸和7 0 ％甲醇混合液。 表1 试验合金成分／％ T a b l e1 C o m p o s i t i o n so fp r e s e n ta l l o y s 万方数据 第1 期肖代红等C u 含量对～一C u ．0 ．4 M g 一0 ．6 A g 合金组织与力学性能的影响7 2 试验结果与分析 C u 的含量对合金在1 8 5 ℃下时效硬化过程的 影响见图1 。结果显示，C u 含量并不改变A 1 ．C u ． 0 ．4 M g 一0 ．6 A g 合金的时效过程，即三种合金均经历 了欠时效、峰时效和过时效，其峰时效时间也没发生 明显改变，均约为7 4 0 m i n 。然而，C u 含量增加，提 高了时效硬化水平，如合金3 的峰硬度为1 4 1 H V ， 而合金2 增加到1 6 2 H V ，进一步增加C u 含量的合 金1 的峰硬度最大，达1 7 0 H V 。 童 越 罄 戗 舞 时效时间，l l 图1 试验合金在1 8 5 ℃时的等温时效硬化曲线 F i g ．1H a r d n e s sc u r v e so fa l l o y sa g e da t1 8 5 ℃ 对三种合金经过固溶淬火处理后，作D S C 分 析，结果如图2 所示。D S C 曲线均显示出一个吸热 峰 A 峰 和一个放热峰 C 峰 ，文献认为【1 4 ] ，A 峰 是由于G P 区的溶解所致，而C 峰对应的是n 相的 析出，表明C u 含量的增加并不改变合金的时效过 程，这与时效硬化过程 图1 的试验结果一致。从 图2 也看到，随C u 含量增加，A 峰变得明显，表明 H R 3 0 合金因C u 的过量而在时效初期析出了较多 G P 区，而C 峰也变得更为尖锐，所对应的面积增 大。峰面积增大，表明析出相体积分数增大。因此 C u 含量的增加，提高了力相的析出体积分数。 表2 为不同C u 含量对合金在0 ．5 m m ／m i n 拉 伸速率下的拉伸性能影响。结果显示，含8 ．0 ％C u 的合金1 在室温下具有最高的抗拉强度，抗拉强度 c r 6 达到5 5 9 M P a ，比合金3 相应的％为4 3 4 M P a 高 出1 0 0 M P a 以上，而C u 含量为6 ．0 ％C u 的合金2 ， 抗拉强度也超过了5 0 0 M P a 。在3 0 0 ℃时测试表明， 随着C u 含量的增加，合金的高温性能也提高，如合 金1 的抗拉强度为2 2 8 M P a ，而合金3 只有 1 4 1 M P a 。延伸率测试显示，随着C u 含量的增加，合 金在室温下的延长率减小，但还能达到9 ％。同时 对屈服强度变化趋势的分析表明，从室温到2 0 0 ℃， 合金1 的高温屈服强度衰减速率最高，其次是合金 2 ，最低是合金3 。从2 0 0 1 2 到3 0 0 ℃的范围内，合金 3 的衰减速率明显加快，而合金2 和合金1 则较慢， 特别是合金1 ，在3 0 0 ℃时，其屈服强度还能达到室 温屈服强度的4 3 ％，表明含高C u 8 ．0 ％C u 的合金 具有较好的耐热性能。 温度，℃ 图2 试验合金的固溶淬火态D S C 曲线 升温速度1 0 ℃／m i nJ F i g ．2D S Cc u r v 鹛o fa l l o y sa f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t a n dq u e n c h i n g s c a n n i n gr a t e l O ℃／r a i n 表2 不同C u 含量合金的拉伸性能比较 T a b l e2T e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ea l l o y sw i t hd i f f e r e n t C uc o n t e n t sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 图3 为三种实验合金在室温和3 0 0 ℃时的拉伸 断口S E M ，断口均为典型的韧性断裂。室温时断口 为穿晶断裂，而高温时为沿晶断裂，有大量的韧窝存 在。合金1 和合金2 中的韧窝分布较为均匀 平均 尺寸约2 弘m ，远比合金3 平均为2 5 肛m 低。同时 从图3 a 与3 b 可以看到，在室温和高温下，合金 1 拉伸断口的韧窝底部发现二次粒子，能谱分析表 明，这些粒子为0 C u A l 2 相，这是由于该合金中的 万方数据 8有色金属 第6 1 卷 C u 含量超过其在舢中的固溶度 5 ．6 ％ ，过量的C u 以0 相的形式析出，成为韧窝的形核位置。 图3 试验合金在室温[ a 。 c ． e ] 和3 0 0 ℃“b ， d 。 f ] 时的拉伸断口S E M F i g ．3 S E Mf r a c t o g r a p h so fa U o yt e n s i l e - t e s t e da tr o o mt e m p e r a t u r e [ a ， c ， e ] a n d3 0 0 E [ b ， d ， f ] 图4 为合金1 与合金3 在1 8 5 “ C 峰时效及C u 含量的增加并不改变强化析出相的种类，但有助 2 5 0 ℃时效2 0 h 后的T E M 。从图4 可以看出，经过于提高n 相的析出体积分数。 1 8 5 ℃峰时效处理，合金1 与合金3 在峰时效态的时在铝合金中，当强化相为片状析出相时，合金的 效析出相均由片状n 相和少量口7 相组成，表明C u屈服强度的增量△口可表示为式 1 [ 1 5 ] ，式中M 一 含量的增加并不改变强化相的种类。但合金1 [ 图3 泰勒因子；G 一剪切模量；b 一滑移面上位错的 a 所示] 中n 相的体积分数明显高于合金3 。表明 B u r g e r s 矢量；r o 一位错线曲率半径；r 一片状相在惯 图4 合金1 a 与合金3 b 在1 8 5 ℃ 峰时效后的T E M F i g ．4T E Mm i c r o g r a p h so fa l l o y s1 a a n d3 b a f t e rp e a k - a g i n ga t1 8 5 ℃ 习面上的半径；h 一片状相的半厚尺寸；厶一片状相 的体积分数。 △仃 0 ．1 2 M G 6 ／[ 2 r h 1 ／ 2 ] [ 厶1 ／2 十0 ．7 0 r ／ h x ／2 0 ．1 2 r ／h 厶∽] I n 0 ．1 5 8 r ／r o 1 从图4 可知，在峰时效态下，随C u 含量的增 加，A 1 ．C u ．0 ．4 M g ．0 ．6 A g 合金中片状n 相的体积分 数增大。因此，根据式 1 可知，增加C u 的含量有 利于提高合金强度。 从文献可知，n 相的形核析出受C u 原子的扩 散控制n6 l ，C u 原子的扩散可以通过空位机制、位错 扩散机制及亚晶界和晶界扩散机制来进行。对于 A I ．C u ．M g ．A g 合金而言，C u 原子与空位有很高的结 合能 0 ．2 e V 【l6 I ，C u 原子的空位扩散机制在合金中 起了重要的作用。合金经过固溶处理并淬火后，形 成了过饱和固溶体，其中存在着大量的自由空位。 这些空位会出现以下几种情况一是空位被M g 和 A g 原子所束缚，形成了M g ／A _ g ／v a c a n c y 聚合体 c o - 万方数据 第1 期肖代红等C u 含量对～一C u 一0 ．4 M g - 0 ．6 A g 合金组织与力学性能的影响 9 c l u s t e r ，作为0 相形核的核心；二是自由空位湮没 在晶界等缺陷处；三是空位聚集成空位团，崩塌形成 位错环作为新相形核的核心；四是自由空位与C u 原子相结合，而促进C u 原子的扩散。在上述几种 情况中，大部分的自由空位最有可能和C u 原子相 结合，这是因为合金 8 ．0 ％C u 中，C u 原子浓度比其 他合金元素要高，自由空位除用于形成M g ／A g ／v a c a n c y 聚合体 c o ．c l u s t e r 的需要外，过量的空位基本 上与C u 原子相结合，促进C u 原子的扩散，从而加 速0 相的析出。同时，C u 与空位形成的C u ／v a c a n ． c y 聚合体也可作为G P 区形核的核心，促进G P 区 的析出，在随后的时效过程中形成口7 相。 另外，当C u 的含量超过其在舢中固溶度时 如 合金1 ，过量的C u 形成o c 州2 弥散相，这种弥散 相对合金的室温拉伸性能影响不很明显，但在高温 下，却能起到一定的弥散强化作用，使合金的高温耐 热性能得到提高。 3结论 C u 含量影响砧．C u ，o ．4 M g 一0 ．6 A g 合金的时效 硬化和力学性能。增加C u 的含量，能提高该合金 的室温抗拉强度和高温耐热性能。当C u 的含量达 到8 ．0 ％时，其室温抗拉强度达5 5 9 M P a 。在2 0 0 ℃ 以下，C u 含量越高，合金的抗拉强度随温度的升高 发生的下降越显著，但超过2 0 0 ℃时，却能显著提高 合金的耐热性能。在3 0 0 “ C 时，含高C u 8 ．O ％ 的 合金，其抗拉强度可达2 0 0 M P a 以上。提高C u 的含 量不仅能提高合金的固溶强化作用，而且过量的C u 生成的0 C u A l 2 相能起到弥散强化的作用，有助于 高温耐热性能的提高。灿．C u 一0 ．4 M g 一0 ．6 A g 合金的 主要强化相由0 相和少量口7 相组成。随着C u 含量 的增加，峰时效态合金中的n 相体积分数增大。 参考文献 [ 1 ] V i e t zJT ，P o l m e a rIJ ．T h ei n f l u e n c eo fs m a l la d d i t i o n so fs i l v e ro nt h ea g e i n go fa l u m i n u ma l l o y s [ J ] ．JI n a tM e t ，1 9 6 6 ，9 4 1 2 4 1 0 4 1 9 ． [ 2 ] P o l m e a rlJ ，C o u p e rMJ ．D e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa ne x p e r i m e n tw r o u g h ta l u m i n u ma l l o yf o ru 鸵a td e v a t e dt e m p e r a t u r e s [ J ] ．M e t a U T r a m A ，2 0 0 0 ，1 9 4 1 0 2 7 1 0 3 5 ． [ 3 ] 肖代红，王健农，陈世朴，等．微量A g 对A I - 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C u - M g - A ga l l o y [ J ] ．JA l l o y sC o m p d ，2 0 0 3 ，3 5 2 1 ／2 8 4 8 8 ． [ 9 ] 肖代红，王健农，丁冬雁．微量C e 和T i 对A I C u M g A g 合金组织和性能的影响[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 4 ，3 3 4 4 0 4 4 0 7 ． [ 1 0 ] X i a oDH ，W a n gJN ，D i n gDY ．E f f e c to fT iA d d i t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l lA l - C u M g - A g a U o y [ J ] ．M a t e rS c iT e c h n o l ，2 0 0 4 ，2 0 9 1 1 9 9 1 2 0 4 ． [ 儿] S o n gM i n ，C h e nK a n g - h u a ，H u a n gL a n - p i n g ．E f f e c t so ft r a c ee l e m e n tA go nm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA l - 8 C u - 0 ．5 M ga l l o y [ J ] ．T r a n aN o n f e r r o u sM e tS o cC h i n a ，2 0 0 6 ，1 6 7 6 6 7 7 1 ． [ 1 2 ] 杨海龙，王健农，肖代红．新型耐热铝合金A l - C u - M g ．A g 棒材固溶处理温度的研究[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 3 ，2 6 1 1 6 1 8 ． [ 1 3 ] 余日成，刘志义，刘延斌，等．A l - C u - M g - A g 系高强耐热合金的热加工工艺研究[ J 】．金属热处理，2 0 0 6 ，3 1 5 7 4 7 9 ． [ 1 4 ] J e n a A K ，G u p t a A K ，C h a t u r v e d iM C ．D i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r i c i n v e s t i g a t i o n o fp r e c i p i t a t i o nk i n e t i c s i n t h e A l - 1 ．5 3 w t ％C u - 0 ．7 9w t ％M ga l l o y [ J ] ．A c t aM e t a U ，1 9 8 9 ，3 7 3 8 8 5 8 9 5 ． 【1 5 ] Z h uAW ，S t a r k eJ REA ．S t r e n g t h e n i n ge f f e c to fu n a h e a r a b l ep a r t i c l e so ff i n i t es i z e Ac o m p u t e re x p e r i m e n t a ls t u d y [ J ] ．A c t a M a t e r 。1 9 9 9 。4 7 1 1 3 2 6 3 3 2 6 9 ． 万方数据 1 0 有色金属第6 1 卷 [ 1 6 ] H u a n gB i p i n g ，Z h e n gZ i ．q i a o ．I n d e p e n d e n ta n dc o m b i n e dr o l e so ft r a c eM Sa n dA ga d d i t m r t si np r o p e r t i e sp r e c i p i t a t i o np r o c e s s a n dp r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f ～．C u - L i ． M g 一 a g 一Z r - T ia l l o y s 【J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 8 ，4 6 1 2 4 3 8 1 4 3 8 8 ． E f f e c to fC uC o n t e n to nM i c r o s t r u c t u r ea n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f A l - C u - 0 ．4 M g - 0 ．6 A gA l l o y X I A OD a i ．h a n 9 1 ，W A N G 胁咒一n o n 9 2 ，C H E NK a n g - h u a 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP o v M e rM e t a l l u r g y ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fC uc o n t e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA I C u ．0 ．4 M g ．0 ．6 A ga l l o y si s i n v e s t i g a t e db yt e n s i l et e s t i n g ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y D S C ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y S E M a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y T E M ．I ti ss h o w nt h a tt h ea r t i f i c i a la g i n gp r o c e s so ft h ea l l o y si si m p r o v e da n dt h et e n s i l es t r e n g t hi Si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eC uc o n t e n t ．C uc o n t e n tf r o m4 ．0 ％i n c r e a s e d t o8 ．0 ％，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l o yi Si n c r e a s e dt o5 5 9 M P a f r o m4 3 4 M P aa tt h er o o mt e m p e r a t u r e ．a n dt o 2 2 8 M P af r o m1 4 1 M P aa t3 0 0 ℃，r e s p e c t i v e l y ．T h es p e c i f i ce l o n g a t i o no ft h ea l l o yw i t h8 ．0 ％C ui sm o r et h a n 9 ％a tt h er o o mt e m p e r a t u r e ．T h ec o h e r e n tp l a t e ，l i k e0p h a s ea n das i n a i la m o u n to f0 7p h a s ea r et h ep r e d o m i n a n th a r d e n i n gp h a s e si nt h eA 1 一C u 一0 ．4 M g 一0 ．6 A ga l l o y sa tp e a k - a g e ds t a g ea t1 8 5 ℃a n dt h eq u a n t i t yo ft h en p h a s ei si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eC uc o n t e n t ．T h ei n c r e a s eo ft h eC uc o n t e n tn o to n l yi m p r o v e st h es o l i d s o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e c t ，b u ta l s oi n c r e a s e st h ec o n t e n to f0 C 成2 p h a s e ，w h i c hs h o w sd i s p e r s i o n s t r e n g t h e n i n ge f f e c t ，s oi ti sh e l p f u lt oi m p r o v et h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h ea l l o y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u ma l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；a g i n g 万方数据
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