晶粒尺寸及Taylor因子对过时效态7050铝合金挤压型材横向力学性能的影响- (1)

第52卷2016年1月Vol.52No.1ACTAMETALLURGICASINICA第1期Jan.2016晶粒尺寸及Taylor因子对过时效态7050铝合金挤压型材横向力学性能的影响*顾伟李静媛王一德(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)摘要采用常温冲击实验和拉伸实验研究了大断面7050铝合金型材横向3个典型位置的力学性能的差异,并通过OM,EBSD和TEM分析了其显微组织.结果表明:晶粒尺寸约为12μm的型材芯部比晶粒尺寸约为6μm的边部的屈服强度高,其原因是芯部较硬Copper取向的形变织构组分更强.根据固溶合金元素含量所得的固溶强化项、亚晶粒尺寸所得的晶界强化项和合金的屈服强度可计算Taylor因子,芯部为3.925,边部为2.257.晶界强化模型中Hall-Petch模型比Nes模型更适用于计算固溶后的晶界强化对合金屈服强度的贡献.此外,还建立了3种试样过时效态冲击功与亚晶粒尺寸之间的线性关系.关键词7050铝合金,晶界强化,Taylor因子,冲击功,屈服强度中图法分类号TG146.21文献标识码A文章编号0412-1961(2016)01-0051-09EFFECTOFGRAINSIZEANDTAYLORFACTORONTHETRANSVERSEMECHANICALPROPERTIESOF7050ALUMINIUMALLOYEXTRUSIONPROFILEAFTEROVER-AGINGGUWei,LIJingyuan,WANGYideSchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondent:LIJingyuan,professor,Tel:[phone],E-mail:[e-mail]hTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2013AA032402)andProjectontheIntegrationofIndustry,EducationandRe-searchofGuangdongProvince(No.2015B090901044)Manuscriptreceived2015-03-25,inrevisedform2015-11-11ABSTRACTGenerally,itisbelievedthatinsidethematerialthesmallergrainsizeis,thehigheryieldstrengthis.Inadditiontothiseffect,grainrefinementmethodalsoensuresthatthetoughnessofthematerialisnotreduced.However,itisfoundthattherelationshipbetweenthegrainsizedistributionandmechanicalpropertiesiscontradic-tionwiththislawafterthepropertieshavebeenstudiedinthetransversedirectionofalargecross-section7050alu-minumalloyprofile.Thatis,theimpactenergyandyieldstrengthinthecenterwithalargegrainsizeishigherthanthoseattheedgewiththesmallergrainsizeinthethickestsectionoftheprofile.Besidesthat,duringtheestablish-mentoftheyieldstrengthmodelinover-aging7050aluminumalloy,therearetwomodelsforthegrainboundarystrengtheningwhichareNesmodelandHall-Petchmodel,sothechoicefromthesemodelisfoundtoaffectthefi-nalresultsoftheyieldstrengthmodel.Inordertostudyandunderstandthereasonsforthisphenomenon,thediffer-enceofmechanicalpropertiesdistributioninthecross-sectionof7050aluminumextrusionprofilehasbeeninvesti-*国家高技术研究发展计划项目2013AA032402和广东省教育部产学研结合项目2015B090901044资助收到初稿日期:2015-03-25,收到修改稿日期:2015-11-11作者简介:顾伟,男,1986年生,博士生DOI:10.11900/0412.1961.2015.00163第51-59页pp.51-59金属学报第52卷gatedbyimpacttestandtensiletestatnormaltemperature,meanwhile,themicrostructureshavebeenanalyzedbyOM,EBSDandTEM.Theresultsshowthatlotsoftheharderdeformationtextures,i.e.,coppertextureinthecoreoftheprofileleadtohigheryieldstrengthinthecorewithgrainsizeof12mmthanthatintheedgewithgrainsizeof6mm.TheTaylorfactorcouldbecalculatedafterthesolutionstrengtheningbyalloyingelements,grainbound-arystrengtheningbythesub-grainandtheyieldstressofthealloy,atlast,itreachesto3.925inthecore,whilethatisjust2.257intheedge.ComparedwithNesmodel,theHall-Petchmodelismuchpreferabletothecalculationofgrainboundarystrengtheninginyieldstressof7050aluminumalloysaftersolidsolutiontreatment.Itisestab-lishedthatthereisalinearrelationshipbetweenimpactenergyandgrainsizeofthreeover-agingspecimens.KEYWORDS7050aluminiumalloy,grainboundarystrengthening,Taylorfactor,impactenergy,yieldstrength7050高强铝合金由于比强度高,可承受高载荷,因而其挤压型材广泛用于飞机机翼壁板、梁等结构[1~3].但由于铝合金型材在挤压时受力及变形不均匀会造成合金组织出现各向异性[4,5],而且这种特征的组织难以通过热处理消除,从而造成合金的力学性能沿型材截面边缘到芯部呈梯度分布[6~8].铝合金的组织和力学性能这种状态将严重影响产品的使用寿命,因此对铝合金组织和性能的各向异性的研究显得尤为重要.铝合金的强化机制有固溶强化、晶界强化、位错强化、析出强化、层错强化和模量强化等,因此,经不同的塑性加工或热处理,合金的强度存在较大差异.Marthinsen等[9,10]建立、发展并完善了金属塑性流变过程的组织演变和强度模型,并应用于铜合金的加工硬化过程.Vershinin和Nes[11]研究了2024-T3铝合金的塑性强化模型.Dixit等[12]对上述6种强化机制的常用模型及各机制对7050铝合金屈服强度的贡献进行了综述.王小娜等[13]总结了铝合金时效过程不同形状析出相的生长模型,并建立了时效态铝合金的屈服强度模型.Starink和Wang[14]系统研究了过时效状态下7050铝合金由固溶强化、晶界强化、析出强化和Taylor因子构成的屈服强度模型及合金元素含量波动对强度的影响.这些研究[9,10,13,15~17]都以材料内组织均匀分布为前提,分析构成屈服强度模型中各材料参数对该强度的影响.然而,实际材料由于生产工艺及产品形状等原因,其内部组织常呈不均匀分布状态,进而导致性能不均匀分布[4,18,19].虽然陈军洲等[8]研究了热轧7055铝合金板不同厚度层上晶粒形貌和织构组分对屈服强度的影响,但是并未对屈服强度模型进行深入研究.事实上,不考虑热处理过程在合金各厚度层产生的组织差异,经热处理仍保留的变形组织对合金强度的影响的模型研究[8,14]较少.本工作采用大断面7050铝合金型材,分析了其横向3个典型位置分别经过T76,T74和T73过时效处理后的冲击性能和拉伸性能,研究了晶界强化机制及晶界强化模型,还计算了各层Taylor因子及其对合金屈服强度的贡献.1实验方法实验采用挤压比为7.34的7050铝合金挤压型材,其主要化学成分(质量分数,%)为:Zn5.84,Mg2.32,Cu2.04,Zr0.11,Fe0.039,Si0.041,Ti0.012,Al余量.如图1所示,在型材最厚部分的横向中心线上,用线切割分别切取芯部、中边部和边部这3个试样,编号分别为C,M和E.将切下的试样作固溶淬火处理和过时效处理,具体工艺为:477℃保温1h固溶处理,水淬,转移时间小于5s,简称为SQ;121℃保温6h后升温至177℃,再分别保温3,6和12h作为T76,T74和T73过时效处理.试样的编号由位置编号和热处理编号构成,如C-T76表示在7050铝挤压型材横截面中心位置C经T76过时效处理的试样.将沿型材3个典型位置的挤压方向(extrusiondirection,ED)切下的圆棒作上述热处理,然后按照GB/T16865-1997制成直径10mm,标距50mm的标准拉伸试样,再根据GB/T228.1-2010在Instron万图17050铝合金大断面型材及试样取样位置示意图Fig.1Schematicof7050aluminumalloyextrusionprofileandpositionsof3specimens(ND,EDandTDrepre-sentnormaldirection,extrusiondirectionandtrans-versedirection,respectively.C,MandEstandforthepositionofcenter,mediumandedgeofthethick-estsectionintheextrusionprofile,respectively)52第1期能电子拉伸机上进行拉伸实验.冲击试样参照GB/T2975-1998制作,V型切口选在图1中平行于横向(normaldirection,ND)的型材面上.根据GB/T229-2007在SANS2302-B型金属摆锤冲击试验机上采用150J小摆锤进行常温冲击实验.将3个位置所有状态的试样预磨、抛光后,采用Graff试剂(3gCrO3+1.5mLHF+15.5mLHNO3+83mLH2O)侵蚀,然后在DM2500M光学显微镜(OM)下观察试样上垂直于ED的平面内的晶粒形貌.通过ImageProPlus软件统计这些金相照片中的晶粒尺寸.采用LEO-1450型扫描电镜(SEM)对E和C位置上的固溶淬火态试样进行电子背散射衍射(E