7050铝合金厚板织构,拉伸性能及断裂韧性的不均匀性,张新明

第20卷第2期中国有色金属学报2010年2月Vol.20No.2TheChineseJournalofNonferrousMetalsFeb.2010文章编号：1004-0609(2010)02-0202-077050铝合金厚板织构、拉伸性能及断裂韧性的不均匀性张新明，韩念梅，刘胜胆，宋丰轩，曾瑞林，黄乐瑜(中南大学材料科学与工程学院，长沙410083)摘要：采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、常温拉伸和紧凑拉伸实验，对120mm厚的7050铝合金板材的织构分布、拉伸性能及断裂韧性进行分析。结果表明：沿板材厚度方向，合金的组织、织构、强度及断裂韧性呈不均匀分布；在同一厚度处，合金的强度和断裂韧性具有明显的各向异性；由板材表层到中心，粗大第二相及再结晶晶粒尺寸逐渐增大；板材表层的织构主要由剪切织构{111}〈110〉和立方织构Cube{001}〈100〉组成，中心主要由β取向轧制织构和少量立方织构组成，1/4厚度处是过渡层；由板材表层到中心，轧向及长横向强度呈不均匀变化，板材中心处强度比表层的小；板材同一厚度处，强度和断裂韧性具有明显的各向异性，轧向强度大于长横向和短横向强度，L-T取向的断裂韧性大于T-L取向和S-L取向的断裂韧性；L-T取向的断裂方式主要是穿晶断裂，S-L取向的断裂方式以沿晶断裂为主，T-L取向是混合型断裂，其穿晶断裂比例比L-T取向的穿晶断裂比例小,沿晶断裂比例比S-L取向的沿晶断裂比例小。关键词：7050铝合金；不均匀性；各向异性；织构；拉伸性能；断裂韧性中图分类号：TG146.1文献标识码：AInhomogeneityoftexture,tensilepropertyandfracturetoughnessof7050aluminumalloythickplateZHANGXin-ming,HANNian-mei,LIUSheng-dan,SONGFeng-xuan,ZENGRui-lin,HUANGLe-yu(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Thetexturedistribution,tensilepropertyandfracturetoughnessof7050aluminumalloythickplatewereinvestigatedbyopticalmicroscopy,scanningelectronmicroscopy,transmissionelectronmicroscopy,X-raydiffractometry,tensileandtoughnesstests.Theresultsshowthatthemicrostructure，texture，tensilepropertyandfracturetoughnessareinhomogeneousindifferentlayersalongthethicknessdirection.Atthesamethickness,thetensilepropertyandfracturetoughnessshowappreciableanisotropy.Fromthesurfacetothecenter,theaveragesizesofthecoarsesecondphaseparticlesandrecrystallizationgrainsincrease.Nearthesurfaceoftheplate，typicalsheartextures{111}〈110〉andcubetextures{001}〈100〉areobserved,whilethecenteroftheplateshowstypicalβfibertexturewithascatteringofcubetexture.Thequarterlayeroftheplateseemstoserveasatransitionlayer.Fromthesurfacetothecenter,thestrengthisinhomogeneousintherollingdirectionandlongtransversedirection.Thestrengthinthecenterissmallerthanthatonthesurfaceoftheplate.Thestrengthandfracturetoughnessshowappreciableanisotropyatthesamethickness.Thestrengthintherollingdirectionishigherthanthatinthelongtransversedirectionandtheshorttransversedirection,andthefracturetoughnessintheL-TorientationishigherthanthatintheT-LandS-Lorientationsatthesamethickness.ThefracturemodeintheL-Torientationistrangranularfracture,andintheS-Lorientationthefracturemodeisintergranularfracture.IntheT-Lorientation,thefracturemodeisamixedfracture,thefractionofthetrangranularfractureislowerthanthatintheL-Torientation,andthefractionoftheintergranularfractureislowerthanthatintheS-Lorientation.Keywords:7050aluminumalloy;inhomogeneity;anisotropy;texture;tensileproperty;fracturetoughness基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2005CB623706)收稿日期：2009-01-06；修订日期：2009-06-26通信作者：张新明，教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第20卷第2期张新明，等：7050铝合金厚板织构、拉伸性能及断裂韧性的不均匀性203现代飞机逐渐向大型、高速、多载、长寿命和确保安全方向发展，这就要求结构材料具有更高的强度和更优良的断裂韧性[1−2]。如果能够在不降低合金强度的基础上提高合金的断裂韧性，就可充分发挥合金的应用潜力。7050铝合金的淬火敏感性低，适用于大规格厚板及锻件的生产，特别是7050-T7451预拉伸厚板已广泛用于美国的第四代战斗机F22和F35的主体构件中，并大量应用于Boeing777客机中，主要用作飞机的机身框架、翼梁和尾翼等部件[3]。目前人们对7050铝合金板材的微观组织、热处理过程、变形过程及性能之间的关系做了大量研究[4−5]，但对厚度方向不均匀性的研究较少。铸锭组织不均匀、轧制过程中变形不均匀、固溶中再结晶不均匀和淬火敏感性等因素导致板材的组织、织构及性能沿厚度方向不均匀分布并呈现明显的各向异性，严重地阻碍了其在航空、航天领域的应用[6−9]。因此，本文作者对120mm厚的7050-T7451轧制板的显微组织、拉伸性能、织构、断裂韧性进行研究，探讨影响厚板不均匀性和各向异性的因素，以期能为改善厚板的不均匀性并提高材料的强度、断裂韧性提供依据。1实验实验选用的材料为120mm厚的7050-T7451铝合金轧制板材。合金实际分析成分为(质量分数，%)：Zn5.89，Mg2.16，Cu1.99，Zr0.11，Fe0.08，Si0.03，余量为Al。沿板材厚度方向从表面到中心间隔均匀取5个厚度为2.5mm的板材，按国家标准GB/6497—14规定加工轧向(LT)和长横向(TL)的拉伸试样，垂直板材厚度方向取2.5mm厚的板材，加工短横向(SL)的拉伸试样，在CSS44100电子万能实验机上进行拉伸力学性能测试。织构样品也在2.5mm厚的板材上切取，试样尺寸为24mm×14mm×2.5mm，试样表面采用氢氧化钠溶液腐蚀以减少试样表面的残余应变和应力的影响。织构测定在BrukerD8Discover型X射线衍射仪上进行,管电压为40kV,管电流为40mA,采用CuKα辐射,用Schulz背反射法测量{111}、{200}、{220}和{311}4张不完整极图,测得的极图经修正后，采用Bunge级数展开法计算取向分布函数,结果用恒φ2(Δφ2=5˚)截面图表示。采用TANG等[10]提出的方法进行织构的定量计算，角度偏差在15.5˚以内视为同一种织构。按照国家标准GB—4161规定：当板材厚度大于二倍试样厚度时，应在材料1/4厚度处取样。故在本实验中在板材1/4厚度处切取24mm厚的板材，制备T-L、L-T、S-L3个取向的标准紧凑拉伸试样，测量其断裂韧性。样品经过粗磨、抛光后用铬酸试剂腐蚀,在XJP-26A型金相显微镜上进行组织观察。在KYKY-2800扫描电镜下观察不同厚度层的组织结构，对比观察粗大第二相、再结晶晶粒的大小与分布，并对粗大第二相粒子合金元素的能谱进行分析。采用扫描电镜观察试样的断口形貌，加速电压为20kV。2实验结果2.1铝合金的组织观察7050铝合金纵向面的金相组织如图1所示。由图图17050铝合金纵向面的金相组织Fig.1Opticalmicrographsof7050aluminumalloyplate:(a)Nearplatesurface;(b)Atquarterlayerofplane;(c)Atcenterofplane中国有色金属学报2010年2月2041可知：试样发生部分再结晶，由大量细小的亚晶和异常粗大的再结晶晶粒组成；腐蚀后再结晶区域呈白色,未再结晶区域含大量亚晶,腐蚀后呈黑色；横断面上的再结晶晶粒呈类等轴状，纵向面和轧制面上的再结晶晶粒沿轧向拉长，整个再结晶晶粒呈扁平状；表层主要是大量的亚晶和少量的再结晶，再结晶晶粒的尺寸较小；板材1/4厚度处，再结晶晶粒所占比例明显增大，再结晶晶粒尺寸也变大；板材中心处再结晶晶粒的尺寸进一步增大。在不同厚度处7050铝合金的SEM像如图2所示。由图2可见，粗大第二相以链状形式沿轧制方向分布，从板材表层到中心，第二相尺寸明显增大；粗大第二相多分布在再结晶晶粒内部，表明再结晶是通过粗大第二相诱发形核的。对第二相粒子进行能谱分析，发现一些第二相主要含Al，Cu和Mg元素，摩尔比约为2׃1׃1，形貌为规则椭球状，应为S相(Al2CuMg)；有些第二相主要含Al，Cu和Fe元素，形状不规则，化学成分接近Al7Cu2Fe相；还有一部分第二相含大量Mg和Si元素，化学成分接近(Al)Mg2Si。由文献[11]的研究结果可知，这些是在铸造或均匀化过程中形成的不溶化合物。2.2再结晶织构图3所示为7050铝合金厚板不同厚度层的织构。由图3可知，板材中主要有3种类型的织构：剪切织构(旋转立方织构r-cube{001}〈110〉,{111}〈110〉织构)、再结晶织构(立方织构Cube{001}〈100〉，CubeND织构(绕法向旋转20˚~25˚的立方织构))和变形织构(黄铜织构Brass{011}〈211〉(B),S织构{123}〈634〉和铜织构Copper{112}〈111〉)。板材表层和1/8层处主要是剪切织构(旋转立方织构r-cube{001}〈110〉,{111}〈110〉织构)和立方织构Cube{001}〈100〉；中心层和3/8层处主要图27050厚板纵向面上不同厚度层的第二相分布及能谱分析Fig.2SEMimagesof7050aluminumalloyplateatdiff