aa門店鋁合金板材的組織性能

aa門店鋁合金板材的組織性能

由于織構(gòu)、顆粒形狀和方向差異的影響，鋁合金板在45角的方向上通常具有最低的彎曲強(qiáng)度。但是鋁合金板材屈服強(qiáng)度厚度方向的各向異性缺少定量的表征，一般認(rèn)為板材中心厚度處具有較高的屈服強(qiáng)度，而表面層附近的屈服強(qiáng)度最低。AA7055鋁合金是由美國鋁業(yè)公司(Alcoa)開發(fā)的一種Al-Zn-Mg-Cu系新型超高強(qiáng)鋁合金，通過先進(jìn)熱處理工藝(T77處理)，使該合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力，并已在Boeing777和A380上得到應(yīng)用。目前，該合金在國內(nèi)的研究還處于起步階段。本文通過細(xì)致研究AA7055鋁合金板材不同厚度層微觀組織、織構(gòu)的變化特征，成功地解釋了該合金屈服強(qiáng)度在厚度方向的各向異性。1材料的力學(xué)性能和組織試驗材料采用美國鋁業(yè)公司提供的厚19mm的7055-T77鋁合金軋制板材，其化學(xué)成分見表1。將板材沿厚度方向平均分成9層，每層厚約2mm?？紤]到對稱性，只對上表層到中心層（共5層）進(jìn)行力學(xué)性能測試和組織觀察。常溫拉伸試驗在Instron5500萬能電子拉伸機(jī)上完成，試樣標(biāo)距尺寸為15mm×6mm×1.5mm。拉伸方向與板材的軋制方向平行。為了避免試樣表面劃痕對性能的影響，拉伸試樣表面依次用320#、600#和800#金相砂紙?zhí)幚怼＠醚b配在JEOL733電子探針上的背散射電子衍射（EBSD）系統(tǒng)來表征板材不同厚度層的組織和織構(gòu)。試樣測試前經(jīng)機(jī)械拋光和電解拋光。電解液為10%HCLO4+90%C2H5OH，電解溫度為–30℃，電解時電壓控制在30V。2試驗結(jié)果2.1中心層和表層層間距圖1為AA7055-T77鋁合金板材不同厚度層(L1)的屈服強(qiáng)度與中心層(L5)屈服強(qiáng)度的比值曲線。從圖中看出屈服強(qiáng)度的比值從表層到中心層依次升高。從L1到L2增加緩慢，在L3層比值出現(xiàn)躍變，即屈服強(qiáng)度比值突然上升；隨后，從L3到L5比值增加又變緩慢。這表明板材的屈服強(qiáng)度在厚度方向上呈現(xiàn)梯度變化，板材表層附近的屈服強(qiáng)度較低，而中心層的屈服強(qiáng)度最高。這一現(xiàn)象被稱為屈服強(qiáng)度的厚度方向的各向異性。另外，L3層(板材1/4厚度處)的屈服強(qiáng)度較L1和L2層有較大變化，暗示此層內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變化。2.2晶界與組織的邊界圖2給出了L1、L3和L5層的晶粒結(jié)構(gòu)。圖中黑線表示晶界取向差角大于15°的邊界，灰白線表示晶界取向差角在2°～15°之間的邊界，鑒于誤差，忽略了晶界取向差角小于2°的邊界。從圖中可以看出3層組織的差異較大。L1層(近表面層)晶粒大部分呈等軸狀，隨著觀察區(qū)域逐漸往板材中心移動，晶粒逐漸沿軋制方向拉長。L5層(中心層)晶粒幾乎與軋制方向一致。另外，還可以看出小角度晶界的含量隨著離表層距離的增加而增加。這種厚度方向組織變化特征揭示了再結(jié)晶程度從板材邊緣逐漸向中心減弱的趨勢。2.3co東南角cup構(gòu)造表2給出了各層中主要織構(gòu)組分的最高強(qiáng)度值。從表2中可以看出中心層附近(如L4、L5層)為典型的軋制織構(gòu)，取向都分布在β取向線上，其組分分別是Brass{011}<211>（35°，45°，90°）取向，S{123}<634>（61°，34°，64°）取向以及Copper{112}<111>（90°，35°，45°）取向（括弧內(nèi)的是它們的3個歐拉角）。而邊緣附近(如L1、L2層)為剪切型織構(gòu)，尤以{001}<110>(又稱CubeND)取向最強(qiáng)烈，其次是{112}<110>取向，其余的為Random隨機(jī)取向。L3為過渡層，兼有兩類織構(gòu)，但是強(qiáng)度相對較弱。從不同層主要織構(gòu)組分演變情況來看，Brass、S、Copper3個取向的最大強(qiáng)度從板材中心到表面逐漸減小。而且各層的軋制型織構(gòu)中Bras取向的含量最大，其次是S、Copper最小。與之相反，CubeND和{112}<110>取向的最大強(qiáng)度從板材中心到表面逐漸增大。另外，Cube取向在各層的含量均較低。圖3是L2和L3層的ODF圖。從圖中可直觀地看出這兩層的織構(gòu)類型具有很大差別。3織構(gòu)變化對屈服強(qiáng)度的影響在熱處理時板材內(nèi)部會發(fā)生不同程度的再結(jié)晶過程。再結(jié)晶可引起兩種變化，一是可降低(亞)晶界的數(shù)目(即引起晶粒結(jié)構(gòu)變化)，另一種是降低了軋制織構(gòu)組分的強(qiáng)度(即引起織構(gòu)的變化)。這兩種變化可直接影響板材的屈服強(qiáng)度。一般認(rèn)為屈服強(qiáng)度依賴于織構(gòu)和微觀組織，它可以表示成：其中?σgb表示晶界引起的增強(qiáng)效應(yīng)；M是泰勒因子，與織構(gòu)類型和拉伸方向有關(guān)；τtot是臨界分剪切應(yīng)力，包括本征臨界分剪切應(yīng)力、固溶引起的臨界分剪切應(yīng)力以及位錯和析出相引起的臨界分剪切應(yīng)力。在本研究中試驗板材是經(jīng)過T77處理，那么在板材厚度方向，τtot基本恒定，因此可以從晶粒結(jié)構(gòu)（包括晶粒形貌和大小）和織構(gòu)兩個方面闡釋AA7055鋁合金板材厚度方向屈服強(qiáng)度的各向異性現(xiàn)象。3.1亞晶界和亞晶形貌對相轉(zhuǎn)移的影響根據(jù)Marthinsen等人的研究，晶界增強(qiáng)效應(yīng)可以用下面的公式表示：式中,G是鋁的剪切模量，b是柏氏矢量，frex為再結(jié)晶分?jǐn)?shù)，δ為未結(jié)晶部分的（亞晶）晶粒尺寸，D為再結(jié)晶晶粒的尺寸，α2是一常數(shù)。由于D遠(yuǎn)大于δ，因此可以將表達(dá)式進(jìn)行近似處理。從圖3中看出，L1層的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)顯然要大于L5層，并且從L1層到L5層再結(jié)晶分?jǐn)?shù)逐漸降低。一般定義晶界取向差角大于15°的邊界為晶界，那么2°～15°之間的邊界為亞晶界。顯然，從圖2中也可看出中間層亞晶粒的尺寸要小于板材邊緣層，這是由于中間層的再結(jié)晶程度較低，原始的變形晶粒大部分得到保留。然后，這些變形晶粒中的高密度位錯在隨后的熱處理中由于再結(jié)晶驅(qū)動力較小，主要發(fā)生回復(fù)過程。在回復(fù)過程中位錯進(jìn)行了重新排列，形成大量亞晶界。通過上述分析得出，從L1層到L5層再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和亞晶粒尺寸都是逐漸減小的。因此，根據(jù)公式(2)，從L1層到L5層晶界提供的增強(qiáng)效應(yīng)是逐漸增大的。另外，晶粒形貌對屈服強(qiáng)度也有較大影響。Meyers等人認(rèn)為，由于相鄰晶粒對彈性響應(yīng)的不同會在晶界處產(chǎn)生不協(xié)調(diào)應(yīng)力，不協(xié)調(diào)應(yīng)力的存在會導(dǎo)致在晶界上的總應(yīng)力要高于晶內(nèi)應(yīng)力。因此晶界附近區(qū)域要比晶內(nèi)先發(fā)生塑性變形。一般來講當(dāng)最大剪切應(yīng)力的方向與晶界一致時材料呈現(xiàn)較低的屈服強(qiáng)度。通過以上組織分析可知，板材中心處晶粒沿軋制方向拉長，晶界幾乎與軋制方向平行，這時當(dāng)試樣沿軋制方向拉伸時長生的臨界分剪切應(yīng)力與晶界大約呈45°，而板材邊緣處呈現(xiàn)等軸晶組織，最大剪切應(yīng)力方向容易沿晶界擴(kuò)張，因此由晶粒形貌引起的屈服強(qiáng)度升高是板材中心要大于邊緣。3.2織構(gòu)組分m值的變化通常情況下用泰勒因子M來表征織構(gòu)和拉伸方向?qū)η?qiáng)度的影響。由于試樣的拉伸方向都是沿板材的軋制方向，因此只需考慮織構(gòu)種類不同而引起的M變化對屈服強(qiáng)度帶來的影響。計算泰勒因子時，人們運(yùn)用了不同的理論模型。Sachs模型假設(shè)拉伸時只有一個滑移系開動，得出了M的下限值；Taylor模型假設(shè)拉伸時有5個滑移系開動，得出了M的上限值，但是對于多晶材料這兩種模型均不適用。Hutchinson提出了一個自洽模型，假設(shè)平均有3.5滑移系開動，這一模型可近似應(yīng)用到多晶材料。表3是3種典型模型下一些織構(gòu)組分的M值，從表中可以直觀的看出軋制織構(gòu)組分Copper、S、Brass的M值要大于再結(jié)晶織構(gòu)組分Cube、隨機(jī)織構(gòu)Random以及剪切織構(gòu)CubeND的M值。而在織構(gòu)測試結(jié)果中，中間層附近主要以軋制織構(gòu)組分Copper、S、Brass為主，而在表層附近則以剪切織構(gòu)CubeND和隨機(jī)織構(gòu)為主。那么在沿軋制方向拉伸時，具有軋制織構(gòu)組分的中間層屈服強(qiáng)度要比具有剪切織構(gòu)和隨機(jī)織構(gòu)的邊緣層要高。同時，L2和L3層織構(gòu)類型的突變是圖1中L2和L3的屈服強(qiáng)度出現(xiàn)躍變的原因。4板厚方向上織構(gòu)的分布1)AA7055-T77鋁合金板材的屈服強(qiáng)度沿厚度方向呈梯度分布。從表層到中心層屈服強(qiáng)度逐漸升高，板材中心層的屈服強(qiáng)度最高，在板材1/4層厚度處屈服強(qiáng)度出現(xiàn)突變。2)晶粒形貌在板厚方向也極不均勻。在板材邊緣處晶粒呈等軸狀，隨著觀察區(qū)域逐漸往板材中心移動，晶粒逐漸沿軋制方向拉長。中心層晶粒幾乎平行于軋制方向。另外，小角度晶界的含量也是中心層高于表層。