铝及铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、热稳定性好和易加工成型等优点, 成为航天航空以及汽车的主要结构材料, 是航空航天以及汽车工业的轻量化发展方向[1-4].然而低强度使铝合金使用受到限制.
目前国内外学者在优化铝合金成分和铝合金化方面做了大量的工作.5083合金是中等强度变形不可热处理强化的商业铝合金[5].本文研究5083合金添加Zn元素后, 对合金的微观组织结构和力学性能的影响.
本实验在5083合金中添加不同含量的Zn元素,进行熔炼、均匀化处理和在室温下轧制成板材, 研究元素Zn对5083合金的显微组织和力学性能的影响.
1 实验材料和实验方法本实验采用分析纯Zn粒和5083合金为原料, 制备名义合金成分为5083+x% Zn(x=0, 1.5, 3, 5).先将5083合金放入高纯石墨坩埚内, 采用中频感应炉熔炼, 加热至750 ℃后添加锌粒, 用石墨棒搅拌1 min, 静止冷却, 使炉内温度降低到720 ℃, 加入C2Cl6用石墨棒轻轻搅拌1~2 min.将温度升至780 ℃, 静止保温10 min.用钛合金板扒去表面氧化物,然后在水冷铜模系统内浇注, 获得1.5 kg表面光亮的铸锭.铸态合金的实际成分由全谱直读型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP, Perkin Elmer, Plasma 400) 进行测定.如表 1所示.
铸态合金锭经450 ℃×10 h+480 ℃×30 h+490 ℃×10 h均匀化处理.然后用电火花线切割成100 mm×30 mm×5.0 mm的试样, 试样放入盛有酒精的烧杯中, 然后放入超声波清洗机中超声清洗30 min, 除去表面的油脂.然后试样在室温条件下进行轧制, 每道次下压量约为10%, 总下压量约为85%.轧制后的试样最终厚度为0.8 mm左右.
通过SEM对合金的显微组织特征及形貌进行观察, 并结合能谱仪(EDS)对表面微区成分进行分析.通过TEM观察轧制试样的晶粒大小.
轧制后试样采用电火花线切割出拉伸试样.试样表面用抛光布涂抹1.0#金刚石抛光膏抛光.采用CMT5105-SANS电子万能试验机进行拉伸, 拉伸速率为0.5 mm/s.每组实验至少准备3个试样, 拉伸数据取3次实验数据的平均值.
2 结果与讨论 2.1 铸态组织图 1为5083合金及添加不同含量Zn元素5083合金铸态显微组织扫描电镜(SEM)图片.由图 1a可知, 合金是由灰色初生的α-Al(fcc)相和白色的金属间化合物组成.结合EDS分析, 可知5083合金中白色金属间化合物组成元素为Al和Mg, 如图 1e所示.通过文献中透射电镜衍射斑分析可知金属间化合物为β-(Mg2Al3)相[6].由图 1b可知, 添加质量分数1.5% Zn后, 白色金属间化合物的形貌没有明显变化, 通过EDS分析, 图中白色金属间化合物组成元素为Al, Mg和Zn, 如图 1f所示.添加质量分数3% Zn后,白色金属间化合物形貌开始发生明显粗化, 如图 1c所示.添加质量分数5% Zn后,白色金属间化合物明显变得粗大.结合EDS分析可知, 白色金属间化合物组成元素为Al, Mg和Zn, 如图 1h所示.由图 1可知添加不同含量Zn元素的5083合金, 金属间化合物的形貌逐渐改变, 随着Zn元素的增加, 合金中金属间化合物粗化.说明随着Zn元素添加量的增加, 合金铸造组织中Zn和Mg元素的偏析程度增加.
均匀化处理能减少宏观偏析, 使晶界和枝晶网络间形成Mg和Zn元素的低熔点共晶组织和其他金属间化合物均匀分布到晶粒内部, 提高力学性能.均匀化处理是轧制过程顺利进行的一道重要工序, 它保证了合金获得足够的变形能力, 并对合金的力学性能组织结构有着重要的影响.因此, 合金轧制之前的均匀化处理十分重要.图 2是5083合金及添加不同含量Zn元素的5083合金的均匀化处理显微组织扫描电镜(SEM)照片.图 2a是5083合金的均匀化处理照片, 灰色基体为α-Al, 未溶解的不连续金属间化合物,通过EDS打点分析可知, 这部分未溶的金属间化合物主要由Al和Fe元素组成.
图 2b~图 2d是5083合金分别添加质量分数1.5%, 3%和5% Zn元素的合金.可以看出, 经过均匀化处理后合金的金属间化合物未发生变化, 通过EDS分析, 未溶解部分由Al, Mg, Fe, Mn和Si等元素组成.由上述分析可知, 由于合金浇铸时冷却速度过快导致Zn和Mg元素在晶界偏析, 经过均匀化处理后Zn和Mg元素在晶内和晶界得到充分扩散溶解, 消除合金中Zn和Mg元素的偏析, 剩余未溶解金属间化合物为Mg2Si和Al3Fe相[7-9].
2.3 合金轧制显微组织图 3为垂直于轧制方向的添加不同质量分数Zn的5083合金TEM图片.由图可知, 经过冷轧变形的合金晶粒为纤维状晶粒.纤维状晶粒的平均宽度约为150 nm.在轧制过程中随下压量的增加, 晶粒内部出现小角度晶界, 然后小角度晶界转化大角度晶界, 晶粒得以细化.从图 3可以看出, 晶粒内部明亮, 位错密度低, 晶粒内部位错源较少, 位错在晶粒内部平均运动距离较短.此时, 晶界即是位错源也是位错阱, 在晶粒内部产生和晶界发射的位错, 在镜像力作用下很快被其他晶界吸收, 导致位错在晶粒内部难以增值, 位错密度难以升高.位错在晶界附近缠结, 晶界内的位错密度增加.
合金经过轧制变形后的力学性能如图 4所示.
由图可知, 经过轧制的5083合金具有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率.添加质量分数1.5% Zn的5083合金Rm=496 MPa, R0.2=460 MPa, ε=4.9%, 随着添加Zn量的增加, 抗拉强度和屈服强度进一步增加, 延伸率有所下降.其中添加质量分数5% Zn的5083合金Rm=595 MPa, R0.2=550 MPa, 延伸率降低到3.6%.随着添加Zn元素的增加,强度增加而延伸率降低.随着添加Zn元素的增加,合金的固溶强化作用增强[10],进而提高了合金板材的强度.但是由于Zn元素的增加降低材料的加工硬化能力, 致使材料塑性降低.
3 结论1) 5083合金与添加Zn元素的5083合金经过总下压量85%室温轧制, 可以形成超细晶.
2) 对铸态合金450 ℃×10 h+480 ℃×30 h+490 ℃×10 h均匀化处理, 消除Mg和Zn元素的偏析.
3) 经过室温轧制的5083合金, 随着Zn元素的增加,拉伸强度增加, 而延伸率降低.当Zn质量分数为5%时, Rm=595 MPa, R0.2=550 MPa, 延伸率降低到3.6%.
[1] | Lin S P, Nie Z R, Huang H, et al. Annealing behavior of a modified 5083 aluminum alloy[J].Materials and Design, 2010, 31(3): 1607–1612. DOI:10.1016/j.matdes.2009.09.004 |
[2] | Apps P J, Bowen J R, Prangnell P B. The effect of coarse second-phase particles on the rate of grain tenement during severe deformation processing[J].Acta Materialia, 2003, 51(10): 2811–2822. DOI:10.1016/S1359-6454(03)00086-7 |
[3] | Pirgazia H, Akbarzadeh A, Petrov R, et al. Microstructure evolution and mechanical properties of AA1100 aluminum sheet processed by accumulative roll bonding[J].Materials Science and Engineering:A, 2008, 497(12): 132–138. |
[4] | Su L H, Lu C, Li H J, et al. Investigation of ultrafine grained AA1050 fabricated by accumulative roll bonding[J].Materials Science & Engineering:A, 2014, 614(22): 148–155. |
[5] | Zhao Y L, Yang Z Q, Zhang Z, et al. Double-peak age strengthening of cold-worked 2024 aluminum alloy[J].Acta Materialia, 2013, 61(5): 1624–1638. DOI:10.1016/j.actamat.2012.11.039 |
[6] | Zhu Y K, Cullen D A, Kar S, et al. Evaluation of Al3Mg2 precipitates and Mn-rich phase in aluminum-magnesium alloy based on scanning transmission electron microscopy imaging[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 43(13): 4933–4939. DOI:10.1007/s11661-012-1354-7 |
[7] | Wu X L, Yang M X, Yuan F P, et al. Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, 112(47): 14501–14505. DOI:10.1073/pnas.1517193112 |
[8] | Meng C Y, Zhang D, Cui H, et al. Mechanical properties, intergranular corrosion behavior and microstructure of Zn modified Al-Mg alloys[J].Journal of Alloys and Compounds, 2014, 617(25): 925–932. |
[9] | Chen K H, Liu H W, Zhang Z, et al. The improvement of constituent dissolution and mechanical properties of 7055 aluminum alloy by stepped heat treatments[J].Journal of Materials Processing Technology, 2003, 142(1): 190–196. DOI:10.1016/S0924-0136(03)00597-1 |