《Materials & Design》新型熱變形7系鋁合金的相變機理


《Materials & Design》新型熱變形7系鋁合金的相變機理

2021-01-11 孜然學術

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金(7xxx系列)由於其優異的強度,高韌性,延展性和耐應力腐蝕性得到人們的廣泛關注。Al-Zn-Mg-Cu系合金的化學成分,尤其是Zn,Mg和Cu元素的含量對性能影響很大,合金性能還可通過熱處理,變形,淬火等參數進行調控。Al-Zn-Mg-Cu系合金的時效析出序列通常爲:過飽和固溶體(SSS)→共格的富Zn,Mg(Cu)的團簇或共格GP區→亞穩η′相(MgZn2,半共格)→穩定η相(MgZn2,非共格)。在鋁合金中加入鈧(Sc)或鋯(Zr)能減小平均晶粒尺寸,提高再結晶溫度,改善合金機械性能,現階段人們對進一步改善含Sc和Zr的Al-Zn-Mg-Cu系合金的性能十分關注,對熱處理過程中發生的強化機制還不明確。

捷克查爾斯大學的研究人員針對Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe(-0.23Sc-0.19Zr)合金,探討了熱處理初期析出相和空位失配缺陷的類型及變化趨勢。相關論文以題爲「Phase transformations in novel hot-deformed Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe(-Sc-Zr) alloys」發表在Materials and Design。

紙張合併:

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108821

本研究設計兩種合金,Al-Zn-Mg-Cu系合金爲Al-5.28Zn-3.21Mg-1.48Cu-0.24Si-0.24Mn-0.14Fe,另一種含0.23Sc和0.19Zr,其餘合金含量相同。熱變形爲在300℃下熱軋(壓下率10%)。等時非等溫退火起始溫度分別爲室溫,120℃和240℃(升溫速率1℃/min)。

研究發現,儘管兩種合金晶界處都具有T相(Al2Mg3Zn3或Mg32(Al,Cu,Zn)49結構)和α-Al(Mn,Fe,Si)相(fcc結構)共晶相,在AlZnMgCuSiScZr合金一些晶粒芯部中檢測到層狀不連貫的含Sc,Zr的原始相顆粒。與通常觀察到的Al3Sc核或Al3Zr核相反,Sc和Zr元素均形成了初級粒子的關鍵部分Sc,Zr核。熱變形合金中含Sc,Zr顆粒的存在會減小晶粒尺寸(在AlZnMgCuSi中爲50-100μm,在AlZnMgCuSiScZr中約爲20μm合金)。在晶粒內部觀察到了約100nm的穩定的S相(Al2CuMg)顆粒。衍射圖表明,在晶粒內部中存在GP區以及六角形η’相的前驅體(MgZn2)。

圖1 熱變形狀態的SEM圖像(a)AlZnMgCuSi合金,(b)AlZnMgCuSiScZr合金

圖2 熱變形的AlZnMgCuSiScZr合金中非共格的含Sr,Zr的粒子

退火溫度越高,GP區和η’相顆粒的溶解度越低,因爲它們在較高的溫度下溶解並使穩定相析出。在150℃溫度以上,晶粒內部形成了相當數量的非共晶T相。DSC觀察到,這種析出伴隨有熱量釋放。結果表明,非共晶T相的析出可能始於較低溫度的等時退火。

圖3 熱變形狀態的TEM圖像(a)AlZnMgCuSi合金,(b)AlZnMgCuSiScZr合金

圖4 CDB曲線的溫度變化(與純Al參考相比)(a)AlZnMgCuSi合金,(b)AlZnMgCuSiScZr合金

對PAS的詳細分析顯示,GP區和η’相粒子僅包含Zn,Mg和Al。在120°C以上時,優先消除在Cu,Si和Al離子附近。它對應於析出的T-phase Mg32(Al,Cu,Zn)49和S相Al2CuMg。Si溶質在該合金成分中表現出最高的空位結合能。因此,研究的合金中T相和S相顆粒之間的界面處的失配缺陷很可能被Si溶質改善。Sc和Zr對析出的早期階段影響較小。

綜上所述,本文研究了在等時(非等溫)退火過程中熱變形的Al-Zn-Mg-Cu-Si-Mn-Fe(-Sc-Zr)合金中析出相附近的晶格缺陷。正電子會困在GP區或含Zn和Mg的η’相粒子的前驅體中。本研究爲Sc、Zr在高強度鋁合金中的作用提供了理論基礎。(作者:破風)

本文來自微信公衆號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫,未經許可謝絕轉載至其他網站。