預拉伸對7050鋁合金斷裂韌性的影響

韓念梅, 張新明, 劉勝膽, 宋豐軒

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

預拉伸對7050鋁合金斷裂韌性的影響

韓念梅, 張新明, 劉勝膽, 宋豐軒

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

采用光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、常溫拉伸及斷裂韌性實驗，研究預拉伸對7050鋁合金板材力學性能和斷裂韌性的影響。結果表明：預拉伸引入大量位錯，時效過程中可以成為粗大平衡相η相的有利形核點；隨著預拉伸變形量的增大，η相的尺寸增加，板材的強度降低；晶界析出相間距增大，呈不連續分布，晶內晶界之間的強度差減小，板材具有更高的變形抗力，斷裂韌性提高；預拉伸變形量增大導致晶界沉淀相粗化，無沉淀析出帶變寬，變形過程中容易產生應力集中，對韌性不利；綜合組織結構的正負面影響，隨著預拉伸變形量的增大，板材的斷裂韌性逐漸增大。

7050鋁合金；預拉伸；拉伸性能；斷裂韌性

7050鋁合金利用Zr元素的細化作用，抑制再結晶，使淬火敏感性降低，適用于大規格厚板及鍛件的生產。7050?T7451預拉伸厚板綜合性能較好，已大量用作飛機的機身框架、翼梁、尾翼等部件[1]。厚板的使用避免了大型結構件的鉚接和焊接，大大降低了加工成本和制造成本。但厚板淬火后存在較大的殘余應力，在后續的機械加工過程中，應力釋放會引起零件嚴重變形，甚至報廢。為了消除殘余應力，在厚板生產中往往加入預拉伸，即在淬火后進行一定變形量的拉伸[2]。現代飛機逐漸向大型、高速、多載、長壽命和確保安全方向發展，這就要求結構材料具有更高的強度更優良的斷裂韌性[3?4]。目前，關于預拉伸對7050鋁合金組織、強度和腐蝕性能影響的的研究很多，WANG等[5?6]認為隨著預拉伸變形量的增大，合金的應力腐蝕性能下降。WATERLOO[7]和DESCHHAMPS[8]發現合金強度隨預拉伸變形量的增大而減小，但鮮見關于預拉伸變形量對斷裂韌性影響的文獻報道。故本文作者研究預拉伸變形量對7050鋁合金板材強度和斷裂韌性的影響，探討微觀組織結構和材料強度及斷裂韌性之間的關系，旨在為優化超高強鋁合金預拉伸厚板的制備工藝提供依據。

1 實驗

實驗材料為80 mm厚的7050鋁合金熱軋板，其實際化學成分(質量分數)為：Zn 6.06%，Mg 2.20%，Cu 2.12%，Zr 0.11%，Fe 0.08%，Si 0.04%，余量為Al。

固溶處理在空氣電阻爐中進行，473 ℃保溫1 h后采用室溫水淬。在2 h內進行預拉伸，預拉伸變形量分別為0%，2.3%和3.1%，然后進行雙級時效處理，時效制度為(121 ℃, 6 h)+(163 ℃, 12 h)。

樣品經過粗磨、拋光后用鉻酸試劑腐蝕, 在XJP?26A型金相顯微鏡上進行組織觀察。

在板材1/4厚度處取厚度為2.5 mm的板材，按國家標準GB/6497—14規定，加工軋向的拉伸試樣，在CSS 44100電子萬能實驗機上進行拉伸力學性能測試。

按照國家標準GB—4161規定，在板材1/4厚度處取24 mm厚板材，制備T-L取向的標準緊湊拉伸試樣，測量斷裂韌性。采用KYKY?2800掃描電鏡觀察斷裂韌性試樣斷口形貌，并對粗大第二相粒子合金元素的能譜進行分析，加速電壓為20 kV。

采用TecnaiG220型透射電鏡觀察合金的組織，加速電壓為200 kV。透射電鏡樣品先磨成0.1 mm厚的薄片，然后沖成直徑為3 mm圓片，最后進行雙噴減薄。電解液為(體積分數) 30% HNO3+ 70% CH3OH，溫度控制在?30 ℃附近。

2 實驗結果

圖1所示為預拉伸前后7050鋁合金厚板1/4厚度處的金相組織。 由圖1可知，合金晶粒扁平，發生了部分再結晶，晶界和晶粒內部存在部分未溶的第二相，預拉伸對板材的金像組織沒有明顯的影響。

時效后板材的強度及斷裂韌性如圖2所示。由圖2可知，板材的抗拉強度和屈服強度隨預拉伸變形量的增大均有不同程度的下降，抗拉強度從522.1 MPa下降到473.2 MPa，降低了9.36%；屈服強度從485.4 MPa下降到420.34 MPa，降低了13.4%；板材的斷裂韌性和伸長率隨預拉伸變形量的增大而增大，斷裂韌性從35.08 MPa·m1/2升高到38.69 MPa·m1/2，增加了10.29%；伸長率從10.25%增大到13.10%，增加了27.8%。

圖3(a)和(b)所示為無預拉伸時7050鋁合金厚板固溶后的TEM像。從圖3(a)和(b)中可以看到，晶內析出大量的彌散粒子，根據文獻[9]的報道，這些粒子為Al3Zr粒子。圖3(c)和(d)所示為經過2.3%預拉伸的7050鋁合金厚板固溶后的TEM像。與無預拉伸狀態相比，預拉伸后，合金內位錯數量顯著增加，并集中分布于晶界處。預拉伸引入了大量位錯。

圖1 7050鋁合金厚板縱向面的金相組織Fig. 1 Optical micrographs of 7050 aluminum alloy plate with prestretching of 0% (a) and 2.3% (b)

圖2 預拉伸變形量對7050鋁合金厚板強度和斷裂韌性的影響Fig.2 Effects of prestretching on strength and fracture toughness of 7050 aluminum alloy plate

圖3 7050鋁合金厚板預拉伸前后的TEM像Fig.3 TEM images of 7050 aluminum alloy plates: (a), (b) Without prestretching; (c), (d) With prestretching of 2.3% after solution heat treatment and quenching

圖4所示為不同預拉伸變形量的7050鋁合金厚板時效后的TEM像。沒有預拉伸的板材時效后，晶內的析出相均勻，晶界不連續分布(見圖4(a)和(b))。預拉伸量為2.3%和3.1%時，晶內出現一些異常粗大的η相，并且預拉伸量越大，粗大η相的體積分數越高(見圖4(c)~(f))。隨著預拉伸變形量的增大，晶界析出相粗化且更加不連續，晶界無析出帶(PFZ)變寬。

圖5(a)所示為無預拉伸樣品的斷口形貌，其斷裂屬于沿晶斷裂和韌窩斷裂的混合斷裂，斷面上存在大量韌窩。韌窩呈等軸狀且較深，尺寸約 20 μm。圖5(b)所示為經過2.3%預拉伸的樣品的斷口形貌，以韌窩型斷裂為主要斷裂模式。與沒有預拉伸的樣品相比，經過2.3%預拉伸的樣品，沿晶斷裂顯著減少，韌窩更大更深。圖5(c)所示為經過3.1%預拉伸的樣品的斷口形貌，以韌窩型斷裂為主要斷裂模式。與前兩者相比，經過3.1%預拉伸的樣品，斷口上的韌窩進一步擴大并變深。隨著預拉伸變形量的增加，沿晶斷裂比例減少，穿晶斷裂比例增加。所有樣品的韌窩中心均存在粗大的第二相粒子，能譜分析顯示粒子主要是未溶的Al2CuMg相及Al7Cu2Fe相，如圖5(d)和(e)所示。

圖4 7050鋁合金厚板時效后的TEM像Fig.4 TEM images of 7050 aluminum alloy plates after aging: (a), (b) Without prestretching; (c), (d) With prestretching of 2.3%; (e), (f) With prestretching of 3.1%

3 分析與討論

7050鋁合金時效過程中強化相的沉淀順序為：α(過飽和固溶體)—GP區—η′相(MgZn2)—η相(MgZn2)[10?11]。合金的強度主要由晶內沉淀相η′相的體積分數及其形貌尺寸和分布所決定。沉淀相的體積分數越大，分布越均勻，合金的強度越高。預拉伸處理后，合金內部產生大量位錯。7xxx系鋁合金中，GP區和η′相的形核與位錯關系不大，主要依靠過飽和溶質原子和空位擴散聚集而成，η相卻能夠在晶格缺陷處優先形核長大。預拉伸變形后，基體中存在高密度位錯，位錯與溶質原子和空位之間存在彈性交互作用，使得位錯周圍的溶質原子和空位擴散進入位錯。空位的缺乏使得GP區減少，不利于η′相形核析出，卻有利于形成粗大η平衡相，并在粗大析出相周圍出現無析出區，從而降低了合金時效強化效果。隨著預拉伸量的增加，基體中位錯密度提高，過飽和溶質原子和空位通過短路擴散進入位錯的體積分數增加，基體中均勻析出的GP區和η′相減少，位錯上形成的η平衡相增加，即晶內強化相的體積分數明顯減小，部分半共格η′相轉變成非共格平衡η相，強化效果減弱，因此板材強度隨預拉伸量的增加而減小。

圖5 不同預拉伸量為的7050斷裂韌性樣品的斷口形貌及第二相能譜分析Fig. 5 Fracture surfaces and EDX results of constituent particles of 7050 aluminum alloy plates: (a) EDX results of constituent particles Without prestretching; (b) With prestretching of 2.3%; (c) With prestretching of 3.1%; (d), (e) EDX resuits

影響鋁合金斷裂韌性的因素很多，首先是晶粒結構，包括晶粒大小、形狀和再結晶程度。一般認為未再結晶的纖維狀組織斷裂韌性最高，晶粒長寬比小的再結晶組織次之，而粗等軸晶最差[12]。對斷裂韌性有決定性作用的還有粗大第二相，它們與基體的晶體結構不同，在塑性變形中，產生變形不協調，在第二相粒子和基體界面產生應力集中，從而形成纖維空穴，隨著外力的加大，空穴不斷長大、聚合，導致最后斷裂[13?14]。鋁合金固溶后預拉伸的變形量很小，故對宏觀組織沒有明顯影響，如圖1所示。

影響斷裂韌性的因素還有：基體沉淀相[15]，晶內與晶界的強度差[3,15]，晶界析出相的大小和間距[16]，及PFZ的寬度[17]。板材經過預拉伸，產生大量位錯，獲得的能量一部分以熱能形式放出，一部分作為儲能伴隨位錯存在于合金中，尤其在位錯集中的晶界處，儲能更高。時效后，位錯上的高儲能，有利于η相的形核長大，晶內出現一些異常粗大的析出相(如圖4所示)。這些粗大析出相不僅影響位錯的運動方式和基體的強度變化，同時，它的尺寸和分布也嚴重影響了斷裂韌性。η相粗化，位錯不能切過而是繞過，變形導致更加均勻，對斷裂韌性有利。這些粗大析出相的出現，導致基體和晶界的強度差異降低，變形時，塑性流變較均勻，晶界處具有較高的變形抗力，斷裂韌性較高。

預拉伸使得晶界上η相進一步聚集長大，質點間間距擴大，斷續現象更加顯著。在變形過程中，粗大的晶界沉淀相使滑移傳遞困難，促進應變集中。如果晶界沉淀相尺寸大、間距小，則斷裂所需的臨界應變小，容易在粗大的晶界沉淀相處形成微孔。當晶界沉淀相形成裂紋后，就會產生應力集中，而晶界沉淀相的粗化則導致更大的應力集中，促進裂紋的擴展開裂。反之析出相尺寸小、間距大則對斷裂韌性有利。

預拉伸過程中，η相粗化作用突出，晶界周圍的析出相逐漸被吞并，PFZ變寬。PFZ的強度很低，在變形中易發生應力集中，當基體與PFZ的流變應力差增大時，PFZ 處應變集中的程度隨之增加，同晶界沉淀相一樣，PFZ應變集中可促進沿晶斷裂的發生，相應的斷裂韌性較低。

根據斷裂韌性測試結果，隨著預拉伸變形量的增大，板材的斷裂韌性逐漸提高，這說明由預拉伸引起的組織變化對斷裂韌性提高是有利的，即預拉伸引起晶內析出相的粗化、晶內與晶界強度差減小、晶界上第二相間距增大等組織變化，對斷裂韌性起著決定性作用。

7050鋁合金板材的斷裂方式屬于沿晶斷裂和穿晶韌窩斷裂的混合斷裂，隨著預拉伸變形量的增大，穿晶韌窩型斷裂的比例增大，且韌窩變大、變深(見圖5)。由此可見，通過斷口觀察也可以推斷，在相同的時效條件下，隨著預拉伸變形量的增大，板材的斷裂韌性逐漸提高。

4 結論

1) 預拉伸為7050鋁合金板材引入大量位錯，位錯可以作為η相的有利形核點，時效過程中在晶內析出一些異常粗大的相，晶界析出相也進一步粗化，且間距增大變得更加不連續，PFZ變寬。

2) 隨著預拉伸變形量的增加，晶內η相粗化，強化相η′相減少，合金強度降低；晶內η相粗化，晶內晶界強度差減小，晶界析出相更加不連續，對斷裂韌性有利；但隨著預拉伸變形量的增加，晶界析出相粗化，PFZ變寬，對斷裂韌性不利。綜合正負方面的影響，斷裂韌性隨預拉伸變形量的增加而增大。

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(編輯 何學鋒)

Effect of prestretching on fracture toughness of 7050 aluminum alloy

HAN Nian-mei, ZHANG Xin-ming, LIU Sheng-dan, SONG Feng-xuan
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The effects of prestretching on the tensile property and fracture toughness of 7050 aluminum alloy plate were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, tensile and toughness tests. The results show that many dislocations are generated in the prestretch process, and the dislocations can provide efficient nucleation sites for larger equilibrium phaseηin the ageing. With increasing the prestretching, the size of theηphase increases, which results in the reduction in the strength. Furthermore, the distance between precipitates in the grain boundaries becomes larger. The precipitates discontinuously distribute in the grain boundaries. The strength-differential between the matrix and the boundary is reduced, which promotes more homogeneous deformation, and is beneficial to the fracture toughness. With increasing the prestretching, the precipitates in the grain boundary become coarser, and the precipitate free zones become wider, which assists the strain concentration in the deformation process and results in continuous decrease in the resistance to fracture. In a word, with increasing the prestretching, the fracture toughness increases.

7050 aluminium alloy; prestretching; tensile property; fracture toughness

TG 146.1

A

國家重點基礎研究發展規劃資助項目(2005CB623706)

2009-10-22；

2010-03-01

張新明，教授，博士；電話：0731-88830265；E-mail: xmzhang@mail.csu.edu.cn

1004-0609(2010)11-2088-06