时效处理对铝锂合金断裂行为的影响

温培刚，李国爱，陆 政，赵亮亮

(北京航空材料研究院，北京 100083)



时效处理对铝锂合金断裂行为的影响

温培刚，李国爱，陆 政，赵亮亮

(北京航空材料研究院，北京 100083)

通过拉伸试验机、扫描电镜、透射电镜等设备对不同时效工艺下铝锂合金厚板的拉伸性能、微观组织以及断裂特征进行了系统研究。结果表明：随人工时效时间延长，合金的高向强度迅速增加，同时延伸率快速降低，合金的断裂方式也由穿晶滑移剪切+沿晶混合断口转变为单纯的沿晶断口。时效过程中晶内析出了大量的T1相，提高了晶内强度，抑制了拉伸过程中晶内的协调变形，降低了合金的塑性并导致合金沿晶开裂。

铝锂合金；断裂特征；T1析出相；人工时效；拉伸性能

0 引言

Al-Cu-Li系铝锂合金由于具有高比强、高比刚、优良的耐损伤以及良好的断裂韧度等性能，成为现阶段铝锂合金研究的重点[1-3]。由于加入1%(质量分数)的Li可以带来3%的密度减重，并使弹性模量增加6%[4]，在航空领域，采用具有高综合性能的Al-Cu-Li系合金替代传统的7xxx系铝合金可以起到很好的减重、延寿的效果。作为时效强化型合金，Al-Cu-Li系铝锂合金中最为主要的析出相Al2CuLi(T1)、δ′相的尺寸及分布直接影响了Al-Cu-Li系合金的综合性能[5-7]。

为了调控析出相的类型及分布，众多研究者在主合金元素Cu：Li比例、微合金化元素以及时效工艺方面开展了大量研究[8-10]，并取得了较多的成果。如适当增加Cu：Li比可以促进T1相的析出，缩短峰值时效时间[8]；采用多级时效的工艺，可以在保证合金综合性能的同时提高合金的塑性；采取淬火后的预拉伸可以促进T1相的析出[7]，再提高强度的同时改善合金的耐蚀性能等。目前，这些研究多集中于析出相与合金的疲劳、强度、耐腐蚀性能等方面[9-10]，关于析出相对合金断裂行为影响研究的相对较少。

随着航空领域可靠性设计理念的发展，对铝锂合金的综合性能提出了更高的要求，特别是作为主承力结构应用的厚板，对厚度方向的强度、塑性等提出了严格要求，合金的断裂方式对于结构的设计也起着重要的作用。因此，针对航空领域的高可靠性需求，系统的研究铝锂合金厚板时效工艺对最薄弱方向——短横向(高向)性能及断裂方式的影响规律对于新合金的开发及应用具有非常重要的意义。

本研究以国内自主开发的一种新型铝锂合金为研究对象，系统研究了不同时效工艺下合金高向的拉伸性能及断裂方式，结合透射电镜(TEM)观察结果，初步明确析出相对合金断裂行为的影响机制，从而为铝锂合金的工程化应用奠定基础。

1 试验材料及方法

试验材料为工业化制备的80 mm厚热板材，化学成分组成为3.85%Cu、1.40%Li、0.33%Mg、0.50%Zn、0.36%Mn、0.12%Zr、≤0.01%Ti、0.06%Fe、0.08%Si(质量分数)，余量为Al。板材经520 ℃，480 min固溶处理，室温水淬火，随后进行4.5%的预拉伸处理。将预拉伸后的合金分别进行室温自然时效，150 ℃/8 h、150 ℃/12 h的人工时效处理，状态分别定义为T34、T8a、T8b。

将不同时效状态的合金沿高向取样，加工成拉伸试样，在INSTRON型拉伸机上进行室温拉伸试验，应变速率为1 mm/min，试验按HB 5143—1996进行，测量合金的拉伸性能，最终取3个有效值的平均值。拉伸断口形貌观察在JSA-6360LA扫描电镜上进行。

将不同状态试样线沿厚度方向切割成0.5 mm薄片，然后经过机械研磨至70 μm左右，在双喷电解仪上制备透射电镜试样，操作温度为-20 ℃，操作电压为20～25 V，电流为90～100 mA，双喷电解液为30% HNO3+70% CH3OH(体积分数)。将制备好的试样在JEM-2000CX型电镜上进行观察，加速电压为160 kV。

2 试验结果

2.1 不同时效工艺下合金的高向拉伸性能

图1是自然时效及不同人工时效处理后合金高向拉伸性能曲线，可以发现，人工时效处理后合金的强度较自然时效状态显著增加，屈服强度σ0.2从284 MPa增加到约400 MPa，抗拉强度σb从409 MPa增加到约500 MPa，同时延伸率δ快速降低，从9.6%降低至1.8%。

2.2 断口形貌特征

图2是3种时效状态高向拉伸试样的断口扫描照片。从宏观形貌上相比，T34状态断口起伏较大，具有较大的撕裂棱，T8a状态的断口相对平齐，边部区域具有小的撕裂棱出现，而T8b状态的断口非常平整，整个断口有几个大的平面构成。局部放大观察发现：T34断口由穿晶滑移以及部分沿晶断口组成，在撕裂棱区域可以观察到由滑移变形产生的细纹(图2b中A区)；T8a状态下仅有局部区域可以观察到穿晶形成的滑移条带(图2f中A、B区)，绝大部分为平齐的沿晶断口，断口上可以观察到析出相变形脱落留下的痕迹(图2f中C区)；T8b状态下合金全部为沿晶断口，晶界相交处的撕裂棱非常平齐，观察不到明显的滑移痕迹，较大的断裂平面上清晰可见析出相变形脱落的痕迹(图2i中A区)，与T8a相比，析出相脱落痕迹的数量显著增多。

图1 不同时效状态铝锂合金厚板高向拉伸性能

Fig.1 Short-transverse tensile properties of Al-Li alloy thick plate with different aging states

2.3 微观组织特征

图3是3种不同时效状态合金晶内析出相组织形貌及对应的衍射斑点，可以发现不同状态板材晶内析出相具有很大差异：T34状态板材晶内存在大量细小的析出相，尺寸在2 nm左右，<100>α衍射花样中在{100}以及{110}位置出现了清晰的衍射斑点，表明析出相为δ′相(图3a、图3b)；T8a以及T8b状态中则出现了大量的针状析出相，根据<100>α衍射花样的特点[11]，可以确认该相为T1相(图3c～图3f)。对比图3c、图3e可知，T1相的尺寸随时效时间延长并没有太大变化，但密度显著增加。

3 分析与讨论

对于Al-Cu-Li系合金来说，主要的析出相为δ′相和T1相，这两种析出相在结构和形貌上具有很大差异，直接影响到合金的拉伸性能及断裂方式。δ′相为与基体共格的LI2结构，在变形过程中很容易被位错切过[12]，因此，当晶内析出相为小尺寸的δ′相时，析出相对位错开动的阻力较小，拉伸时位错容易开动，导致合金屈服强度较低，同样，在持续变形过程中，由于晶内析出相容易切过，形成共面滑移，导致大量位错在晶界塞积，当相邻晶粒的滑移系与塞积形成的应力方向相差不大时，变形可以穿过晶界，进入相邻的晶粒，形成穿晶滑移断口；如果相邻晶粒之间取向差较大，应力集中前端位错开动较难，将会使晶界开裂，形成沿晶断口；最终形成沿晶+穿晶的混合型断口，此时合金具有较好的塑性。当晶内开始析出T1相时，由于T1相与基体为半共格，而且为六边形的片状形貌，在尺寸大于100 nm时，在变形过程中很难被位错切过，位错以绕过机制为主[13]，因此，人工时效处理后合金的强度迅速上升。晶内T1相的密度越高，对位错阻碍的效果越显著，合金的强度也越高。在强度增加的同时，由于T1相对位错运动的强烈阻碍作用，相邻晶粒间的协调变形难以实现，大量应力集中于晶界处，使合金发生沿晶开裂，晶内T1相数量越高，协调变形能力越差，合金的塑性越低。

图2 同时效状态铝锂合金厚板高向拉伸试样断口形貌

4 结论

1)不同时效状态直接影响铝锂合金的拉伸性能，随时效程度增加，合金的高向强度升高，延伸率快速降低。

2)随时效程度增加，合金的断裂方式由T34状态的穿晶滑移+沿晶开裂的混合断裂方式逐步变化为单纯的沿晶断裂。

3)随时效程度增加，晶内析出相由T34状态的δ′相为主转变为T8状态的T1相为主，析出相的变化决定了合金的拉伸性能及断裂行为。

图3 不同时效状态铝锂合金晶内析出相及衍射斑

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Effect of Aging Treatment on Fracture Behavior of Al-Li Alloy

WEN Pei-gang，LI Guo-ai，LU Zheng，ZHAO Liang-liang

(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)

Effect of aging treatment on the tensile properties, microstructure and fracture characteristics of Al-Li alloy were studied by tensile testing, SEM and TEM. The results show that, with the increase of aging time, the strength of short-transverse direction increases quickly and the elongation decreases rapidly. The fracture mode changes from the mixture of transgranular and intergranular cracking to intergranular cracking. Abundant T1phase precipitates in grains during aging process, which enhances the strength and restraining the matching deformation within grain, leading to intergranular cracking during tensile test.

Al-Li alloy; fracture characteristic; T1precipitation; artificial aging; tensile properties

2016年4月1日

2016年5月26日

国家自然科学基金(51474195)

温培刚(1981年-)，男，硕士，工程师，主要从事铝合金研制、物理气相沉积、表面防护等方面的工作。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.002

1673-6214(2016)03-0139-04