含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金热模拟与热处理研究

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采用活性熔剂保护熔炼,水冷铜模激冷铸造技术制备出一种含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金铸锭。该合金铸锭经均匀化、热轧、冷轧成2.3mm的薄板材。采用Gleeble-1500热模拟实验研究了合金在380-470℃温度和10-3-10s-1应变速率范围内的热压缩变形行为,用差热分析(DSC)、硬度和电导率测试方法,室温拉伸、金相(OM)和电子显微分析方法(TEM、SEM)研究了合金在不同热处理工艺条件下的力学性能、显微组织结构及其变化规律。结果表明:(1)合金高温压缩变形时的流变应力取决于变形温度和应变速率。流变应力先随应变速率增加迅速升高,达到应力峰值后逐渐下降,随后趋于稳态流变。流变应力随变形温度升高而降低,随变形速率的提高而增大。(2)合金高温变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。该合金的高温变形材料常数为:应力指数n=7.16,应力水平参数α=0.013,结构因子A=4.71×1010,变形激活能Q=162.1KJ/mol。该合金热压缩变形的流变应力方程为:(3)合金在相同的应变速率下,410℃以下主要为动态回复过程, 440℃时则发生了部分动态再结晶;在相同的变形温度下,随应变速率降低动态再结晶的程度加深。合金随应变速率降低和变形温度升高,亚晶尺寸变大,合金由动态回复向动态再结晶转变,其主要软化机制是动态回复伴随动态再结晶。合金合宜的热加工温度范围为380-410℃。(4)合金最佳单级固溶处理制度为475℃/40min,经120℃/24h时效处理后,合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ分别达到676MPa、623MPa和8.1%。(5)合金最佳双级固溶处理制度为465℃/40min+490℃/30min,双级固溶能有效地减小合金中粗大的过剩相,使组织更均匀,增加淬火后固溶体的过饱和度,提高了合金的时效强化效果。与单级固溶相比,合金抗拉强度提高了18MPa,屈服强度提高了28 MPa,而塑性基本保持不变。(6)合金固溶时效后的断裂属第二相引起的晶内断裂与晶界断裂的混合型断裂,双级固溶后的晶界断裂增加,断口韧窝第二相粒子减少,可以避免粗大第二相颗粒引起的晶粒过早断裂,使晶粒变形趋于均匀。(7)双级固溶后合金合宜的单级时效工艺为120℃/24h,在此工艺条件下,合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为694MPa、651MPa、7.9%、199HV和24.5%IACS;合宜的双级时效工艺为120℃/8h+160℃/16h,经此双级时效后,合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为628MPa、571MPa、8.9%、176HV和34.5%IACS。与单级时效相比,强度和硬度有所损失,电导率提高了10%IACS,表明合金抗应力腐蚀性能有了较大改善。(8)RRA处理过程中,回归温度和时间对合金性能影响很大。合宜的RRA处理工艺为120C/24h预时效+180℃/30min回归+120℃/24h再时效。在此条件下,合金的σb、σ0.2、δ和电导率分别为687MPa、648MPa、7.4%和30.2%IACS。与单级时效比较,强度基本不变,而电导率和抗应力腐蚀性能提高。(9)合金经单级时效后,晶内观察到大量弥散分布的η’相,晶界处基本为连续的平衡相;合金经双级时效后,晶内组织有所粗化,晶界上分布着断续状析出相,伴之以无沉淀析出带;合金经RRA处理后,晶内为均匀细小的η’相和少量的η平衡相,晶界处的平衡相粗化较明显,呈断续、孤立分布,无沉淀析出带较单级时效变宽,其晶内析出相与单级时效类似,晶界结构与双级时效类似。
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