與傳統(tǒng)鋁合金相比，新型鋁鋰合金有高彈性模量、高比強(qiáng)度和剛度、良好的耐蝕性、可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)航空航天工業(yè)最有應(yīng)用價(jià)值的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料[1] 具有晶體織構(gòu)的鋁鋰合金，表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)韌性[2] 因此，軋制和拉伸等形變處理是提高鋁鋰合金整體力學(xué)性能的常用方法 但是，經(jīng)過軋制和拉伸的鋁鋰合金比傳統(tǒng)鋁合金具有更明顯的各向異性，嚴(yán)重限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 影響鋁鋰合金各向異性的因素很多，其機(jī)理也很復(fù)雜 El-Aty等[3]研究了Al-Li合金的變形行為、強(qiáng)化機(jī)理和各向異性，認(rèn)為影響合金各向異性的主要因素包括晶體織構(gòu)、纖維取向和主要析出相的特征 Zhao等[4]研究了沉淀相對(duì)2090鋁鋰合金各向異性的影響，指出T1相容易在亞晶界處析出 其原因是，晶界附近的位錯(cuò)密度較高，晶間分層傾向的增大削弱了晶粒間的變形傳遞，從而使晶體織構(gòu)對(duì)屈服強(qiáng)度各向異性的影響降低 Cho等[5]研究了晶粒形狀和織構(gòu)對(duì)鋁鋰合金板材屈服強(qiáng)度各向異性的影響，發(fā)現(xiàn)沿長(zhǎng)晶軸45°方向施加外應(yīng)力使最大剪應(yīng)力沿晶界方向發(fā)展，位錯(cuò)最容易向基體移動(dòng) 這表明，最大剪應(yīng)力方向與晶界方向一致時(shí)材料的屈服強(qiáng)度較低 因此，細(xì)長(zhǎng)晶粒材料的屈服強(qiáng)度各向異性取決于織構(gòu)和應(yīng)變不相容性的方向差異，即晶粒形狀

2060-T8合金是第四代鋁鋰合金的典型代表，可通過進(jìn)一步降低Li含量和提高M(jìn)g含量并添加多元微合金化元素和結(jié)合過時(shí)效工藝，使其具有較高綜合性能特別是良好的耐損傷性能，用其替代傳統(tǒng)的2X24合金可實(shí)現(xiàn)減重和延壽的效果 但是，經(jīng)過扎制的鋁鋰合金具有明顯的各向異性，本文研究了2060鋁鋰合金厚板組織和力學(xué)性能的各向異性并分析了相關(guān)規(guī)律

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用2060-T8鋁鋰合金軋制板材的實(shí)測(cè)成分，列于表1 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2002，在板材的軋制平面內(nèi)沿與軋制方向成0°，45°，90°方向截取拉伸試樣 在WDW試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min，每個(gè)方向取三個(gè)拉伸試樣，取其數(shù)據(jù)的平均值 [6] 拉伸試樣的尺寸，在圖1所示中給出

Table 1

表1

表12060 鋁鋰合金的實(shí)測(cè)成分

Table 1Measured composition of 2060 Al-Li alloy (%, mass fraction)

Element	Cu	Li	Mg	Ag	Mn	Zr	Zn	Al
Proportion	3.75	1.15	0.75	0.3	0.25	0.12	0.32	Bal

圖1取樣示意圖和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒的尺寸

Fig.1Sampling diagram and standard tensile test bar size diagram (unit: mm)

在Axiovert 40 型金相顯微鏡下觀測(cè)金相組織 在Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察斷口形貌 從2060鋁鋰合金厚板上采用線切割工藝截取0.5 mm厚試樣，先將其粗磨至120 μm，再用5000目砂紙打磨至70 μm左右，最后將樣品沖成直徑為3 mm的圓片，在MIP-1A型磁力驅(qū)動(dòng)雙噴減薄儀上進(jìn)行雙噴化學(xué)減薄、穿孔，然后在JEM-3010型高分辨透射電子顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察 電子衍射背散射(EBSD)在FEI Helios NanoLab G3 UC雙束掃描電子顯微鏡下進(jìn)行

2 結(jié)果和分析2.1 室溫拉伸力學(xué)性能

表2列出了2060鋁鋰合金同一平面不同方向的室溫拉伸性能，其中力學(xué)性能的平面各向異性指標(biāo)為[7]

Table 2

表2

表22060鋁鋰合金不同方向的室溫拉伸性能

Table 2Room temperature tensile properties of 2060 Al-Li alloy in different directions

Sample No.	σb / MPa	σ0.2 / MPa	δ / %	Z/%
IPA /%	4.3	9.0	22.4	36.2
0°	626.3	605.3	8.8	16.4
45°	580	528.7	9.6	22.9
90°	618.7	573.3	6.1	12.8

IPA=(2Xmax-Xmid-Xmin)/2Xmax×100%(1)

式中Xmax，Xmin，Xmid分別為力學(xué)性能指標(biāo)(σb，σ0.2，δ，Z)各自對(duì)應(yīng)的3個(gè)方向上的數(shù)值中的最大值、最小值及中間值 從表2可見，0°方向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高，分別為626.3 MPa和605.3 MPa 45°方向的屈服強(qiáng)度最低，為580 MPa，但是其延伸率和斷面收縮率最高，分別為9.6%和22.9% 90°方向的延伸率和斷面收縮率最低，分別為6.1%和12.8% 這表明，2060鋁鋰合金厚板具有明顯的各向異性 抗拉強(qiáng)度的IPA值較小，屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率的IPA值都比較大，表明此時(shí)的合金板材具有明顯的平面各向異性，塑性各向異性高于強(qiáng)度各向異性，并且屈服強(qiáng)度的各向異性比抗拉強(qiáng)度更為明顯

2.2 微觀組織

圖2給出了2060鋁鋰合金厚板不同方向的金相組織 由圖2可見，在軋制過程中合金晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)，呈現(xiàn)出流線變形組織，晶?？臻g形貌呈薄餅狀，均發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶 再結(jié)晶晶粒主要分布在晶界處，因?yàn)樵俳Y(jié)晶核心長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力來源于晶界兩邊無形變新晶粒及形變晶粒之間的能量差[8] 對(duì)比不同方向的金相照片可見，合金在45°方向的晶粒組織較為粗大，在與軋制方向呈0°和90°方向被拉長(zhǎng)的晶粒寬度尺寸比厚度尺寸大，即在相同的距離內(nèi)，0°和90°方向包含更多的晶界



圖22060合金不同方向的金相組織

Fig.2Metallographic structure of 2060 alloy in different directions (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°

圖3給出了2060鋁鋰合金厚板0°、45°和90°方向的TEM照片及掃透照片 可以看出，合金的主要析出相為T1(Al2CuLi)相，在0°和45°方向還有少量的球形相和θ'(A12Cu)相(圖3a、b)，球形相應(yīng)該是δ'(A13Li)相 0°方向析出相數(shù)量最多且分布均勻，尺寸差異較小(如圖3a、d)[9,10] 45°方向的析出相主要是T1相和θ'相，還有少量的δ'(A13Li)相，T1相和θ'相尺寸較大且分布不均勻，明顯可見T1相粗化為板片狀(如圖3b、e) 90°方向的析出相主要為T1相，其數(shù)量較少，但是T1相的尺寸明顯比45°方向更小，未發(fā)現(xiàn)θ'相(如圖3c、f)



圖32060鋁鋰合金不同方向的TEM顯微組織及掃透照片

Fig.3TEM microstructure and scanning pictures of 2060 Al-Li alloy in different directions (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 0°-STEM, (e) 45°-STEM and (f) 90°-STEM

2.3 不同方向晶粒的形態(tài)和織構(gòu)

軋制變形的2060鋁鋰合金其組織通常表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向，與其各向異性的形成密切相關(guān)[11] 圖4給出了2060鋁鋰合金厚板不同方向晶粒的(001)、(011)和(111)極圖 可以看出，45°方向織構(gòu)的強(qiáng)度最高(9.207)，出現(xiàn)了較強(qiáng)的再結(jié)晶織構(gòu)P{011}<122>，但是形變織構(gòu)Goss織構(gòu){011}<100>較弱 0°方向織構(gòu)的強(qiáng)度較高(7.697)，以再結(jié)晶織構(gòu)P{011}<122>為主，形變織構(gòu)Copper{112}<111>較弱 90°方向的織構(gòu)強(qiáng)度與0°方向差別不大(強(qiáng)度為6.512)，以形變織構(gòu)Copper{112}<111>和形變織構(gòu)S{123}<634>為主



圖4厚板不同方向的(001)、(111)、(110)極圖

Fig.4(001), (111) and (110) pole diagrams of thick plate in different directions (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°

3 分析和討論

2060鋁鋰合金力學(xué)性能的各向異性與晶粒形貌、晶體學(xué)和第二相粒子的分布有關(guān)[12~14]

2060鋁鋰合金厚板的顯微組織主要是拉長(zhǎng)的扁平狀晶粒和不同程度的再結(jié)晶晶粒，在軋制過程中軋制力的作用使原先等軸的晶粒沿著主變形方向顯著拉長(zhǎng) 在后續(xù)熱處理過程中部分變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶，重新形核長(zhǎng)大為等軸晶粒 從圖2可見，2060鋁鋰合金的內(nèi)部組織大部分是顯著拉長(zhǎng)的扁平狀晶粒，在晶界附近可見部分等軸的再結(jié)晶晶粒 KV Jata[7]和范春平[15]等的研究表明，組織拉長(zhǎng)為流線型會(huì)加劇材料的各向異性 拉長(zhǎng)的晶粒使不同方向上的晶界密度不同，而晶界對(duì)材料的性能有較大的影響 晶界處的原子排列不規(guī)則，結(jié)晶時(shí)晶界上聚集了許多不固溶的雜質(zhì)，在塑性變形過程中晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使晶界處堆積大量位錯(cuò) 這些位錯(cuò)使晶界內(nèi)的晶格畸變，從而使材料強(qiáng)化 晶界密度不同，強(qiáng)化效果也不同[14] 0°方向的晶界密度明顯比45°方向和90°方向的高，位錯(cuò)穿過的晶粒數(shù)更多因此容易在晶界處塞積，使材料的強(qiáng)度更高 但是，位錯(cuò)的塞積不能松弛由位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，使材料在外力作用下較易發(fā)生斷裂而導(dǎo)致0°方向的塑性較差[16]

2060鋁鋰合金人工時(shí)效后的析出相以T1相為主，還有少量的θ'相和δ'相[17] 趙志龍[18]等研究了析出相對(duì)屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化貢獻(xiàn) 結(jié)果表明，T1相是鋁鋰合金合金的主要強(qiáng)化相，其強(qiáng)化效果明顯優(yōu)于θ'相和δ'相 在T8熱處理制度下，預(yù)變形引入的大量位錯(cuò)使基體中的空位減少，從而抑制θ'相的析出 同時(shí)，在時(shí)效過程中T1相的長(zhǎng)大消耗一部分θ'相，使θ'相的數(shù)量明顯減少[11] T1相的強(qiáng)化貢獻(xiàn)關(guān)系為[19]

τA=K1Gbf12rlnrr0+τ0(2)

式中K1為常數(shù)；G為剪切模量；f為顆粒體積分?jǐn)?shù)；r為顆粒半徑；b為伯氏矢量；r0為位錯(cuò)芯半徑 從圖3可以看出，0°方向T1相的數(shù)量稍微多于其他方向，且分布均勻，0°方向非常密集的晶界大大阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)在晶界處的塞積使其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯高于其他方向 45°方向的T1相數(shù)量與0°方向差別不大，可見大部分條狀的T1相粗化為板片狀，而且在晶內(nèi)分布雜亂，其強(qiáng)化效果最弱，強(qiáng)度最低 但是，由于晶粒較為粗大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界處所需路程較長(zhǎng)，使晶界處的位錯(cuò)塞積減弱，可開動(dòng)滑移系較多，使得45°方向的塑性最好[16] 90°方向T1相的數(shù)量較少，但是T1相仍為板條狀，尺寸比45°方向小很多，其強(qiáng)化效果也比45°方向好

在非再結(jié)晶或者部分再結(jié)晶狀態(tài)下，如果合金中存在較強(qiáng)的Brass{011}<211>、S{123}<634>及Copper{112}<111>等軋制織構(gòu)，可造成明顯的各向異性[12,20] 圖4表明，0°和90°方向存在形變織構(gòu)Copper{112}<111>和形變織構(gòu)S{123}<634>，使2060鋁鋰合金具有明顯的各向異性

4 結(jié)論

(1) 2060鋁鋰合金厚板力學(xué)性能各向異性的規(guī)律為：0°方向強(qiáng)度最高(626.3 MPa)，延伸率和斷面收縮率較低；45°方向強(qiáng)度最低(580 MPa)，但是延伸率和斷面收縮率最高(9.6%和22.9%)；90°方向強(qiáng)度稍低于0°方向，延伸率和斷面收縮率最低(6.1%和12.8%)

(2) 0°、45°和90°方向合金的主要析出相為T1相，在0°和45°方向還有θ'相和少量的球形δ'相 0°方向析出相數(shù)量最多且分布均勻，45°方向析出相的尺寸較大，大部分的T1相粗化為板片狀，90°方向析出相的數(shù)量相對(duì)較少，但是T1相的尺寸明顯比45°方向更小

(3) 2060鋁鋰合金厚板45°方向的織構(gòu)強(qiáng)度最高，出現(xiàn)了較強(qiáng)的再結(jié)晶織構(gòu)P{011}<122>，還有較弱的形變織構(gòu)Goss織構(gòu){011}<100>；0°方向織構(gòu)的強(qiáng)度仍然較高，以再結(jié)晶P{011}<122>為主，還有較弱的形變織構(gòu)Copper{112}<111>；90°方向的織構(gòu)強(qiáng)度較弱，以形變織構(gòu)Copper{112}<111>和形變織構(gòu)S{123}<634>為主

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