Al-Cu合金應力時(shí)效的動(dòng)力學(xué)研究

第29卷第4期稀有金屬2005年8月Vo.29N0.4CHINESE JOURNAL OF RARE METALSAug.2005A-Cu合金應力時(shí)效的動(dòng)力學(xué)研究0李劍,鄭子樵,陳大欽,李世晨ˇ,殷順高,劉祖耀〔中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(cháng)沙410083)摘要:對ACu合金分別進(jìn)行不同的單級和雙級"應力時(shí)效處理,結合電阻率測量和透射電子顯微鏡兩種手段,研究了外加應力對于片狀析出物析出動(dòng)力學(xué)和擇優(yōu)取向效應的影響。結果表明:在較低溫度下時(shí)效,相對電阻率在時(shí)效初期時(shí)出現了較小的上升,說(shuō)明外加應力對ACu合金的片狀(P區有促進(jìn)作用。在較高溫度下時(shí)效,相對電阻率沒(méi)有出現上升階段,但其下降幅度明顯降低,說(shuō)明外加應力對θ相的析出動(dòng)力學(xué)也有影響。不同溫度下的雙級”″時(shí)效處理結果表明∶外加應力對時(shí)效初期擇優(yōu)取向的影響作用要強于對時(shí)效后期擇優(yōu)取向的。用擴散理論證明:在共格片狀相析岀時(shí),擴散系數呈現岀明顯的各向異性,從而形成了觀(guān)察到的擇優(yōu)取向效應。關(guān)鍵詞:應力時(shí)效;擇優(yōu)取向效應;相對電阻率;透射電鏡中圖分類(lèi)號:TG166.7文獻標識碼:A文章編號功258-7076(2005)4-0539-06析岀強化是金屬材料傳統熱處理中一種十分重外加應力場(chǎng)對于A(yíng)-Cu合金析岀過(guò)程的影響,利用要的強化方法,其強化作用與析岀物的大小、尺寸、“雙級”時(shí)效處理討論外加應力對合金的不同時(shí)效階分布等因素有著(zhù)密切的關(guān)系。因而通過(guò)對析出物的段的影響,并采用擴散理論從動(dòng)力學(xué)上對共格片狀精細調控從而控制合金的性能一直是材料科學(xué)工作相的擇優(yōu)取向效應作出半定量的解釋。者所追求的目標。然而,隨著(zhù)研究的不斷深入,人們發(fā)現單一的傳統熱處理工藝常常在某些方面不能1試驗材料及方法滿(mǎn)足要求,因此,一些學(xué)者開(kāi)始探索傳統熱處理與1.1試驗材料外場(chǎng)耦合的熱處理新方法。最簡(jiǎn)單最方便的外場(chǎng)就用工業(yè)純鋁(99.95%)純Cu在電阻爐中熔煉是彈性應力場(chǎng),彈性應力場(chǎng)與傳統熱處理相結合產(chǎn)得到A3.88%Cu合金。其具體時(shí)效處理參數如表生的是應力時(shí)效處理( Stress ageing上個(gè)世紀601和2所示。年代已經(jīng)進(jìn)行了一些稀有金屬的應力時(shí)效的研1.2電阻率測量究1-3。此后,逐步擴展到如Ni基高溫合金等合金采用雙電橋法測量各合金在不同單級時(shí)效條件系,發(fā)現了其中的共格粒子如N3A在彈性場(chǎng)作下的電阻率變化曲線(xiàn)。為了消除接觸電勢的影響,用下的一系列微觀(guān)結構演化4。采用電流換向法,取一個(gè)正向讀數和一個(gè)反向讀從20世紀70年代開(kāi)始,一些學(xué)者開(kāi)始研究Al數,取兩次測得的電阻率的算術(shù)平均值。利用公式合金,70年代后期, Hosford和Eo等561分別獨立m=PP可以得到電阻率的變化趨勢。為地對ACu合金進(jìn)行了應力時(shí)效研究,90年代中表1單級時(shí)效處理期, Skrotzkt7通過(guò)研究發(fā)現,當應力超過(guò)一定值Table 1 One step stress aging時(shí),析出相具有應力取向效應。Zhu等8發(fā)現:應力合金系固溶溫度/℃C時(shí)效溫度/℃外加應力/MPa時(shí)效處理將會(huì )使得A-Cu合金的屈服強度降低。但AL-Cu是在上述ACu合金的應力時(shí)效的研究中,有關(guān)外AL-ClV山中國煤化工0,0,m加應力場(chǎng)對時(shí)效動(dòng)力學(xué)的研究甚少,而且均未給出CNMHG動(dòng)力學(xué)上的解釋。因此,本文主要研究不同溫度下Table 2 Two steps stress①鑒稿日:2白以修證期2等學(xué)校博士學(xué)科重點(diǎn)專(zhuān)項科研基金(20040533022)資助通訊1歉素(12n:南),士研究生540稀有金屬29卷固溶溫度′時(shí)效溫度/外加120MHa應力的時(shí)間效曲線(xiàn)的平臺區要明顯高于無(wú)應力時(shí)效曲線(xiàn)的平臺合金系℃區,說(shuō)明外加應力對這一階段也有影響。但是與時(shí)Al-Cu施加外力15min之后無(wú)應力時(shí)效效初期不同,100MPa的電阻率變化曲線(xiàn)逐漸與50無(wú)應力時(shí)效15min之后應力時(shí)效MPa的曲線(xiàn)接近重合,說(shuō)明此時(shí)不同外加應力對析施加外力15min之后無(wú)應力時(shí)效出過(guò)程動(dòng)力學(xué)的影響逐漸趨于一致無(wú)應力時(shí)效15min之后應力時(shí)效2.1.2“雙級"時(shí)效由于外加應力對時(shí)效初期出現的GP區的形態(tài)的影響難以直接觀(guān)察。因此了確保試樣在時(shí)效時(shí)不發(fā)生塑性變形,應該在每次對于A(yíng)Cu合金的低溫時(shí)效,設計一個(gè)雙級"時(shí)效測量電阻前都測量試樣的三維尺寸。處理來(lái)間接驗證外加應力對擇優(yōu)取向效應的影響。1.3電鏡觀(guān)察本實(shí)驗中采用的雙級”時(shí)效處理是在同一溫度下采用H80透射電鏡對雙級時(shí)效后的顯微在時(shí)效的不同階段施加應力的處理,即應力和無(wú)應組織進(jìn)行觀(guān)察。試樣先機械減薄至0.1mm左右力的雙級”時(shí)效處理。A1Cu合金低溫雙級”應力然后在MTPI型雙噴電解減薄儀上進(jìn)行雙噴,雙噴時(shí)效的電鏡照片如圖2。當ACu合金低溫時(shí)效時(shí)采用的電壓為12-15V,工作電流盡量控制在70(140℃)早期施加外加應力15min然后撤去外力90mA,用液氮冷卻至-10~20℃。雙噴液采用進(jìn)行無(wú)應力時(shí)效,出現了十分明顯應力誘導的擇優(yōu)25%硝酸,75%甲醇溶液。所有試樣在穿孔后都用取向;而在無(wú)應力時(shí)效15min之后,再施加相同外酒精溶液清洗1min,觀(guān)察時(shí)的加速電壓為200kV。力應力時(shí)效,則沒(méi)有出現明顯的應力誘導的擇優(yōu)取實(shí)驗結果向,如圖2所示,說(shuō)明外加應力對低溫時(shí)效擇優(yōu)取向效應的影響主要在時(shí)效初期GP區的形核階段。2.1低溫時(shí)效2.2高溫時(shí)效2.1.1單級時(shí)效材料的電阻率是結構敏感的2.2.1單級時(shí)效圖3是A1Cu合金在180℃物理量,需要用較高精度(≤1×10-6)的測量方法時(shí)效并施加不同外力作用時(shí)的相對電阻率變化曲來(lái)檢測其組織結構變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。對于金屬材料線(xiàn)。在此溫度下9GP區不出現,析出順序為e的相變過(guò)程,可以精確地測量隨時(shí)效時(shí)間的變化電阻率來(lái)研究析出動(dòng)力學(xué)過(guò)程bOMPa圖1是A-Cu合金在140℃時(shí)效并加不同外力H50 MP-l00 MPa作用時(shí)的相對電阻率變化曲線(xiàn)。在此溫度下時(shí)效存在GP區階段,比較圖中時(shí)效初期的曲線(xiàn)可以看式出:無(wú)應力時(shí)效時(shí),該合金的相對電阻率下降,說(shuō)明此時(shí)的GP區尺寸較大,與由基體中溶質(zhì)原子的貧化所導致的電阻下降相比,其對電子的散射作用較弱,因此,相對電阻率隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間的延長(cháng)而逐漸降低;當外加50MPa應力時(shí)效時(shí),相對電阻率的下降幅度顯著(zhù)減小,說(shuō)明GP區的散射效應增強當外加100MPa應力時(shí)效時(shí),時(shí)效初期相對電阻率ACu合金在140℃時(shí)不同外力作用下時(shí)效的相對電國煤化工CNMHGESag140℃withenlai su tssP區的析出有促進(jìn)作用由圖1還可以看出,隨著(zhù)時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行,電阻率曲線(xiàn)出現了一個(gè)平臺區,此平臺區對應于GP區極其緩慢階段。在這一階段,施加外力時(shí)4期李劍等AlCu合金應力時(shí)效的動(dòng)力學(xué)研究1001100 nm圖2低溫雙級”時(shí)效條件下Al-Cu合金明場(chǎng)電子顯微照片(a)AlC√/140℃/120M'a/5min應力時(shí)效+240h無(wú)應力時(shí)效xb)AC/140℃/120M/15mn應力時(shí)效+144h無(wú)應力時(shí)效Fig 2 Bright field images of Al-Cu alloy during two step stress ageing in 140 C相,θ‘相和θ相。因此,在時(shí)效初期,無(wú)論是無(wú)應力后撤去外力時(shí)效,同樣出現了擇優(yōu)取向,如圖4a)時(shí)效曲線(xiàn)還是應力時(shí)效曲線(xiàn)都沒(méi)有出現上升的峰所示;這說(shuō)明外加應力同樣可以使得θ相產(chǎn)生擇優(yōu)值;這說(shuō)明此時(shí)外加應力并未誘發(fā)出明顯的GP區。取向效應。無(wú)應力時(shí)效一段時(shí)間之后再施加外力比較應力時(shí)效的曲線(xiàn)與無(wú)應力時(shí)效的曲線(xiàn)可以看出:相對電阻率之間的差異隨著(zhù)外加應力的增加和在試樣中出現了一定程度但不完全的擇優(yōu)取向,如時(shí)效時(shí)間的延長(cháng)而逐漸加大,說(shuō)明外加應力對出現圖“b廝所示:與GP區存在時(shí)的低溫時(shí)效相比要明的曠相的動(dòng)力學(xué)過(guò)程有影響。顯一些,說(shuō)明外加應力對θ相長(cháng)大階段的擇優(yōu)取向2.2.2“雙級時(shí)效Ed6認為外加應力對吖等也有一定的影響。但與低溫時(shí)效相同的是,外加應相的擇優(yōu)取向沒(méi)有影響,但是卻無(wú)法解釋 Hosford力對于時(shí)效初期擇優(yōu)取向的影響要強于時(shí)效后期擇等5在較高溫度(210℃)時(shí)效時(shí)所得到的結果。因優(yōu)取向的影響。此研究外加應力對于曠"等相的影響是十分必要的。為研究外加應力對ACu中其它相的擇優(yōu)取向效應3結果分析的影響,可以選取無(wú)GP區析出階段的180℃進(jìn)行與低溫時(shí)效相似的雙級″時(shí)效處理。將120MPa陳大欽等10從彈性能方面解釋了片狀析出相的外加應力應用于A(yíng)-Cu合金較高溫度(180℃)擇優(yōu)取向的產(chǎn)生,但是其主要是熱力學(xué)的分析,而-O MPa沒(méi)有給出動(dòng)力學(xué)解釋。由于固溶淬火之后材料中保50 MPa留有大量空位,同時(shí)在面心立方晶體中,空位機制學(xué)100MPa是擴散的主要方式,比較上述雙級”時(shí)效結果可知:外加應力對低溫時(shí)效初期的作用最強。因此可以用擴散理論結合彈性理論來(lái)解釋在低溫應力時(shí)效初期析出共格片狀相時(shí)出現的擇優(yōu)取向效應。當對一立方晶體施加外加拉應力時(shí),立方晶體將會(huì )沿拉伸軸方向發(fā)生一個(gè)十分微小的彈性變形,使得昆休為方休加圖a所示。那么原子Aging time/ 10- min間的中國煤化擴散勢壘距離y和原圖3ACu合金在180℃時(shí)不同外力作用下時(shí)效的相對電子間CNMH會(huì )對擴散過(guò)程產(chǎn)生影阻率變化曲線(xiàn)Fig 3 Curve of resistivity during stress aging in 180C with根據Fym的原子遷移動(dòng)力學(xué)理論1,原子擴different external stress的時(shí)效過(guò)程凌纜在時(shí)效初期施加外力一段時(shí)間之542稀有金屬29卷250nm圖4高溫雙級”時(shí)效條件下A-(u合金明場(chǎng)電子顯微照片(a)ACu/180℃/120MPa/15min應力時(shí)效+45h無(wú)應力時(shí)效;(b)ACU/180℃/120MP/15min無(wú)應力時(shí)效+45h應力時(shí)效ig. 4 Bright field images of Al-Cu alloy during two step stress aging in 180 Cy, h圖5面心立方金屬的排布以及擴散勢壘距離l、原子間距y示意圖Fig 5 Scheme of stacking sequence and distance I and y散激活能Q與彈性常數C",彈性應變δ之間的關(guān)y≈J1+σ(2S1+S12y3]=y[1+a(2C1+系可以表示為C12yi8KCQM=8C783y≈y1+(Sn+5S12)6]=y1-(4C1-根據誤差理論,可以將上述表達式中各個(gè)參數之間1)y36KC](4的變化關(guān)系表示為la≈(1+aS12)=(1-C12/6KC)△Q_3△l2△8Q l(2)b≈41+dSn+S12y2]=1+oC1/12KC)(5)由于應變△6較難估計,因此可將轉換成其中C1,C12為彈性常數,K=n+2Cy3故上式可以表示為(C1+C△Q_34_2△y(3)將上凵中國煤化工由上式可知,擴散激活能的變化與躍迂距離l和勢CNMHGMh d7C11+8C12)壘距離y有關(guān),而這兩者在外力作用下分別有兩個(gè)18KC36KC不同的值,為la,b,ya,y,如圖xb所示,因此(6)由3冋以分別計算兩者的變化得到激活能的變化。又因為擴散系數分量的微觀(guān)表達式利用彈性勇數報及幾何關(guān)系,可以得到D:=cfw(7)4期李劍等AlCu合金應力時(shí)效的動(dòng)力學(xué)研究543G:=Bvpexp-QMi /RT)(8)2.A1Cu合金在外加應力作用下高溫時(shí)效時(shí)式中ε是平衡空位濃度,L;是躍遷距離,w是躍相對電阻率沒(méi)有出現上升階段,但其下降幅度明顯遷頻率,β是常數,ν是德拜頻率。降低,說(shuō)明外加應力對θ″相的析出動(dòng)力學(xué)也有影將4),(5),(6),(8玳代入7),并忽略二次項可以得到3.低溫和高溫的雙級"時(shí)效處理結果表明:外Du(1- akc)exp[ o(4C11 11C12 )QM/加應力對時(shí)效初期擇優(yōu)取向的影響作用要強于對時(shí)效后期擇優(yōu)取向的影響作用18KCRT]4.在外加應力作用下,共格片狀相析出時(shí),擴Die( 1+ 6KC )expL- a( 7Cu+8C12)QM/散系數呈現出明顯的各向異性。沿拉伸方向擴散系數顯著(zhù)增加,有利于這一方向的長(cháng)大,而垂直于拉36KCRT](9)伸方向的擴散系數下降,使這一方向的長(cháng)大得到抑制,產(chǎn)生了共格誘導的應力取向效應,這一特征在時(shí)效過(guò)程中被遺傳下來(lái),從而形成了觀(guān)察到的應力DII/D取向效應。參考文獻1.02[1 Louthan Jr. MR. 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Point Defects and Diffusion[ M I London Oxford說(shuō)明外加應力對A1Cu合金的片狀GP區有促進(jìn)作用。[12] MuraT, Micromechanics of Defects in Solids[ M ] Dordrecht544稀有金屬29卷Martinus Nijhoff Publishers, 1987er modeling[ J ] Acta Materialia, 2001, 49 15): 306313 Zhu A W, Starke E A Jr. Stress aging of Al-Cu alloys: computKinetics Study on Stress Aging of Al-Cu AlloyLi Jian Zheng Zijiao Chen Daqin, Li Shichen", Yin Shungao, Liu Zuyao( School of MaterialsScience and Technology, Center South University, Changsha 410083, ChinaAbstract: Different kinds of stress aging processes zone with disc shape both the gp zone and the doublewere used for Al-Cu alloy. With the determination of prime theta phase. With the treatment of two-stepresistivity and the observation by transmission elec- stress ageing process it can be seen that the externaltronic microscope( TEM), the effect of external stress stress has a stronger effect on the early stage of ageingon the kinetics of precipitation and the stress-orienting independent of ageing temperatures. Using the theoryeffect were investigated. It can be concluded that the of diffusion a semi-quantitative explanation to theexternal stress has effect on the kinetics of coherent preferentially orienting effect was givenKey words: stress ageing i preferentially orienting effect relative resisitivity TEM中國煤化工CNMHG