1、高強(qiáng)度7000系鑄造合金中的顯微結(jié)構(gòu)所依賴的斷裂韌度Z.Cvijovic , M.Rakin , M.Vratnica , I.Cvijovic摘 要： 微觀結(jié)構(gòu)的影響參數(shù)與粗顆粒間的階段以及沉淀物的斷裂韌度對(duì)過(guò)時(shí)效7000系合金鍛件的影響。詳細(xì)的微觀組織和斷口分析與斷裂韌度所進(jìn)行的試驗(yàn)使用的是三個(gè)成分不同的合金（鐵+硅）。斷裂機(jī)制的確定和局部區(qū)域斷裂模式的評(píng)估。根據(jù)這些數(shù)據(jù)然后定量相關(guān)平面應(yīng)變斷裂韌度，而大部分的屬性估計(jì)通過(guò)顯微圖像分析。以阿多微觀為基礎(chǔ)的模式發(fā)展，該報(bào)告準(zhǔn)確地描述了依賴的斷裂韌度及個(gè)人結(jié)構(gòu)參數(shù)。關(guān)鍵詞：7000鋁合金；顯微結(jié)構(gòu)；圖像分析；韌度；建模1 導(dǎo)言 高強(qiáng)度7000系

2、列鋁合金的斷裂韌度在許多高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)部件中處于關(guān)鍵地位，特別是在短期內(nèi)的橫向方向 1,2 。因此，對(duì)破壞極限設(shè)計(jì)的極其重要的目的是了解不同的參數(shù)影響及其斷裂韌度屬性。眾所周知對(duì)如粗顆粒間（IM）的階段，分散體，晶間和晶內(nèi)析出，沉淀區(qū)（PFZs）的微觀結(jié)構(gòu)特性，晶粒尺寸和方向施加重大影響 1,3-5 。它們可以有助于局部化的塑性流動(dòng)和發(fā)起以及傳播斷裂。因此，在這些斷裂過(guò)程涉及多種合金的微觀結(jié)構(gòu) 1,2,4,6-8 。共存的不同的斷裂模式，即粗通道時(shí)的感應(yīng)顆粒大，而在斷裂表面明顯存在的是晶間斷裂韌度和微孔誘導(dǎo)穿晶斷裂。因此，7000系合金的斷裂韌度變形是由實(shí)際的一小部分的微觀結(jié)構(gòu)在整體斷裂，這反過(guò)來(lái)

3、又制約了基本的組織。斷裂阻力的評(píng)估是這些合金改進(jìn)相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)與功能的一個(gè)關(guān)鍵條件。根據(jù)不同的合金成分和加工過(guò)程，相關(guān)屬性的個(gè)別功能可以多種多樣：數(shù)值模型可以通過(guò)合適的微觀結(jié)構(gòu)的必要斷裂韌度獲得。 有大量的微預(yù)測(cè)模型的平面應(yīng)變斷裂韌度，以及沉淀硬化7000系合金產(chǎn)品的斷裂韌度 2,3,5,7-14 。但是，模擬商業(yè)的7000系合金的斷裂韌度是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，由于復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和不同斷裂模式之間的競(jìng)爭(zhēng)。一個(gè)真正全面的斷裂韌度模型，已考慮了所有的斷裂模式，特性是影響這些斷裂模式和各向異性的一些參數(shù)。然而現(xiàn)有的模型，沒(méi)有提供定量的微觀組織之間的關(guān)系屬性，以及表面斷裂形貌和斷裂韌性。這些模型一般考慮選

4、擇的是微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和斷裂模式，從而使得它們不能正確的描述7000系合金真實(shí)的斷裂過(guò)程和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它們的斷裂韌度。此外，眾多的適用性模型只是有限的簡(jiǎn)化考慮了一個(gè)單一的斷裂機(jī)制。在幾個(gè)模型相比較之下，作者認(rèn)為一些混合物規(guī)則之間的斷裂韌度預(yù)測(cè)的是僅個(gè)別的斷裂模式。這種一致總結(jié)的斷裂韌度的具體斷裂機(jī)制是在權(quán)重函數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展得到的各自機(jī)制，最近已經(jīng)被戈卡萊等人所使用 7 。為了預(yù)測(cè)重結(jié)晶水平對(duì)超薄熱軋板的斷裂韌度的影響。另一方面,很少的產(chǎn)品存在的演變敘述了演變的斷裂韌度造成了7000系合金中廣泛使用重型鋼板和鍛件。 目前的工作的目的是建立一個(gè)以多微觀為基礎(chǔ)的模型，該模型能夠預(yù)測(cè)斷裂韌度以及報(bào)廢的700

5、0系合金鍛件中（鐵+ 硅 ）的雜質(zhì)含量是可變的。它是在基于現(xiàn)有的模型基礎(chǔ)上產(chǎn)生的斷裂韌度的體積分?jǐn)?shù)的粗糙的即時(shí)消息和驗(yàn)證,采用定量數(shù)據(jù)的微觀結(jié)構(gòu)及電鏡斷口分析等。2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 三個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) ）：鋁-7.45 鋅 - 2.47 鎂 - 1.53 銅-0.25 錳- 0.17 鎘- 0.15 鋯 - 0.11 硅- 0.12 鐵 （合金1 ），鋁-7.30 鋅 - 2.26 鎂 - 1.55 銅 - 0.29 錳 - 0.18 鎘- 0.13 鋯- 0.09 硅 - 0.16 鐵 （合金2 ）和 鋁 - 7.65 鋅 - 2.26 鎂 - 1.55 銅 - 0.25 錳 - 0

6、.18 鎘- 0.11 鋯- 0.11 硅- 0.26 鐵 （合金3 ）提供了50毫米厚的薄餅型鋼板在報(bào)廢的條件下。所有工業(yè)生產(chǎn)的鋼板都有一個(gè)相同的處理程序。為經(jīng)過(guò)在465 C的9小時(shí)和475 C的16小時(shí)的均勻化后，鋁錠的尺寸B192×360毫米經(jīng)430 C的單軸熱鍛高度減少85 ，然后解決方案治療460 C的1小時(shí)，水淬，具體為5 小時(shí)在100 C加5 小時(shí)在160C。兩步人工老化類(lèi)似T73的回火，通常是在7000系合金板材獲得一個(gè)很好的結(jié)合力，韌性和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂下進(jìn)行的。裂紋擴(kuò)展阻力的增加與過(guò)度時(shí)效附有復(fù)雜的冶金變化，還包括階段轉(zhuǎn)變基地矩陣，粗化和改變沉淀的一致性 15 。圖1

7、. 圖解說(shuō)明樣本的取向用于斷裂韌度的測(cè)試 (L -縱向方向, C -環(huán)狀或切線方向, R -徑向）(a)和位置的微觀分析利用的是金相位面(b)。 平面應(yīng)變斷裂韌度進(jìn)行的測(cè)試是根據(jù)美國(guó)ASTM E399的疲勞裂紋標(biāo)本的兩種不同的方向：左旋受體和R一L（圖1A）款。在案件的一個(gè)關(guān)鍵L - R的方向上，由斷裂韌度決定直接采用緊湊拉伸（CT）標(biāo)本。在案件的R一L方向，單緣缺口彎曲（ SENB ）樣本進(jìn)行了測(cè)試。由于斷裂韌度，預(yù)計(jì)在R一L比在L - R的方向?qū)⒋嬖诟蟮臄嗔秧g度值，確定J積分?jǐn)?shù)據(jù)利用方程： ( 1 )其中E是楊氏模量和V是泊松比。JIc是J積分的臨界值，根據(jù)美國(guó)ASTM E813，被評(píng)為

8、利用單一的標(biāo)本，彈性遵守的方法。據(jù)美國(guó)ASTM E8在相應(yīng)的L和R方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在所有情況下,對(duì)三個(gè)標(biāo)本的每個(gè)標(biāo)本取向都進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)這三份標(biāo)本得到這個(gè)報(bào)告的平均性質(zhì)。使用賴克特榮MeF3光鏡（長(zhǎng)征），在二次電子模式的飛利浦XL30掃描電子顯微鏡（ SEM ）情況下，在20千伏及Technai F20S -雙透射電子顯微鏡（透射電鏡）與場(chǎng)發(fā)射槍進(jìn)行試樣裂縫斷裂韌度測(cè)試以得到一份詳細(xì)的微觀組織和斷口分析。選擇性腐蝕和能量分散x的射線光譜(EDS)進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)分析測(cè)定了粗感應(yīng)顆粒的性質(zhì)。目前識(shí)別的兩階段進(jìn)行的是金相部分平行平均破裂面和裂縫表面平均斷裂。圖1.各種顆粒的化學(xué)成分進(jìn)行了

9、系統(tǒng)連接并使用這個(gè)瞬變電磁法(TEM)。圖像分析成功地解決了粗感應(yīng)顆粒和晶內(nèi)析出定量評(píng)估。它們的體積分?jǐn)?shù)，抗體，大小表示截取的平均長(zhǎng)度，L或平均直徑，D和間距，鉀以及PFZs寬度，WPFZs ，估計(jì)通過(guò)測(cè)量完成金相面位。對(duì)這些測(cè)量結(jié)果放大一千遍,利用截圖方法或深槽300 - 500均勻采樣平面中的每個(gè)標(biāo)本。對(duì)試樣在掃描電鏡斷口上進(jìn)行斷裂韌度檢查評(píng)估斷裂的微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)斷裂表面進(jìn)行研究，表面裂縫的中心區(qū)域的塑性區(qū)疲勞在應(yīng)力狀態(tài)下利用圓型的條件。這個(gè)地區(qū)不同的分?jǐn)?shù)斷裂模式，是通過(guò)跟蹤這個(gè)地區(qū)的量化的掃描電鏡(SEM)及使用數(shù)字化片劑得到的。十個(gè)斷口組織的顯微鏡照片經(jīng)過(guò)750次的放大，在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)

10、上用定量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了多基微觀結(jié)構(gòu)的斷裂韌度。3 結(jié)果和討論3.1 顯微組織觀察 光鏡中提出的圖2表明，顯示所有的由微觀結(jié)構(gòu)組成的粗鍛件包括感應(yīng)顆粒，不均勻的分布于細(xì)長(zhǎng)的顆粒和枝晶臂邊界，較為粗糙的顆粒分布在樹(shù)突狀沉淀核心。顆粒結(jié)構(gòu)并沒(méi)有結(jié)晶，是由于不良的鉻、錳、鋯被添加到了分散體形式，眾所周知，它能夠有效的抑制再結(jié)晶。由于熱鍛序列的厚鋼板產(chǎn)品發(fā)生以下的再結(jié)晶溫度，所以有三個(gè)合金呈薄餅狀顆粒結(jié)構(gòu)。大煎餅形狀的顆粒細(xì)長(zhǎng)的分布在C方向，金相觀察試樣平面的L - R方向上的標(biāo)本圖2 。顆粒結(jié)構(gòu)的R-L方向是相似的，但發(fā)現(xiàn)顆粒更多的拉長(zhǎng)是在同一C方向。長(zhǎng)征和SEM / EDS公司表明，當(dāng)感應(yīng)

11、粗顆粒，按照一致的方向發(fā)展并發(fā)生普遍變形時(shí)，有以下類(lèi)型：(a)可溶性g-Mg(Zn,Cu,Al)2, S-CuMgAl2與鋅和Mg2Si，(圖3a(a)和(b)和圖4a)，(b)不可溶性(Cu, Fe,Mn)Al3(圖3c) ，Al7Cu2Fe(圖4b)，一個(gè)小的(Cu, Fe,Mn,Cr)Al7。圖2。顯微組織中顯示LM檢驗(yàn)L-R合金3在一個(gè)方向的試劑蝕刻格拉夫16。 通常粗顆粒的可溶性或最小部分的可溶性階段含有合金元素，目前的解決方案為注明均化作用，表明鋅、鎂合金是主要用于降水硬化而并不具有潛在影響沉淀行為的合金。他們的掃描電鏡(EDS)分析表明,這些發(fā)現(xiàn)微粒的階段是大多數(shù)的Mg2Si分解

12、過(guò)程。熱處理過(guò)程中所得的粒子收益緩慢,而復(fù)雜的階段包含鋁、鋅、鎂和含量相對(duì)較小的銅。在分析了圖像和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以看出在表1，他們的體積分?jǐn)?shù)低于0.16 vol.%。而主導(dǎo)的第四紀(jì)階段是基于-Mg(Zn，Cu，Al)2的，目前，有一些小的粒子由于其分散和產(chǎn)生球化處理。不溶解的S相顆粒很少看到。與其他產(chǎn)品對(duì)比17 20允許識(shí)別上述的階段。即現(xiàn)有的文獻(xiàn)和相圖顯示，溫度低于固相線時(shí)，有四個(gè)階段，即(MgZn2)，T(Al2Mg3Zn3)，S(CuMgAl2)和H(CuAl2)也會(huì)發(fā)生在Al-Zn-Mg-Cu系合金中。這些階段中，只有、T和S出現(xiàn)在商用7000系合金中。同時(shí)和T的階段擴(kuò)展可得到溶鋁和銅

13、，而顯示S的鋅系溶解度可以達(dá)到質(zhì)量的30。在鋅軸承階段中，鋅/鎂比發(fā)揮了關(guān)鍵控制作用的性質(zhì)。因此，在我們實(shí)際的生產(chǎn)情況下，高的鋅/ 鎂比有助于形成的階段。盡管這一階段包含相同的主要因素,但它又和第四紀(jì)T階段的化學(xué)性質(zhì)是不同的。SEM/EDS的頻譜從G顆粒顯示表明鋅的含量是明顯大于鎂的，圖3a。EDS公司分析這個(gè)數(shù)據(jù)可能會(huì)與報(bào)告共同確定T階段的數(shù)量。最近，Ii et al. 21 和蒙德以及Mukopadhyay 19 發(fā)現(xiàn)，鋅/鎂的比例在這個(gè)階段中接近1和(鋅+鎂)/銅到5之間。他們還進(jìn)行了X -射線衍射（ XRD ）分析，并得出結(jié)圖3。掃描電鏡斷口斷裂韌度試樣和EDS譜粒子的G -Mg(Zn

14、,Cu,Al)2（a），S- CuMgAl2（b）和(Cu，F(xiàn)e，Mn)Al3（c）階段觀察到的斷裂面。論認(rèn)為，這些的Al - Zn - Mg - Cu系豐富的粒子具有相同的晶體結(jié)構(gòu)與第四紀(jì)T階段。但是，應(yīng)該指出的是，在SEM/EDS光譜中的鋁基高峰可能是由實(shí)際的感應(yīng)粗顆粒組成，而且還促成其圍繞在點(diǎn)陣的周?chē)?。我們的研究表?在除了可溶性-Mg(Zn,Cu,Al)2階段，微量的S-CuMgAl2階段也可以通過(guò) (SEM)/EDS檢測(cè)到，圖.3b. 圖表上的的鋅峰值，表明S階段與鋅的含量是相關(guān)的，這個(gè)結(jié)果報(bào)告已經(jīng)由蒙德和Mukopadhyay所證實(shí) 19 。 定量的圖像分析結(jié)果表明，在不同比例的基

15、礎(chǔ)上可溶性階段和S階段具有平均化和固溶處理。合金1,具有最高的(Zn+Mg)含量顯示了他們的極點(diǎn)。另一方面，在合金3中的和S相顆粒數(shù)量要比合金1中少，由于具有較為平衡的(Zn+Mg)內(nèi)容，所以這些階段目標(biāo)，是為了表明完全不同的解體。因此，在合金1中減少鋅，鎂的含量可形成沉淀硬化。此外,增加(Fe+ Si)的雜質(zhì)含量可以降低可溶性和S階段的體積分?jǐn)?shù)，因?yàn)樵谝恍╇A段中,有大量的鎂、銅以結(jié)合鐵和硅的形式存在于Mg2Si與各種難溶性階段中。雖然Mg2Si相可溶性顆粒的平均尺寸從1.70到2.09，但是并不存在更大的尺寸(見(jiàn)表1)，它們的尺寸比和S階段的要大，這樣可以表現(xiàn)出對(duì)于斷裂進(jìn)程更大的影響。即眾所

16、周知,斷裂或各種感應(yīng)相顆粒的分離取決于顆粒的形態(tài)和內(nèi)在機(jī)械性能 22 。因此，如所概述的文獻(xiàn) 23 ，對(duì)位強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)S-CuMgAl2粒子的直徑在710到540兆帕之間增減。由于在局部區(qū)域存在較大粒子的開(kāi)裂和損壞，所以會(huì)強(qiáng)烈的影響富含鐵和硅的大顆粒的制備階段，而具有較低的斷裂強(qiáng)度。正如上文所說(shuō)，對(duì)各種包含鐵的顆粒進(jìn)行了觀察。然而，這些難溶性顆粒大多是改良的FeAl3和Al7Cu2Fe階段,其他作者認(rèn)為在這個(gè)階段所觀察到的內(nèi)容都是相同的1,17,20-22,24。為了測(cè)量7075 - T6態(tài)合金的FeAl3和含鐵量的階段，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)量元素的數(shù)據(jù)被替代了18。結(jié)合該化學(xué)信息及SEM/EDS的結(jié)果,本

17、研究提出了(Cu、Fe、Mn) Al3與相位識(shí)別。由于(Cu、Fe、Mn) Al3與和Al7 Cu2Fe顆粒的平均大小在1.99至2.43lm之間圖4.SEM斷口斷裂韌度試樣和EDS譜顆粒Mg2Si(a)和Al7Cu2Fe(b)階段的斷裂面。表1鍛件取向的幾何參數(shù)的研究和具有較低的斷裂強(qiáng)度，所以與其它階段相比更容易觀察到三個(gè)合金,它們對(duì)韌度的影響更大。事實(shí)上，巴頓等人認(rèn)為這些微粒比Mg2Si相具有更高的硬度 22 。在測(cè)量7010- T7651鋁合金的楊氏模量和硬度時(shí)發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)相粗顆粒。楊氏模量的作用常數(shù)，148GPa和82GPa，硬度，9.5GPa和4GPa，分別對(duì)應(yīng)獲得平均粒徑約為8lm的

18、Al7Cu2Fe和Mg2Si顆粒。在我們以前的工作中進(jìn)行掃描電鏡得到的斷裂阻力取決于感應(yīng)粒子的性質(zhì) 25 。結(jié)果表明，粗富鐵顆粒是無(wú)效的起始位點(diǎn)。這些變化中的粗顆粒的鐵含量造成大的體積分?jǐn)?shù)變化。該富鐵相抗體的價(jià)值是增加了幾乎呈線性增加的鐵含量在合金1中增加了0.12-合金3中增加了0.26。重要的是要注意，增加了富鐵顆粒含量和顆粒的尺寸及減小了它們的間距，使它們分布的距離縮短了約2倍（見(jiàn)表1)。這樣可以使表面容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，從而減小矩陣變形的能力。 該淬火引起的降水發(fā)生在晶界，但是，可能會(huì)促使晶間斷裂。TEM/EDS的分析表明，這些密集的沉淀物所包圍的PFZs是平衡階段中的-MgZn2階段（

19、圖.5a），這已經(jīng)見(jiàn)諸于其他研究者的7000系合金實(shí)驗(yàn)1,3,9。在淬火過(guò)程中形成的沉淀物也在內(nèi)的顆粒。它們是粗均勻沉淀主要用來(lái)在點(diǎn)陣中的老化治療和大多數(shù)Al18Cr2 Mg3和Al20 Mn3Cu2彌散體的形核問(wèn)題，圖.5b和c，在加熱沉淀的鑄鋁錠的均化溫度。通過(guò)TEM/EDS定量的分析（表中的圖.5）和不斷的觀察這些長(zhǎng)方形或橢圓形的小彌散體來(lái)表明其偏離化學(xué)計(jì)量。它們不僅反映了合金成分復(fù)雜的影響，也反映了合金成分對(duì)粒子化學(xué)性質(zhì)但也傾向于富鋁感應(yīng)相階段少量分解的各種要素。前者與沉淀的分布可以觀測(cè)到階段的蝕刻沉淀，圖.2。平均密度的溶質(zhì)PFZs合金與隔離合金在凝固過(guò)程中和降水過(guò)程中應(yīng)用不同的熱處

20、理工藝在1.37到2.14微米。在第二種類(lèi)型的晶內(nèi)沉淀下可看到LM可能是-Mg(Zn,Cu,Al)2沉淀出現(xiàn)的均化。它們正在粗化以及部分的S-CuMgAl2粒子轉(zhuǎn)化與鋅在溶質(zhì)中的處理有圖.5.應(yīng)用透射電鏡顯示鑄模的顯微組織及EDS降水鍛件的結(jié)果和晶內(nèi)沉淀物。關(guān),圖.5c。正如他們的溶解緩慢,一個(gè)重要部分的粗化和圓形顆粒的平均直徑約變粗了0.55微米都存在于三個(gè)合金中。由于大量的鋅、鎂溶解在鑄模中,其在合金2和3(1.8和2.2vol.%)中的體積分?jǐn)?shù)比在合金1(1.2 vol. %)中的要更大，因此,應(yīng)該預(yù)料到有相當(dāng)數(shù)量的溶質(zhì)被困在這些鑄模中和應(yīng)淬火誘導(dǎo)并使其析出。此外粗顆粒的可溶性階段可能影

21、響淬硬顆粒在老化處理時(shí)體積分?jǐn)?shù)的形成。在文獻(xiàn)中這是與研究報(bào)告的結(jié)果是一致的 1,26 。當(dāng)緩慢淬火適用于材料的平衡固溶處理后，粗顆粒沉淀階段將發(fā)生在彌散體中和晶粒邊界,造成溶質(zhì)大量的損耗，并在隨后的沉淀過(guò)程中抑制鑄模的老化。由于所有的合金是在應(yīng)用條件下,所以可能暗示它是目前唯一的硬化階段。也就是,最近的工作1,3,15,26表明在應(yīng)用條件下(T7)的主要沉淀相平衡在-MgZn2階段。在目前的工作中，TEM觀察表明在很大程度上，這些沉淀是均勻分布的。然而，杜蒙等人. 1 報(bào)道大部分的溶質(zhì)被困在淬火誘導(dǎo)產(chǎn)生的沉淀中，7050系合金的高級(jí)和中級(jí)淬火材料在同一應(yīng)用情況與硬化沉淀的緩慢淬火相比體積分?jǐn)?shù)和

22、尺寸明顯降低。因此，在屈服應(yīng)力等級(jí)降低的情況下得到緩解。這可能也反映了在微孔的比例范圍內(nèi)，在鑄模內(nèi)部產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程和穿晶斷裂。3.2 機(jī)械試驗(yàn) 拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性的數(shù)據(jù)列于表2。它指出了屈服強(qiáng)度的降低和韌性的增加提高了合金的純凈度，最大的區(qū)別在屈服強(qiáng)度值約為10%。然而,屈服強(qiáng)度更依賴于(Fe+ Si)在L方向上的雜質(zhì)含量。可以注意到的是,當(dāng)這三個(gè)合金表現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度時(shí)，說(shuō)明較于R方向載荷更適合應(yīng)用于L方向。目前合金1的散射值是最明顯的,而與合金3最小的屈服強(qiáng)度的差別是在兩個(gè)方向能獲得最高的雜質(zhì)含量。表2 機(jī)械測(cè)試和定量斷口的數(shù)據(jù)這表明,屈服強(qiáng)度相對(duì)不受微觀結(jié)構(gòu)特征改變的影響。鋅含量最高的

23、合金3具有更好的強(qiáng)度性能，許多密度大的部分的一般情況下都發(fā)生了粗化沉淀，與另外兩種合金相比說(shuō)明了主要的合金元素具有至關(guān)重要的作用,決定其屈服強(qiáng)度值。另一方面,斷裂韌度對(duì)雜質(zhì)含量是相當(dāng)敏感的。所有KIc的值都代表有效的斷裂韌度的數(shù)據(jù)，這很明顯是通過(guò)一個(gè)塊載荷F來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)斷裂韌度的評(píng)估是通過(guò)載重線位移的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行的。這種曲線顯示的是最純合金1在兩個(gè)方向上的測(cè)試如圖.6.這里，正切線被添到了實(shí)驗(yàn)曲線中。計(jì)算Fmax/Fd段的比率(Fmax是最高載荷,而載荷Fd段是從圖繪制的起源點(diǎn)進(jìn)行的，比最初的切線的環(huán)節(jié)部分低了5）小于1.1以證實(shí)結(jié)果是有效的斷裂韌性。此外，我們的分析證實(shí)了在平面應(yīng)變條件下使用

24、斷裂力學(xué)參數(shù)解決塑性區(qū)的裂紋尖端問(wèn)題需要使用歐文提出的方程 27 ： ( 2 ) 表2中還包括了這些計(jì)算值。他們檢查的結(jié)果清楚地表明了大量的可塑性裂紋尖端的測(cè)試結(jié)構(gòu)都是不重要。因此，斷裂韌性可被視為適當(dāng)?shù)膮?shù)。然而不要忘記，塑性區(qū)的大小隨裂紋前緣兩個(gè)最大的自由平面和最小的平面變化。依據(jù)文獻(xiàn) 6 .參考T651和T7651提供的條件，詳細(xì)分析了7050系鋁合金在塑性區(qū)的裂紋表面形貌。 獲得的數(shù)據(jù)表明，由于（Fe+ Si）越來(lái)越多的雜質(zhì)含量導(dǎo)致斷裂韌度下降。對(duì)相同的強(qiáng)度等級(jí)，最純凈的合金1比合金2有更高的韌性,但合金2(Fe+Si)的含量卻比合金1要高0.02%，由于斷裂韌度的進(jìn)一步降低純凈度將變

25、為0.37%。由于存在雜質(zhì)且合金3微觀結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)含量比合金1中要多0.298vol.%, KIc值在R-L取向上降低了11.4。由于硅的含量是幾乎不變的,這意味著一個(gè)大的顆粒粗化量和斷裂韌度可能是由于一個(gè)相對(duì)較小的含鐵量的變化引起的。 這種趨勢(shì)在L-R的方向上也可以觀察到。KIc值遞減到13的原因是由于fv從0.352vol.增加到了0.737vol.。然而,這三個(gè)合金在R一L方向上比在L - R方向上表現(xiàn)出更高的韌性，這韌性的各向異性取決于合金3中最大的（Fe+ Si）含量，在R一L方向上的KIc值比L-R方向上的KIc值是要高14.5。這主要?dú)w因于各向異性的粗感應(yīng)顆粒。這與先前報(bào)告的結(jié)果

26、6,7相吻合，表明了調(diào)整這些粒子嚴(yán)重削弱了KIc值和其它途徑比其更有效的缺點(diǎn),例如：晶界的析出。這種韌度的變化取決于這些微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其相關(guān)斷裂的影響機(jī)制，進(jìn)一步證實(shí)了電鏡斷口分析的結(jié)果。3.3. 斷口 SEM觀察不合格試樣斷口的斷裂韌度顯示，在所有情況下斷裂是相對(duì)具有韌性的。然而在不同的情況下，表明斷裂過(guò)程是復(fù)雜的,涉及不同的微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這就是微孔聚集型斷裂通過(guò)顆粒產(chǎn)生的孔洞形成沉淀，覆蓋在鑄模大部分的斷裂表面上,圖7a。但是,許多完整的韌窩表征了大部分區(qū)域在變形之前的韌度，觀察斷裂平面的大型韌窩與粗感應(yīng)相顆粒,圖7b.大多數(shù)是由于顆粒而產(chǎn)生(主要是(Cu, Fe,Mn)Al3

27、，Al7Cu2Fe與Mg2Si)的裂縫,圖.7c。在/鑄模或S/鑄模界面中減聚力還存在,但是這些裂紋萌生的位置卻不是很多。原位掃描電鏡在觀察斷裂過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)合金中裂紋總是發(fā)生在粗感應(yīng)相顆粒表面。其斷裂或分離可能優(yōu)先發(fā)生在第一階段，加勒特和諾特 10 報(bào)道，在粗顆粒的空隙間可以形成應(yīng)變比約為3%的顆粒，而當(dāng)應(yīng)變比為25%到50%時(shí)，這些顆粒在鋁合金斷裂后，只有7%的塑性應(yīng)變。因此,第一次斷裂事件,導(dǎo)致了整體斷裂和晶核在粗感應(yīng)顆粒的空隙中形成、成長(zhǎng)以及合并。事實(shí)上,我們圖.6.合金1在負(fù)載F下測(cè)試在R一L(a),(b)和L-R(c)方向上的載重線位移。已經(jīng)在文獻(xiàn)25注意到顯微裂紋在富鐵顆粒中

28、比在其他階段的顆粒中更容易產(chǎn)生,這就證實(shí)了它們?cè)谙鄬?duì)低載荷條件下是很容易發(fā)生斷裂的。由于在最大的裂紋尖端有明顯受損的富鐵粒子，所以它們小顆粒的存在以及斷裂阻力可能基于粗顆粒的協(xié)同效應(yīng)分?jǐn)?shù),它們的大小和空間分布。不僅提高了粗富鐵顆粒的體積分?jǐn)?shù)還增大了顆粒之間的間距,以及減少了產(chǎn)生局部間隙的變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這就是在穿晶斷裂后發(fā)生的腐蝕性斷裂，在-階段沉淀在微孔的晶界并與之結(jié)合。再加上在PFZs的低屈服應(yīng)力，導(dǎo)致低塑性的裂紋沿晶粒和枝晶邊界擴(kuò)展。圖.7. 使用SEM測(cè)試合金1(a),(b)和合金2(c),(d)的斷口組織在R-L方向上的表面裂縫 控制結(jié)構(gòu)隨合金的純度和試樣的方向而改變，這個(gè)結(jié)論已

29、經(jīng)由表2中給出的斷口定量數(shù)據(jù)證實(shí)。由此可見(jiàn),含量最大區(qū)域的穿晶斷裂(AAt)是發(fā)生在純度最高的合金1中。另一方面,這種合金的試樣在R一L方向上進(jìn)行了最明顯的韌性斷裂表面的測(cè)試(64.3%的斷面中有57.0%是在L-R方向上的)。(Fe+Si)含量的增加會(huì)使顆粒裂縫的發(fā)生率增大以及局部表面產(chǎn)生微孔(AAp)。粗孔寬度的增加表明了顆粒韌性/穿晶斷裂比值的降低，但是，盡管AAt的規(guī)模較小，但卻主要是在RL方向上的斷裂。由于AAt從0.643降低到了0.571因而導(dǎo)致(Fe + Si)的含量從0.23%增加到了0.37%。然而，L-R方向上的試樣在裂紋擴(kuò)展的方向上也就是粗顆粒分布的方向，粗微孔變得更加

30、重要（和R一L試驗(yàn)相比）。對(duì)于（Fe+Si）給定的變化量，主要是從一個(gè)過(guò)渡的穿晶斷裂階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇治⒖讜r(shí)發(fā)生的。因此，就合金3來(lái)說(shuō)粗感應(yīng)相顆粒的分解是一個(gè)主導(dǎo)的斷裂模式，但局部區(qū)域間的斷裂（AAi）仍然是重要的（28.7的斷面）。這表明，決定因素主要的差異是在斷裂阻力間的R一L和L-R的方向上呈空間分布的粗感應(yīng)相顆粒。還應(yīng)該指出的是，合金2的晶間斷裂比例是最高的（30.4斷面）。由于分離的晶界并不明顯和局部地區(qū)存在著許多微孔，所以往往很難解決這個(gè)斷裂模式。但是,在合金中AAi最高的情況下PFZs寬度的增加表明PFZs促使了晶間斷裂的發(fā)生。這導(dǎo)致各個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程之間的競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)生穿晶斷裂。3.3 微機(jī)械

31、模型 根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們已經(jīng)制定了一個(gè)模型，對(duì)斷裂韌度進(jìn)行預(yù)測(cè)，合并關(guān)鍵的微觀組織特征和斷裂微觀結(jié)構(gòu)。新模式的擬定首先要計(jì)算平面應(yīng)變斷裂韌度，斷裂韌度的計(jì)算使用哈恩和羅森菲爾德模型 9 ，其表示為 ( 3 )其中D是粗顆粒的直徑，是它們的體積分?jǐn)?shù)，而和E分別是屈服應(yīng)力和楊氏模量。我們已經(jīng)表明，斷裂阻力是由粗顆粒裂縫，鑄模的塑性性能和晶界結(jié)構(gòu)共同決定的。在一些現(xiàn)有的模式中，只有在上述的模式中，它被認(rèn)為在兩個(gè)重要參數(shù)影響下是恒定不變的，這兩個(gè)重要參數(shù)即體積分?jǐn)?shù)和粗顆粒的尺寸，是負(fù)責(zé)微孔的產(chǎn)生和增長(zhǎng)。然而，當(dāng)將實(shí)驗(yàn)獲得的有關(guān)機(jī)械的平均值和微結(jié)構(gòu)參數(shù)代入方程（ 3 ）用來(lái)預(yù)測(cè)斷裂韌度，如果在所有的

32、粗感應(yīng)相顆粒附近產(chǎn)生裂縫，那三種合金中的計(jì)算值將明顯低于其所具有的韌度值。他們幾乎比KIc的測(cè)量值低了兩倍。這是符合事實(shí)的,雖然這是目前應(yīng)用最廣泛的模型3,5,14,但預(yù)測(cè)的韌性通常并不令人滿意。它也發(fā)現(xiàn),預(yù)測(cè)結(jié)果表明其循環(huán)周期依賴于粗感應(yīng)相顆粒。這是在意料之中的,因?yàn)樵撃Ｐ偷念A(yù)測(cè)是增加而不是減少斷裂韌度，這違背了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖.8.總結(jié)了斷裂韌度測(cè)試所有的測(cè)量數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的結(jié)果。在R一L和L-R方向上的定位數(shù)據(jù)中都提供了這個(gè)數(shù)字，值得注意的是，高密度沉淀導(dǎo)致了強(qiáng)度的逐步增加和斷裂阻力的減小。屈服強(qiáng)度和韌度之間的這種反向關(guān)系在大多數(shù)的工程合金 5 也可以觀察得到。另一方面，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中韌度不增

33、加而增加了形核顆粒的大小，因此它說(shuō)明了這一模式?jīng)]有有效的微觀機(jī)制。基于這些觀點(diǎn)和現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)，將哈恩和羅森菲爾德公式（3）進(jìn)行了修正。對(duì)鑄模合金的斷裂韌度進(jìn)行了調(diào)查并考慮到了多發(fā)性斷裂的微觀結(jié)構(gòu) 。因而，以下是戈卡萊等人的方法 7 ，用個(gè)別斷裂模式來(lái)表示斷裂韌度整體水平的情況。我們?cè)跀U(kuò)展模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)哈恩與羅森菲爾德理論提出了兩個(gè)微觀結(jié)構(gòu)斷裂的AA測(cè)量值。新模型考慮到了減小總KIc值時(shí)會(huì)導(dǎo)致AAp增加以及顯示正確的逆向強(qiáng)度韌性。即,每個(gè)微觀結(jié)構(gòu)的斷圖.8.目前研究的屈服強(qiáng)度和斷裂韌度的相關(guān)數(shù)據(jù).裂都涉及到了具體的能量損耗。由于粗顆粒具有低強(qiáng)度和弱界面,所以它們很少涉及分離型斷裂和塑性變形

34、的能量損耗。因此,粗微孔面積分?jǐn)?shù)的增加使合金的斷裂韌度也相應(yīng)的增加。其方法之一是提高包括AAt作為變量參數(shù)在這種發(fā)展模式中的精度。因此,這種方法被納入了導(dǎo)致鑄模局部流動(dòng)破裂的條件。如前面所述,中間開(kāi)裂和細(xì)顆粒通常不知道會(huì)發(fā)生怎樣的微孔誘導(dǎo)型穿晶斷裂，與更多的塑性變形相比斷裂過(guò)程則產(chǎn)生能量損耗或晶間斷裂。增加AAt會(huì)增加塑性材料的能量耗散，因此它增加了KIc值。由于在穿晶斷裂模式中存在著完整的韌性斷裂顆粒，如果顆粒間的間隔k減小了，則更有可能導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。從這一點(diǎn)出發(fā)，新的模型可以預(yù)測(cè)到，對(duì)于一個(gè)給定的淬火率和老化條件下的斷裂韌度的化與顆粒間的間距大小。最后,考慮到三個(gè)微觀結(jié)構(gòu)(AAp + A

35、At + AAi)由于破壞發(fā)生的斷裂表面的區(qū)域分?jǐn)?shù)等于1，且以斷裂過(guò)程中起促進(jìn)能量耗散作用的塑性變形斷口的塑性區(qū)為例,介紹了達(dá)到綜合關(guān)系的KIc值?？紤]到AAi是難以確定的,所以相對(duì)應(yīng)的給出了沿晶斷裂的特征與顆粒和枝晶的邊界。即與哈恩羅森菲爾德的結(jié)論相反,不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展開(kāi)始時(shí),裂紋尖端張開(kāi)達(dá)到的長(zhǎng)度打破了連續(xù)韌帶導(dǎo)致了顆粒的斷裂與分離。更大的壓力限制了相鄰區(qū)域間的裂紋尖端的增長(zhǎng)和銜接的進(jìn)行。事實(shí)上,在裂紋尖端較小的區(qū)域中由于顆粒的斷裂表明斷裂后在粗顆粒的分解過(guò)程中可能完全是穿晶斷裂。隨著裂紋的產(chǎn)生并沿枝晶邊界擴(kuò)展后,會(huì)導(dǎo)致粗顆粒的破碎。由于PFZs內(nèi)部存在更細(xì)微的顆粒以及相鄰顆粒的沿晶降水進(jìn)程削弱了晶界的實(shí)力,促使晶界裂紋在PFZs中更容易產(chǎn)生,晶間韌性的水平取決于幾個(gè)PFZs參數(shù)間的大小,他們會(huì)增加密度對(duì)晶界與PFZs寬度的影響。合金2比其他兩個(gè)合金具有更大的裂紋發(fā)生率,這顯示了PFZs最大的寬度,表明新的模式應(yīng)該考慮相關(guān)PFZs的特征。因此,是將PFZs值列入方程以得到理想的韌度值來(lái)預(yù)測(cè)晶間斷