(1) Eigenschaften von Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx
Aluminiumlegierungen der 7XXx-Serie sind Aluminiumlegierungen mit Zn als Hauptlegierungselement und sind wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen. Wenn der Legierung Mg hinzugefügt wird, wird sie zu einer Al-Zn-Mg-Legierung. Die Legierung hat gute thermische Verformungseigenschaften und einen weiten Abschreckbereich. Unter geeigneten Wärmebehandlungsbedingungen kann sie eine hohe Festigkeit und gute Schweißeigenschaften erreichen. Sie hat im Allgemeinen eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gewisse Neigung zu Spannungskorrosion. Es ist eine hochfeste schweißbare Aluminiumlegierung. Die Al-Zn-Mg-Cu-Legierung wird auf der Basis der Al-Zn-Mg-Legierung durch Zugabe von Cu entwickelt. Ihre Festigkeit ist höher als die der Aluminiumlegierungen der 2X-Serie. Sie wird im Allgemeinen als ultrahochfeste Aluminiumlegierung bezeichnet. Die Streckgrenze der Legierung liegt nahe an der Zugfestigkeit, das Streckgrenzenverhältnis ist hoch und die spezifische Festigkeit ist ebenfalls hoch, aber die Plastizität und Hochtemperaturfestigkeit sind gering. Sie eignet sich für tragende Strukturteile, die bei Raumtemperatur und unter 120 Grad verwendet werden. Die Legierung ist leicht zu verarbeiten und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit. Diese Legierungsreihe wird häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und hat sich zu einem der wichtigsten Strukturmaterialien in diesem Bereich entwickelt.
(2) Legierungselemente und Verunreinigungselemente und ihre Funktionen
① Al-Zn-Mg-Legierung Zn und Mg sind die wichtigsten Legierungselemente in der Al-Zn-Mg-Legierung und ihr Gehalt beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 7,5 %.
Zn und Mg: Mit zunehmendem Zn- und Mg-Gehalt in der Legierung nehmen im Allgemeinen auch die Zugfestigkeit und die Wärmebehandlungswirkung zu. Die Spannungskorrosionsneigung der Legierung hängt von der Summe der Zn- und Mg-Gehalte ab. Bei Legierungen mit hohem Mg- und niedrigem Zn-Gehalt oder hohem Zn- und niedrigem Mg-Gehalt weist die Legierung eine gute Spannungskorrosionsbeständigkeit auf, solange die Summe der Zn- und Mg-Gehalte nicht mehr als 7 % beträgt. Die Schweißrissneigung der Legierung nimmt mit zunehmendem Mg-Gehalt ab.
Zu den Spurenelementen in Al-Zn-Mg-Legierungen zählen Mn, Cr, Cu, Zr und Ti, und zu den Hauptverunreinigungen zählen Fe und Si.
Mn und Cr: Durch Zugabe von Mn und Cr kann die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert werden. Der Mn-Gehalt beträgt 0,2 %~
Bei {{0}},4 % ist der Effekt signifikant. Der Effekt der Zugabe von Cr ist größer als der von Mn. Wenn Mn und Cr gleichzeitig hinzugefügt werden, ist der Effekt der Verringerung der Spannungskorrosionsneigung besser. Die geeignete Menge an hinzugefügtem Cr beträgt 0,1 % bis 0,2 %.
Zr: Zr kann die Schweißbarkeit von A{{0}}Zn-Mg-Legierungen deutlich verbessern. Wenn der AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35-Legierung 0,2 % Zr zugesetzt wird, werden Schweißrisse deutlich reduziert. Zr kann auch die endgültige Rekristallisationstemperatur der Legierung erhöhen. In der AlZn4,5Mg1,8Mn0,6-Legierung liegt die endgültige Rekristallisationstemperatur der Legierung über 500 Grad, wenn der Zr-Gehalt höher als 0,2 % ist. Daher behält das Material auch nach dem Abschrecken seine Festigkeit. Verformtes Gewebe. Das Hinzufügen von 0,1 % bis 0,2 % Zr zu Mn-haltigen Al-Zn-Mg-Legierungen kann die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung ebenfalls verbessern, aber Zr hat eine geringere Wirkung als Cr.
Ti: Die Zugabe von Ti zur Legierung kann die Korngröße der Legierung im Gusszustand verfeinern und die Schweißbarkeit der Legierung verbessern, aber die Wirkung ist geringer als die von Zr. Wenn Ti und Zr gleichzeitig hinzugefügt werden, ist die Wirkung besser. In der AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3-Legierung mit einem Ti-Gehalt von 0.12 % weist die Legierung bei einem Zr-Gehalt von 0.15 % eine gute Schweißbarkeit und Dehnung auf und kann die gleiche Wirkung erzielen wie bei einer alleinigen Zugabe von mehr als 0.2 % Zr. Ti kann auch die Rekristallisationstemperatur der Legierung erhöhen.
Cu: Durch Zugabe einer kleinen Menge Cu zu Al-Zn-Mg-Legierungen können die Spannungskorrosionsbeständigkeit und die Zugfestigkeit verbessert werden. Allerdings verringert sich dadurch die Schweißbarkeit der Legierung.
Fe: Fe kann die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Legierung beeinträchtigen, insbesondere bei Legierungen mit hohem Mn-Gehalt. Daher sollte der Fe-Gehalt so gering wie möglich sein und sein Gehalt auf weniger als 0,3 % begrenzt werden.
Si: Si kann die Festigkeit der Legierung verringern, die Biegeleistung leicht reduzieren und die Neigung zu Schweißrissen erhöhen. Der Si-Gehalt in der Legierung sollte auf weniger als 0,3 % begrenzt werden.
② Al-Zn-Mg-Cu-Legierung Al-Zn-Mg-Cu-Legierung ist eine wärmebehandelbare Legierung. Die wichtigsten Verstärkungselemente sind Zn und Mg. Cu hat ebenfalls eine gewisse Verstärkungswirkung, seine Hauptfunktion besteht jedoch darin, die Korrosionsbeständigkeit des Materials zu verbessern.
Zn und Mg: Zn und Mg sind die wichtigsten Verstärkungselemente. Wenn sie nebeneinander bestehen, bilden sie die η-Phase (MgZn2) und die T-Phase (Al2Mg2Zn3). Die η-Phase und die T-Phase haben eine hohe Löslichkeit in Al und verändern sich dramatisch mit steigender und fallender Temperatur. Die Löslichkeit von MgZn₂ bei eutektischer Temperatur beträgt 28 %, was bei Raumtemperatur auf 4 bis 5 % sinkt. Es hat eine starke alterungsverstärkende Wirkung. Eine Erhöhung des Zn- und Mg-Gehalts kann die Festigkeit und Härte erheblich verbessern, verringert jedoch die Plastizität, Spannungskorrosionsbeständigkeit und Bruchzähigkeit.
Cu: Wenn Zn/Mg größer als 2,2 und der Cu-Gehalt größer als Mg ist, können Cu und andere Elemente eine verstärkte S-Phase (CuMgAlz) erzeugen, um die Festigkeit der Legierung zu erhöhen, im umgekehrten Fall ist die Möglichkeit der Existenz der S-Phase jedoch sehr gering. Cu kann die Potentialdifferenz zwischen der Korngrenze und dem Intragranularen verringern und auch die Struktur der Ausfällungsphase ändern und die Korngrenzen-Ausfällungsphase verfeinern, hat jedoch wenig Einfluss auf die Breite der Korngrenzen-Nichtausfällungszone. Es kann die Tendenz zur intergranularen Rissbildung hemmen und dadurch die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung verbessern. Wenn der Cu-Gehalt jedoch größer als 3 % ist, verschlechtert sich die Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Cu kann die Übersättigung der Legierung erhöhen, den künstlichen Alterungsprozess der Legierung zwischen 100 und 200 Grad C beschleunigen, den stabilen Temperaturbereich der GP-Zone erweitern und die Zugfestigkeit, Plastizität und Dauerfestigkeit verbessern. In Bereichen, in denen der Cu-Gehalt nicht zu hoch ist, nehmen die zyklische Dehnungsermüdungsbeständigkeit und die Bruchzähigkeit mit steigendem Cu-Gehalt zu, und die Risswachstumsrate im korrosiven Medium nimmt ab, aber die Zugabe von Cu neigt dazu, interkristalline Korrosion und Lochkorrosion zu erzeugen. Die Wirkung von Cu auf die Bruchzähigkeit hängt mit dem Zn/Mg-Verhältnis zusammen. Bei einem kleinen Verhältnis ist die Zähigkeit umso schlechter, je höher der Cu-Gehalt ist; bei einem großen Verhältnis ist die Zähigkeit auch bei hohem Cu-Gehalt noch sehr gut.
Die Legierung enthält außerdem geringe Mengen an Spurenelementen wie Mn, Cr, Zr, V, Ti und B. Fe und Si sind schädliche Verunreinigungen in der Legierung und ihre Wechselwirkungen sind wie folgt.
Mn, Cr: Die Zugabe einer kleinen Menge von Übergangselementen wie Mn und Cr hat erhebliche Auswirkungen auf die Struktur und Eigenschaften der Legierung. Diese Elemente können während der Homogenisierungsglühung des Barrens dispergierte Partikel erzeugen, die Migration von Versetzungen und Korngrenzen verhindern und dadurch die Rekristallisationstemperatur erhöhen, das Wachstum von Körnern wirksam verhindern, Körner verfeinern und sicherstellen, dass die Struktur nach der Warmbearbeitung und Wärmebehandlung nicht rekristallisiert oder teilweise rekristallisiert bleibt, sodass die Festigkeit verbessert wird und gleichzeitig eine bessere Spannungskorrosionsbeständigkeit besteht. In Bezug auf die Verbesserung der Spannungskorrosionsbeständigkeit ist die Zugabe von Cr besser als die Zugabe von Mn.
Zr: In letzter Zeit gibt es einen Trend, Cr und Mn durch Zr zu ersetzen. Zr kann die Rekristallisationstemperatur der Legierung erheblich erhöhen. Unabhängig davon, ob es sich um eine Warm- oder Kaltverformung handelt, kann nach der Wärmebehandlung eine nicht rekristallisierte Struktur erhalten werden. Zr kann auch die Härtbarkeit, Schweißbarkeit, Bruchzähigkeit, Spannungskorrosionsbeständigkeit usw. der Legierung verbessern. Zr ist ein sehr vielversprechendes Spurenelement in Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen.
Ti und B: Ti und B können die Körner der Legierung im Gusszustand verfeinern und die Rekristallisationstemperatur der Legierung erhöhen.
Fe und Si: Fe und Si sind unvermeidbare schädliche Verunreinigungen in 7XxX-Aluminiumlegierungen, die hauptsächlich aus Rohstoffen sowie Werkzeugen und Geräten stammen, die beim Schmelzen und Gießen verwendet werden. Diese Verunreinigungen liegen hauptsächlich in Form von hartem und sprödem FeAl: und freiem Si vor. Diese Verunreinigungen können auch grobe Verbindungen wie (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) mit Mn und Cr bilden. FeAl3 hat die Wirkung, Körner zu verfeinern, hat jedoch einen größeren Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Mit zunehmendem Gehalt an unlöslicher Phase nimmt auch der Volumenanteil der unlöslichen Phase zu. Diese unlöslichen zweiten Phasen brechen und verlängern sich während der Verformung, was zu einer gebänderten Struktur führt, und die Partikel sind in einer geraden Linie entlang der Verformungsrichtung angeordnet. Da die Verunreinigungspartikel innerhalb der Körner oder an den Korngrenzen verteilt sind, treten während der plastischen Verformung an einigen Partikel-Matrix-Grenzen Poren auf, was zu Mikrorissen führt, die zum Ursprung von Makrorissen werden. Darüber hinaus hat es einen großen Einfluss auf die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen. Es hat einen gewissen Effekt auf die Verringerung der lokalen Plastizität während der Zerstörung. Die Zunahme der Anzahl der Verunreinigungen verkürzt den Abstand zwischen den Partikeln und verringert dadurch die plastische Verformungsfluidität um die Rissspitze. Da sich die Phase, die Fe und Si enthält, bei Raumtemperatur nur schwer auflöst, wirkt sie als Kerbe und wird leicht zu einer Rissquelle, wodurch das Material bricht, was sich sehr nachteilig auf die Dehnung und insbesondere die Bruchzähigkeit der Legierung auswirkt. Daher wird bei der Entwicklung und Herstellung neuer Legierungen der Gehalt an Fe und Si streng kontrolliert. Neben der Verwendung hochreiner Metallrohstoffe werden während des Schmelz- und Gießprozesses auch einige Maßnahmen ergriffen, um zu verhindern, dass sich diese beiden Elemente in die Legierung vermischen.