預(yù)處理對(duì)2219鋁合金蠕變行為及力學(xué)性能的影響

尹旭妮 劉欲振 殷 赳 陳 昶

（湖南城市學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，益陽 413000）

文 摘 為了研究不同預(yù)變形量對(duì)鋁合金蠕變行為及力學(xué)性能的影響規(guī)律。以2219 鋁合金為研究對(duì)象，在溫度為175 ℃，180 MPa應(yīng)力條件下，研究0～8%的預(yù)變形量對(duì)2219鋁合金蠕變行為及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：預(yù)變形處理的引入，材料的蠕變變形量和力學(xué)性能大幅度增加。當(dāng)預(yù)變形處理量為1%時(shí)，其蠕變變形量較未處理時(shí)試樣蠕變變形量增加了118%。而隨著預(yù)變形量的繼續(xù)增加，試樣的的力學(xué)性能呈現(xiàn)快速下降的變化趨勢(shì)。綜合考慮蠕變變形量與力學(xué)性能時(shí)，最利于構(gòu)件的蠕變時(shí)效成形的2219 鋁合金的預(yù)變形處理量為3%。

0 引言

鋁合金2219具有很高的室溫力學(xué)性能及優(yōu)良的高溫與超低溫性能，目前已廣泛應(yīng)用于航天器、飛機(jī)蒙皮等航空航天領(lǐng)域［1-2］。近年來關(guān)于二系鋁合金的蠕變時(shí)效溫度、應(yīng)力、時(shí)間等各影響因素及蠕變時(shí)效機(jī)理均有相關(guān)研究。王萌［3］對(duì)2219 鋁合金的蠕變時(shí)效溫度及應(yīng)力水平與力學(xué)性能做了相關(guān)的分析研究，并建立了一套宏微觀統(tǒng)一的本構(gòu)模型。孫找［4］研究了2219鋁合金的蠕變時(shí)效成形過程中的蠕變斷裂行為，并分析了其斷裂機(jī)制。胥福順［5］對(duì)2124 鋁合金蠕變時(shí)效成形的回彈量隨預(yù)變形量的變化趨勢(shì)作作了定量研究，其研究表明預(yù)變形量為3%時(shí)成形回彈最小。但是有關(guān)2219鋁合金預(yù)變形量對(duì)蠕變時(shí)效及性能的影響鮮見報(bào)道。同時(shí)，由于蠕變時(shí)效成形是使大型構(gòu)件在應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的復(fù)合能場(chǎng)的作用下，利用材料的蠕變特性，實(shí)現(xiàn)蠕變成形與時(shí)效成性兩者同步進(jìn)行的一種先進(jìn)的金屬成形技術(shù)［6-7］。因此，不僅要研究蠕變特性（如胥福順［5］對(duì)2124 鋁合金蠕變時(shí)效成形的回彈量的分析研究）保證其成形效果，而且還要研究時(shí)效后的各項(xiàng)性能指標(biāo)以保證構(gòu)件的成形性能。本文擬研究不同預(yù)處理對(duì)2219鋁合金的蠕變時(shí)效行為及性能的變化規(guī)律，精確控制預(yù)變形量為蠕變時(shí)效構(gòu)件成形提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備及試樣制作

根據(jù)在珠海市某公司生產(chǎn)的RMT-D10 電子式高溫蠕變持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格，按照金屬拉伸蠕變及持久實(shí)驗(yàn)方法（GB/T 2039—1997［8］）沿板材的軋制方向線切割出標(biāo)準(zhǔn)蠕變拉伸試樣，其厚度為2 mm，標(biāo)距為50 mm，材料的主要化學(xué)成分見表1［9］。時(shí)效前需對(duì)試樣上下表面及側(cè)面去除毛刺，并用水磨砂紙及金相砂紙進(jìn)行打磨光滑處理，這樣避免機(jī)加工在試樣表面留下的刮痕而影響合金的力學(xué)性能而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 2219鋁合金的化學(xué)成分表Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminum alloy%（w）

在設(shè)備電阻加熱爐中進(jìn)行固溶處理，2219 鋁合金的固溶溫度為535 ℃，并將其保溫36 min。然后在室溫下進(jìn)行水淬和不同的預(yù)變形處理，之后開展蠕變時(shí)效實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將試樣分為5組開展蠕變時(shí)效實(shí)驗(yàn)，由于變形量太大會(huì)導(dǎo)致合金的塑性急劇降低，所以初步設(shè)定預(yù)變形量分別為0%、1%、3%、5%、8%。該預(yù)變形量處理是在CMT-5105 萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。設(shè)定萬能試驗(yàn)機(jī)的加載速度為2 mm/min，以預(yù)設(shè)的應(yīng)變量為終止條件。在蠕變機(jī)上設(shè)定蠕變時(shí)效溫度為175 ℃和蠕變時(shí)效應(yīng)力為180 MPa。蠕變時(shí)效結(jié)束后取下試樣待其冷卻后進(jìn)行顯微硬度測(cè)試與常溫力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果及討論

2.1 蠕變時(shí)效行為

圖1為2219 鋁合金在0%、1%、%、5%、8%等不同預(yù)處理狀態(tài)下同時(shí)效溫度與時(shí)效應(yīng)力的蠕變曲線。可以看出經(jīng)過預(yù)變形的試樣較未經(jīng)預(yù)變形處理的試樣在蠕變時(shí)效初始階段出現(xiàn)較大的應(yīng)變量，合金的應(yīng)變變形隨預(yù)變形量增大而增大。隨著預(yù)變形量的增加，0%、1%、3%、5%、8%等不同預(yù)處理試樣的最終的蠕變變形量為0.123%、0.268%、0.441%、0.519%、0.556%。對(duì)試樣進(jìn)行很小的預(yù)變形量處理如處理量為1%時(shí)，其蠕變變形量較未變形處理的蠕變變形量增加了118%。預(yù)變形量的增加促進(jìn)了材料蠕變變形量迅速增加，這是因?yàn)橐腩A(yù)變形，合金內(nèi)部的位錯(cuò)大量增加，同時(shí)也為鋁合金提供了更多的可動(dòng)位錯(cuò)，因此蠕變的變形量顯著增加。在不同預(yù)變形處理?xiàng)l件下都表現(xiàn)出明顯的蠕變第一階段和蠕變第二階段，而經(jīng)過預(yù)變形處理的試樣，預(yù)變形量越高，試樣停留在蠕變第一階段的時(shí)間越長，蠕變第二階段穩(wěn)態(tài)蠕變速率越小，試樣最終的總?cè)渥儜?yīng)變量越大。引入預(yù)變形的方法解決了以往通過增加應(yīng)力控制蠕變變形量的增加而導(dǎo)致材料在極短的時(shí)間進(jìn)入蠕變第三階段（即加速率蠕變階段）致使材料極易斷裂的問題。預(yù)變形處理的引入更能滿足實(shí)際加工過程中的蠕變時(shí)效成形，大蠕變變形量保證其成形精度。

圖1 不同預(yù)變形條件下2219鋁合金的蠕變時(shí)效曲線Fig.1 Creep aging curves of 2219 aluminum alloy under different predeformation conditions

2.2 顯微硬度

圖2為初始的預(yù)變形量分別為0%、1%、3%、5%和8%的2219 鋁合金經(jīng)同一蠕變溫度和應(yīng)力時(shí)效后的維氏硬度變化曲線圖。

圖2 不同預(yù)變形量條件下硬度的變化曲線Fig.2 Hardness curves under different predeformation conditions

可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)變形量的增加，合金的硬度沒有得到及時(shí)的響應(yīng)，整體表現(xiàn)為上升增長的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)變形量為3%時(shí)硬度值達(dá)到峰值為142.9HV。隨后，隨著預(yù)變形量的繼續(xù)增加，硬度值迅速下降，當(dāng)預(yù)變形量為8%時(shí)，硬度值已經(jīng)低于未經(jīng)預(yù)變形時(shí)的硬度值，這可能是預(yù)變形的增加減弱了材料硬化效果。

2.3 常溫力學(xué)性能

圖3為初始的預(yù)變形量分別為0%、1%、3%、5%和8%的2219 鋁合金經(jīng)同一蠕變溫度和應(yīng)力時(shí)效后的常溫力學(xué)性能變化關(guān)系柱狀圖。可以發(fā)現(xiàn)，2219鋁合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均隨著預(yù)變形量的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在預(yù)變形量為3%時(shí)，合金的兩強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到最大，其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為356.4和462.9 MPa。這與未經(jīng)預(yù)處理后的蠕變時(shí)效性能屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別提高了18.7%和8.6%。當(dāng)合金的預(yù)變形量大于3%時(shí)，合金的強(qiáng)度隨著預(yù)變形量的增加呈現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。

圖3 不同預(yù)變形量條件下力學(xué)性能變化柱狀圖Fig.3 Bar chart of mechanical properties under different predeformation conditions

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，合金的延伸率隨著預(yù)變形量的增加至始至終均呈現(xiàn)出下降的變化趨勢(shì)。由此可知時(shí)效前對(duì)材料進(jìn)行一定的預(yù)變形能夠顯著的增加其強(qiáng)度，但預(yù)變形量超過一定的范圍時(shí)，2219鋁合金的強(qiáng)度和延伸率等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致了合金的綜合性能的整體下降。此現(xiàn)象可以解釋為，在預(yù)變形較低（如預(yù)變形量為1%）時(shí)，位錯(cuò)密度較低，位錯(cuò)強(qiáng)化作用對(duì)合金有較小的提高。而當(dāng)預(yù)變形量增加時(shí)，材料的內(nèi)部大量增加的位錯(cuò)，成為第二相的非均勻形核位置，使沉淀相尺寸更細(xì)小、分布的更均勻。因此，增加的位錯(cuò)不能切過的沉淀相，使合金的力學(xué)性能大幅度提高［10-11］。而后期隨著預(yù)變形量的增加合金性能降低存在兩種解釋：第一種可能是當(dāng)變形量繼續(xù)增大雖然位錯(cuò)密度會(huì)繼續(xù)增加，但是變形量的增加同時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶界處的缺陷增加，晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度將會(huì)減弱，在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)晶界處的強(qiáng)度成為材料的短板，不利于強(qiáng)度及延伸率的提高［12］，同時(shí)預(yù)變形的增加會(huì)加速與基本完全共格的強(qiáng)化相的共面滑移，使大量的位錯(cuò)在滑移面與晶界的交叉位置堆積，引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低；第二種可能是由于預(yù)變形量越大，晶體內(nèi)引入的位錯(cuò)密度越高，從而材料的時(shí)效響應(yīng)速度得到了一定程度的提高，即當(dāng)合金的預(yù)變形量大于3%時(shí)，該預(yù)處理狀態(tài)下的試樣可能在目前討論的蠕變時(shí)效制度下處于過時(shí)效狀態(tài)，所以強(qiáng)度反而有所降低。因此，當(dāng)時(shí)效制度有一定限制時(shí)（比如大型壁板時(shí)效成形的時(shí)效時(shí)間不能太短，若時(shí)效時(shí)間為11 h 時(shí)），必須考慮預(yù)變形量應(yīng)該保持在一定合適的范圍，否則預(yù)變形量過大，可能導(dǎo)致合金處于過時(shí)效狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)不同的預(yù)處理，其表現(xiàn)的峰值時(shí)效時(shí)間可能不一樣，所以各預(yù)變形處理的最佳時(shí)效制度是有必要進(jìn)行繼續(xù)探索的。

3 結(jié)論

（1）從不同預(yù)變形量下2219 鋁合金的蠕變曲線得出預(yù)變形越大蠕變應(yīng)變量越大，因?yàn)轭A(yù)變形的引入為鋁合金提供了更多可動(dòng)的位錯(cuò)，所以引入預(yù)變形可使蠕變時(shí)效構(gòu)件在成形過程中具有更好的成形效果。

（2）預(yù)變形處理的試樣蠕變時(shí)效后的顯微硬度與力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)過預(yù)變形處理后的試樣。當(dāng)預(yù)變形增加到一定程度時(shí)，顯微硬度與力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在預(yù)變形為3%，2219 鋁合金表現(xiàn)出最佳的時(shí)效性能，保證蠕變時(shí)效成形件具有更佳的成形性能。通過精確控制預(yù)變形量可為蠕變時(shí)效構(gòu)件成形提供理論基礎(chǔ)。