2219鋁合金單軸拉/壓蠕變時(shí)效行性行為研究

尹旭妮 周 理 劉玉振 范 彬 熊志宏

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

文 摘 為研究2219鋁合金在蠕變時(shí)效成形過(guò)程中，不同應(yīng)力狀態(tài)（拉/壓）對(duì)其蠕變行為的影響規(guī)律，采用室溫拉伸的方法研究了165～185℃內(nèi)單軸拉/壓2219鋁合金力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明：最佳蠕變時(shí)效時(shí)間為11 h；在相同的時(shí)效制度下，拉/壓應(yīng)力蠕變變形量均隨著溫度的升高而增加，拉應(yīng)力的蠕變變形量始終大于壓應(yīng)力的蠕變變形量；無(wú)論是拉/壓應(yīng)力蠕變時(shí)效還是無(wú)應(yīng)力常規(guī)時(shí)效，其時(shí)效后的性能均隨著溫度的升高而降低，然而，拉應(yīng)力時(shí)效后性能的下降幅度最為明顯；最后，在時(shí)效溫度為165℃時(shí)，不同應(yīng)力狀態(tài)下的各項(xiàng)性能指標(biāo)均表現(xiàn)為最佳。

0 引言

2219鋁合金是一種耐高溫、焊接性能優(yōu)良、高低溫力學(xué)性能穩(wěn)定、抗應(yīng)力腐蝕強(qiáng)、可熱處理強(qiáng)化的Al-Cu 系鋁合金，在貯箱結(jié)構(gòu)材料選用已完全取代2014 鋁合金［1-2］。目前，2219 鋁合金在儲(chǔ)藏液氮液氧的貯箱、飛行器殼體、飛機(jī)蒙皮壁板等部件上有著廣泛的應(yīng)用［3］。2219 鋁合金的長(zhǎng)達(dá)幾十米的蒙皮和整體壁板成型成為了難題，為此，蠕變時(shí)效成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，蠕變時(shí)效成形技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了材料蠕變與時(shí)效熱處理的同步進(jìn)行［4-5］。蠕變時(shí)效成型技術(shù)過(guò)程可分為3 個(gè)階段［6-7］：（1）加載階段，首先將待成形鋁合金試件放置于根據(jù)構(gòu)件形狀尺寸設(shè)計(jì)好的模具上，將試件與模具型面封裝、抽真空，使試件和模具型面緊密貼合；（2）時(shí)效階段，將試件推入熱壓罐，加熱到目標(biāo)溫度，當(dāng)熱壓罐內(nèi)保證一定的真空度，試件表面的溫度維持恒定，試件發(fā)生彎曲等彈性變形與模具成形面完全貼合，使試件與模具貼合一段時(shí)間，這期間試件材料受到了蠕變、時(shí)效和應(yīng)力松弛等多種機(jī)制的共同影響，材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)和各力學(xué)性能均會(huì)發(fā)生顯著變化；（3）卸載階段，時(shí)效結(jié)束后，卸除施加的載荷，試件發(fā)生自由回彈并冷卻到室溫，其時(shí)效成形工藝流程如圖1所示。

圖1 蠕變時(shí)效成形技術(shù)工藝流程Fig.1 Creep aging forming process

有大量的學(xué)者基于2系鋁合金的時(shí)效時(shí)間、時(shí)效溫度、預(yù)變形的引入對(duì)蠕變時(shí)效過(guò)程3個(gè)階段開(kāi)展了相關(guān)機(jī)理研究，但這些研究大部分都是基于單軸拉應(yīng)力條件下的蠕變時(shí)效行為［8-10］。而蠕變時(shí)效成形第二階段時(shí)效階段紅色區(qū)域位置的拉壓受力，構(gòu)件蠕變時(shí)效成型時(shí)由于壁板彎曲，壁板凸面受拉應(yīng)力作用，凹面受壓應(yīng)力作用，中間某截面處會(huì)處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。因此，同時(shí)研究2219 鋁合金的單軸拉伸/壓縮應(yīng)力下的蠕變行為及力學(xué)性能變化特點(diǎn)，本文能為2219鋁合金在工程應(yīng)用上如大型構(gòu)件蠕變時(shí)效成形的工藝制定提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

依據(jù)珠海某公司生產(chǎn)的高溫蠕變實(shí)驗(yàn)機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格，按照GB/T 2039—1997［11］設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)拉伸蠕變?cè)嚇优c壓縮蠕變?cè)嚇樱烊渥儗?shí)驗(yàn)前期做了大量的研究［8，12］，設(shè)計(jì)的壓縮蠕變?cè)嚇映叽缫?jiàn)圖2。壓縮蠕變?cè)嚇釉谧孕性O(shè)計(jì)的壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)工裝的反向器上裝夾實(shí)驗(yàn)，反向器的設(shè)計(jì)成功的將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化成壓應(yīng)力。保證了在同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉壓蠕變時(shí)效不同應(yīng)力狀態(tài)或時(shí)效溫度下的蠕變時(shí)效實(shí)驗(yàn)的可比性。

圖2 壓縮蠕變?cè)嚇映叽缡疽鈭DFig.2 Schematic diagram of compressive creep specimen size

為研究合金在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力蠕變時(shí)效行為及性能特點(diǎn)，在蠕變實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)試樣進(jìn)行去毛刺、打磨、固熔強(qiáng)化及淬火處理［8，13］。2219鋁合金的最佳固溶溫度535℃，厚度為2 mm的試樣保溫36 min。用電位差計(jì)控制固溶爐溫度，誤差控制在±3℃以內(nèi)，后采用室溫水淬，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)35 s，蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上設(shè)定其為5℃/min，當(dāng)其逼近設(shè)置目標(biāo)溫度時(shí)，溫度有所波動(dòng)，并保溫10 min。待保溫時(shí)段結(jié)束后，加載裝置自動(dòng)加載到目標(biāo)應(yīng)力直至應(yīng)力保持不變。實(shí)驗(yàn)選用2219鋁合金熱軋超厚板材，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 2219鋁合金的主要化學(xué)成分表Tab.1 Main chemical compositions of 2219 aluminum alloy wt%

2 結(jié)果分析

2.1 時(shí)效工藝參數(shù)的確定

為使2219 鋁合金成形成性效果達(dá)到最佳，需要研究不同時(shí)效時(shí)間以及應(yīng)力水平對(duì)其力學(xué)性能的影響。初步選定時(shí)效時(shí)間為1～13 h，時(shí)效應(yīng)力為0～180 MPa。因硬度的測(cè)量對(duì)合金的尺寸沒(méi)要求，小樣可進(jìn)行測(cè)試，取材較方便，此次研究通過(guò)時(shí)效硬化曲線直觀表示合金是否具有時(shí)效硬化現(xiàn)象，再依據(jù)硬化曲線確定時(shí)效的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理合金目標(biāo)屈服與抗拉強(qiáng)度分別達(dá)350 和440 MPa。參照此目標(biāo)，并依據(jù)前期研究結(jié)果，開(kāi)展2219 鋁合金在蠕變溫度165℃下的不同時(shí)效時(shí)間的屈服強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，不同蠕變時(shí)效時(shí)間處理后合金的屈服強(qiáng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)呈類“拋物線”型。根據(jù)曲線初步確定實(shí)驗(yàn)方案的最佳時(shí)效時(shí)間，雖然高應(yīng)力條件下180 MPa/11 h 時(shí)屈服強(qiáng)度已呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是考慮到構(gòu)件時(shí)效成形過(guò)程中蠕變時(shí)效基本上是在低應(yīng)力條件下進(jìn)行的，最終，確定經(jīng)預(yù)處理后的2219蠕變時(shí)效試樣的最佳蠕變時(shí)效時(shí)間為11 h。

圖3 不同應(yīng)力水平下屈服強(qiáng)度變化曲線Fig.3 Yield strength curves under different stress levels

當(dāng)蠕變應(yīng)力為120 MPa、時(shí)效時(shí)間為11 h 時(shí)，2219鋁合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值為386.6 MPa，而且該應(yīng)力條件下的任何時(shí)刻的屈服強(qiáng)度要明顯高于其他應(yīng)力時(shí)效處理后合金的。該時(shí)效溫度下的材料峰值屈服強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目標(biāo)屈服強(qiáng)度350 MPa。

2.2 蠕變時(shí)效行為

前期經(jīng)過(guò)大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)探索，綜合考慮蠕變時(shí)效的實(shí)驗(yàn)效率與時(shí)效后的材料的力學(xué)性能最終確定155～185℃范圍的蠕變時(shí)效溫度更為理想。然而，時(shí)效溫度為155℃力學(xué)性能達(dá)峰值時(shí)時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)且其峰值屈服強(qiáng)度仍低于380 MPa。而在時(shí)效溫度185℃，應(yīng)力180 MPa 的條件下合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率變化幅度過(guò)大；另外該工藝條件下拉應(yīng)力蠕變時(shí)效過(guò)程的蠕變機(jī)制已發(fā)生改變。綜合考慮，最終取165、175℃兩組溫度對(duì)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力蠕變時(shí)效進(jìn)行對(duì)比。

圖4 為預(yù)處理態(tài)2219 鋁合金在165、175℃二種恒定溫度下，時(shí)效時(shí)間11 h 內(nèi)的蠕變曲線。每一組曲線都是3 種不同應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的拉和壓應(yīng)力狀態(tài)的蠕變應(yīng)變的結(jié)果。可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度相同時(shí)，無(wú)論試樣的應(yīng)力狀態(tài)如何，隨著時(shí)效應(yīng)力的增加，合金的蠕變變形量顯著增加，而蠕變變形量的增加主要表現(xiàn)在各蠕變曲線的蠕變第一階段。此外，當(dāng)時(shí)效溫度、應(yīng)力大小均相同時(shí)，拉應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變變形量大于壓應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變變形量，而且隨著時(shí)效應(yīng)力的增大，二者之間的變形量相差的越來(lái)越大。比如在時(shí)效溫度165℃，應(yīng)力為120 MPa時(shí)，壓、拉應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變總變形量分別為0.211%和0.343%，拉應(yīng)力比壓應(yīng)力的蠕變總變形量增加了62.6%；應(yīng)力為180 MPa 時(shí)，壓、拉應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變總變形量分別為0.542%和0.719%，后者較前者增加了33%。在大型壁板蠕變時(shí)效成型時(shí)，壁板需求受拉的變形量需要大于受壓的變形量，當(dāng)前幾組工藝實(shí)驗(yàn)條件下，基本滿足這一要求。無(wú)論試樣的應(yīng)力狀態(tài)如何，蠕變的溫度、時(shí)間、應(yīng)力大小是影響蠕變時(shí)效的3個(gè)重要因素。

圖4 不同應(yīng)力下拉和壓應(yīng)力的蠕變時(shí)效曲線Fig.4 Creep aging curves under different tensile and compressive stresses

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 時(shí)效溫度對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖5 為2219 鋁合金在不同時(shí)效溫度常規(guī)時(shí)效和拉壓蠕變時(shí)效11 h 后的拉伸力學(xué)性能。在120 MPa時(shí)效應(yīng)力作用下，拉或壓蠕變時(shí)效后的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低，常規(guī)時(shí)效11 h 的力學(xué)性能也隨著溫度的升高而降低。拉伸較壓縮的蠕變時(shí)效后的性能對(duì)溫度的變化更為敏感，隨著溫度的升高，其性能下降的幅度較大。在蠕變時(shí)效溫度由165℃升至185℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度由386.6 MPa降至337.1 MPa，抗拉強(qiáng)度由468.6 MPa降至433 MPa。壓應(yīng)力蠕變時(shí)效和常規(guī)時(shí)效后的性能由于溫度的升高，下降幅度稍小。這是由于拉應(yīng)力狀態(tài)下蠕變時(shí)效對(duì)溫度的敏感性更高，溫度增加至185℃已經(jīng)進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段［14］。

圖5 不同溫度條件下，拉壓不同應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)性能對(duì)比Fig.5 Comparison of mechanical properties of different stress states and temperature

由圖5 可知，在165～185℃時(shí)，引入應(yīng)力（拉/壓）的蠕變時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度基本上大于常規(guī)時(shí)效后的，而構(gòu)件時(shí)效成形是拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及中間層的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)同時(shí)存在，綜合考慮成形過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，為保證成形件后的性能達(dá)到最佳狀態(tài)，選165℃的蠕變時(shí)效溫度，合金的強(qiáng)化效果最好。

2.3.2 應(yīng)力大小對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖6 為拉/壓不同應(yīng)力下，不同蠕變應(yīng)力對(duì)時(shí)效后試樣的力學(xué)性能的影響。可見(jiàn)，隨著蠕變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加，拉伸蠕變時(shí)效后試樣的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而壓縮蠕變時(shí)效后試樣的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)力從120 MPa 增到150 MPa，拉應(yīng)力蠕變時(shí)效后的屈服強(qiáng)度由386.6MPa 降到378.2 MPa。壓應(yīng)力蠕變時(shí)效后的屈服強(qiáng)度由377.5 MPa 升高到381.6 MPa。拉應(yīng)力時(shí)效后的力學(xué)性能在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力120 MPa達(dá)到最大值，而壓應(yīng)力時(shí)效后的力學(xué)性能在應(yīng)力150 MPa 達(dá)到最大值。在較高壓應(yīng)力水平時(shí)（如應(yīng)力為210 MPa）其蠕變時(shí)效后的屈服強(qiáng)度顯著下降，這是時(shí)效成形過(guò)程必須考慮的關(guān)鍵因素。但是大型壁板在時(shí)效成形過(guò)程中，蠕變時(shí)效成形基本上在低應(yīng)力水平下進(jìn)行，所在在某種程度上能避免此現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，拉應(yīng)力蠕變時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，而壓應(yīng)力蠕變時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度變化不大。

圖6 不同應(yīng)力水平下，拉/壓不同應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)性能對(duì)比Fig.6 Comparison of mechanical properties of different stress states under different stress

3 結(jié)論

（1）蠕變時(shí)效溫度為165℃時(shí)，在4個(gè)應(yīng)力水平的時(shí)效硬化曲線得出在低應(yīng)力條件下（σ≤120 MPa）最佳蠕變時(shí)間為11 h，而較高應(yīng)力（150～180 MPa）條件下最佳蠕變時(shí)間縮短至8 h。綜合考慮構(gòu)件的成形條件，確定2219鋁合金最佳蠕變時(shí)效時(shí)間為11 h。

（2）在相同的蠕變時(shí)效制度下，單軸拉伸應(yīng)力的蠕變變形量大于單軸壓縮應(yīng)力的蠕變變形量。在應(yīng)力大小為120 和180 MPa 時(shí)，拉應(yīng)力較壓應(yīng)力的蠕變總變形量分別增加62.6%和33%。

（3）單軸拉伸/壓縮應(yīng)力蠕變時(shí)效和無(wú)應(yīng)力常規(guī)時(shí)效，拉/壓應(yīng)力蠕變時(shí)效和常規(guī)時(shí)效，其時(shí)效后的性能均隨著溫度的升高而降低，其中拉應(yīng)力下降幅度最為明顯約為12.8%。綜合考慮不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的力學(xué)性能，確定最佳時(shí)效溫度為165℃。