時效溫度對2124鋁合金蠕變時效組織和力學性能的影響*

王會敏,李炎光,郭朝博

(河南工學院 材料科學與工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

隨著航空航天工業的發展,飛機的許多主承力構件如接頭、隔板、翼框等廣泛采用整體化結構設計[1-3]。蠕變時效成形(CAF)是將合金時效強化與金屬的蠕變特性相結合,能夠同時滿足壁板類零件成形與性能要求的工藝過程,適用于時效強化型合金整體結構件制造,安全性高和可重復性強[4-5]。如何保證形狀與性能的同步完成,是該技術中最復雜和關鍵的問題。因此,研究工藝參數對鋁合金蠕變時效組織和力學性能的影響規律具有重要意義。

2124鋁合金是通過降低2024鋁合金中Fe和Si雜質元素含量而開發出來的高強高韌合金,屬于可熱處理強化型合金,廣泛用于大截面的飛機主承力結構件和受壓承力構件[6]。目前,對2124鋁合金的研究主要集中于蠕變成形過程中的本構模型[7-8]、熱成形狀態下的力學性能[9-10]以及熱處理工藝[11-12]等。高海龍[7]等研究了2124鋁合金蠕變時效本構模型。郭元恒[9]等研究了2124鋁合金在熱拉伸過程中的變形行為,指出溫度是影響伸長率的主要因素,并采用遺傳算法求得粘塑性本構模型的材料參數。臧金鑫[11]等研究了2124鋁合金厚板高向力學性能隨時效時間的變化規律。綜上所述可以看出,目前針對時效工藝對 2124 鋁合金蠕變時效力學性能和組織的影響而開展的研究相對較少。因此,本文旨在通過試驗方法獲取時效溫度對 2124鋁合金蠕變成形后組織和力學性能的影響規律與微觀機理,從而為可熱處理強化型合金蠕變時效成形工藝的設計與應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗所選用的材料為工業用2124鋁合金熱軋板材,其化學成分如表1所示。

表2 不同時效溫度下的蠕變應變量

按照GB/T 2039—2012(金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法)沿軋制方向線切割成如圖1所示標準蠕變試樣。時效前對試樣表面進行光滑處理,并對試樣表面進行打磨,尤其是試樣標距的側面、凸臺和圓弧連接處,減小加工精度對試驗結果的影響。

圖1 蠕變片狀試樣圖(單位: mm)

為了防止室溫下發生自然時效,490℃/50min固溶處理后立即進行淬火,并進行不同溫度的時效處理。根據文獻[13],2124鋁合金最佳的蠕變條件為試驗應力200 MPa,時效時間為1-15 h不等,因此在本文采用的試驗應力為200 MPa。蠕變是在RWS100 型蠕變松弛試驗機上進行的。拉伸試驗在DDL100型萬能試驗機上按照GB/T228—2002標準進行,拉伸速度為2mm/min,每種狀態試樣測試3個數據并取平均值。采用TECNAI G220型透射電鏡觀察不同狀態下合金的析出相的特點。

2 試驗結果

2.1 時效溫度對2124鋁合金蠕變性能的影響

在200MPa應力作用下,2124鋁合金試樣經不同時效溫度后的蠕變曲線如圖2所示。從圖中看出,不同時效溫度條件下的蠕變曲線都表現出兩個階段特征:第一階段表現為減速蠕變,開始時蠕變速率較大,隨著時間的延長蠕變速率逐漸減小;第二階段表現為恒速蠕變,蠕變速率幾乎保持恒定,在圖上表現為曲線斜率幾乎不變。

圖2 不同時效溫度條件下2124鋁合金的蠕變曲線

結合以上結果可以看出,時效溫度對蠕變行為影響明顯。當時效時間相同時,蠕變應變量隨溫度升高而增大,較高溫度下的蠕變曲線高于較低溫度。曲線斜率可以反映蠕變速率對溫度的敏感性,對比發現468 K的蠕變穩態階段曲線斜率最大,而458 K的蠕變穩態階段曲線斜率最小。這說明,在相同的試驗條件下,隨著溫度的升高,蠕變速率增大,表明蠕變速率對溫度的敏感性較強。

2.2 時效溫度對2124鋁合金力學性能的影響

表3所示為2124鋁合金在不同時效溫度下的拉伸力學性能。從表中可以看出,在200MPa恒定載荷作用下,當時效溫度從185℃升高到190℃時,隨時效溫度的增加,2124鋁合金的強度呈現相似的變化趨勢,即合金的抗拉強度和屈服強度均隨時效溫度的升高先提高后降低,而斷后伸長率隨著時效溫度的升高而下降。在190℃/12h時效條件下,合金的抗拉強度和屈服強度最高,分別為443.5 MPa、352.3 MPa;而195℃/12 h時效條件下合金的強度最低,屈服強度僅為280.3 MPa。

表3 2124合金在不同工藝條件下的力學性能

通過對比不同溫度下合金的性能變化發現,隨時效溫度升高,抗拉強度變化不大,而屈服強度發生了較為顯著的變化。從185℃升高到190℃,合金的抗拉強度增加了14.4MPa,屈服強度增加了30.8MPa;從190℃升高到195℃,合金的抗拉強度降低了27.8MPa,屈服強度降低了72MPa。從185℃升高至195℃,時效合金的斷后伸長率從14.18%降低到10.25%,斷后伸長率下降了3.73%。

2.3 時效溫度對2124鋁合金顯微組織的影響

經185℃/12 h,200 MPa應力作用下2124鋁合金的TEM照片如圖3所示。從圖中可以看出,晶內析出大量針狀的S′相(Al2CuMg)[14-15],這些相與基體半共格,其尺寸大約為100—300 nm,呈彌散分布狀態;在晶界上可以看到尺寸大約在100—150 nm的連續分布的析出相。此外,還可以觀察到少量的圓形黑色斑點,這些可能是S″相,該相與α-Al基體保持完全共格的。從圖3中還可以觀察到黑色粗大的棒狀彌散物,根據文獻[16],認為該相為含錳相(Al20Cu2Mn3),其周圍還觀察到有彌散分布的S′相粒子。

圖3 200 MPa應力作用下,185℃時效12 h的TEM照片:(a)晶內;(b)晶界

圖4所示為2124鋁合金在200 MPa應力作用下經195℃/12 h時效后晶內和晶界TEM照片。從中可以看出,基體內出現了多種位向的析出相,包括相互垂直的S′相、沿(111)面析出的S′相以及粗大平衡S相;在晶界上可以觀察到的析出相呈鏈狀不連續分布。此外,在圖中還可以觀察到少量呈球狀與基體保持完全共格的S″相。

圖4 200 MPa應力作用下,195℃時效12 h的TEM照片:(a)晶內;(b)晶界

通過對比圖3和圖4可以看出,經195℃/12 h的蠕變時效后,晶界第二相除了S″相和S′相外,還有部分粗大的S相,與基體完全不共格以及在晶界上出現的呈鏈狀分布的沉淀相,這些因素導致了合金的抗拉強度和屈服強度降低、塑性下降。

3 分析與討論

時效過程的本質就是過飽和固溶體的分解和強化相析出的過程,其中強化相的種類、分布、體積分數和尺寸與基體的界面關系以及晶界特性最終決定了合金的性能。2124鋁合金屬于Al-Cu-Mg系合金中的低Cu/Mg比合金,典型的時效析出過程如下:α過飽和固溶體→G.P.區→α—Al+S”→α—Al+S′→α—Al+S,起主要強化作用的為S”和S′相。在時效初期,由于過飽和固溶體不穩定,過飽和固溶體易分解。溫度對固態相變動力學在擴散型相變中的影響可以通過以下分析得出,固態相變中的均勻形核率[17]為:

式中,ΔGc為形核功;Q為相變激活能;k為波爾茲曼常數;T為相變溫度(絕對溫標);K為常數。

在蠕變時效過程中,固態相變是在加熱過程中發生的,從式中可以看出,隨時效溫度的升高,形核功減小,exp(-ΔGc/kT)增大,使強化相S′易于形成,同時,α·exp(-ΔQ/kT)也隨之增大,這都利于析出相的形核。因此隨溫度的升高,形核率迅速增大,即:S′相形核率增大,從而使析出相數量增加,尺寸減小,這些都有利于合金的強度硬度提高。當溫度過高時,合金可以從基體中直接析出S′相或者S相,且早期析出的部分S′相轉化為粗大的S相,降低了析出強化效果,從而導致合金的強度降低,如表3所示。在200 MPa應力作用下,對于時效溫度分別為185℃、190℃和195℃時效12 h后的合金,190℃時效12 h后合金的強度最大。這是由于時效時間一定時,隨溫度的升高,細晶強化占主導地位;若溫度繼續升高,晶粒長大速度減緩;當溫度升高到一定階段后,晶粒長大速度變得很慢,且晶界處點陣畸變大,存在著晶界能。因此,晶粒的長大和晶界的平直化都能減少晶界的面積,從而降低晶界的總能量。

4 結論

(1) 在200 MPa應力作用下,隨時效時間的增加,2124鋁合金的抗拉強度和屈服強度均提高,在190℃/12 h后合金的強度達到峰值強度,其峰值抗拉強度Rm、峰值屈服強度Rp0.2和斷后伸長率A分別為443.5 MPa、352.3 MPa和11.55%。

(2) 在200 MPa應力作用下,不同溫度時效的2124鋁合金蠕變曲線均呈現相似的特點,即:先減速后保持速率穩定。隨著時效時間的增加和溫度的提高,材料的應變量提高。

(3) 合金的顯微組織形態發生了變化,當合金在185℃蠕變時效時,合金內析出大量的S′相;合金在195℃/12 h時效后,合金基體內除了析出S″相和S′相外,還有部分粗大的S相,導致合金性能下降。