預(yù)拉伸對(duì)高純Al-4.4 Cu-1.5 Mg-0.60 Mn合金型材性能的影響

孫曉麗，孫 亮

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金與航空工業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用關(guān)系密切，是飛機(jī)主要的結(jié)構(gòu)材料[1]，將鋁合金作為航空附件及儀表生產(chǎn)中的常用材料，一方面可以有效減輕重量，另一方面，由于鋁合金的工藝生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單，因此可降低飛機(jī)制造成本并可促進(jìn)飛機(jī)的大批量生產(chǎn)。在眾多鋁合金中，2xxx系鋁合金由于其較高的強(qiáng)度、較好的耐蝕性能以及優(yōu)異的可焊性而被廣泛應(yīng)用[3]。Al-Cu-Mg系合金中，由于Fe和Si等雜質(zhì)元素的存在，會(huì)在鋁基體中形成脆性的雜質(zhì)相，相顆粒粗大，會(huì)對(duì)Al-Cu-Mg合金的力學(xué)性能以及斷裂韌性產(chǎn)生不良影響[2]。本文通過(guò)控制Fe和Si的成分，半連續(xù)鑄造法得到了高純度2024合金鑄錠，并研究了預(yù)拉伸形變量對(duì)其性能的影響[4-6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造工藝方法形成高純合金鑄錠，其規(guī)格為Φ436mm；成分控制實(shí)測(cè)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si≤0.20，F(xiàn)e≤0.20，Mg 1.3～1.6，Cu 4.3～4.6，Mn 0.4～0.6，Zn 0.05～0.07，Ti≤0.02；并采用1級(jí)均勻性D類儀表均質(zhì)爐對(duì)鑄錠經(jīng)均勻化處理。

采用55MN高精密單動(dòng)反向擠壓機(jī)進(jìn)行工藝試制生產(chǎn)，型材斷面為“T”字型，產(chǎn)品名義厚度為57mm。離線淬火采用Nabertherm 1級(jí)爐C類儀表臥式中試線裝備進(jìn)行熱處理，固溶溫度490℃～499℃，保溫時(shí)間<3h。

淬火后在1.5h內(nèi)采用6MN高精度全自動(dòng)拉伸機(jī)進(jìn)行預(yù)拉伸，并在拉伸前型材上畫(huà)出1m長(zhǎng)的標(biāo)距，拉伸之后測(cè)量?jī)蓸?biāo)距之間的長(zhǎng)度，即永久變形量=(拉伸后兩標(biāo)距間距離-1m)/1m ×100%，拉伸時(shí)采用平直鉗口，同時(shí)采用專用墊塊使型材在拉伸時(shí)受力均勻[4]，避免因受力不均而出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，拉伸速率控制在10mm/s～15mm/s。

試樣分組見(jiàn)表1。為保證數(shù)據(jù)測(cè)量具有穩(wěn)定性及有效性，每組試樣不低于5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并采用典型值進(jìn)行表征。經(jīng)自然時(shí)效96h后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，其中力學(xué)檢測(cè)設(shè)備為島津100KN萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，顯微組織觀察采用蔡司光學(xué)顯微鏡(OM)，超聲波探傷設(shè)備為美國(guó)GE Krautkramer SUM，硬度測(cè)試設(shè)備為T(mén)H320型全洛氏硬度計(jì)ZX-LX-018。

表1 拉伸工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

不同預(yù)拉伸永久變形量對(duì)高純2024合金擠壓型材力學(xué)性能的影響如圖1所示。拉伸永久形變量在0%～3%時(shí)，高純2024合金擠壓型材的屈服強(qiáng)度隨著永久形變量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度無(wú)提升，斷后延伸率隨著永久變形量的增加不斷降低。由圖1可看出，隨著預(yù)拉伸量增加屈服強(qiáng)度具有一定線性關(guān)系，其線性擬合方程為，σ0.2= 29.64×ε+349.68；式中，σ0.2為屈服強(qiáng)度，MPa；ε為預(yù)拉伸永久變形量，%。

圖1 預(yù)拉伸永久變形量對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of pre-stretching permanent deformation on mechanical properties

2.2 洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果

隨著永久變形量越大，高純2024合金擠壓型材的硬度越高，硬度變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度相同，且具有一定線性關(guān)系(圖2)，其擬合方程為，HRB = 0.76×ε+76.19；式中，HRB為洛氏硬度；ε為預(yù)拉伸永久變形量，%。

圖2 預(yù)拉伸永久變形量對(duì)硬度的影響Fig.2 Effect of pre-stretching permanent deformation on hardness

2.3 金相組織檢測(cè)結(jié)果

不同預(yù)拉伸永久變形量對(duì)高純2024合金擠壓型材顯微組織的影響如圖3所示。圖中，(a)為固溶后未進(jìn)行預(yù)拉伸料樣的晶粒組織，(b)(c)(d)的預(yù)拉伸永久變形量分別為0.5% ～ 1%、1.5 %～2%、2.5%～3%；其晶粒度等級(jí)均為6級(jí)，且均為擠壓纖維狀組織。

圖3 高倍組織Fig.3 High magnification tissue

2.4 超聲波檢測(cè)結(jié)果

超聲波檢測(cè)試驗(yàn)方法按照ASTM B 594，檢測(cè)結(jié)果皆滿足A級(jí)要求。

3 分析與討論

拉伸永久形變量在0%～3%時(shí)，高純2024合金擠壓型材的屈服強(qiáng)度隨著永久形變量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度雖也有上升趨勢(shì)但并不明顯，斷后延伸率隨著永久變形量的增加不斷降低。這說(shuō)明對(duì)于高純2024合金擠壓型材來(lái)說(shuō)，決定材料屈服強(qiáng)度的是其冷加工變形程度，而決定材料抗拉強(qiáng)度特性的則與材料本身的組織結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分有直接關(guān)系。冷加工增大了高純2024合金擠壓型材固溶組織中的位錯(cuò)密度，使脫溶相形核更為廣泛和均勻，有利于合金強(qiáng)度的提高[6]。預(yù)拉伸對(duì)于高純2024合金強(qiáng)度的提升在于位錯(cuò)密度的變化。2xxx系合金主要依靠過(guò)渡相沉淀強(qiáng)化，過(guò)渡相由于其較大的形核功，會(huì)優(yōu)先在位錯(cuò)線和晶界上形核析出，而塑性形變?cè)诤辖饍?nèi)部產(chǎn)生的大量位錯(cuò)就對(duì)過(guò)渡相的形成產(chǎn)生了強(qiáng)烈的推動(dòng)作用[7]。因此，預(yù)拉伸會(huì)提高高純2024合金擠壓型材的強(qiáng)度，但是塑性會(huì)有所降低。隨著預(yù)拉伸形變量的提高，高純2024合金擠壓型材的屈服強(qiáng)度和洛氏硬度都在不斷升高，且屈服強(qiáng)度及洛氏硬度都與預(yù)拉伸形變量具有一定的線性關(guān)系，由此可推斷洛氏硬度以及屈服強(qiáng)度之間也存在著一定的線性關(guān)系(圖4)，將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其結(jié)果為，σ0.2=HRB×39.05-2625；σ0.2為屈服強(qiáng)度，MPa；HRB為洛氏硬度。

圖4 洛氏硬度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between rockwell hardness and yield strength

通過(guò)金相組織可以看出，產(chǎn)品經(jīng)固溶處理后仍保持?jǐn)D壓型材特有的纖維狀組織，且具有較高的晶粒度。這是由于采用單動(dòng)等溫反擠壓工藝技術(shù)，與傳統(tǒng)單動(dòng)正向擠壓相比，其減少了鑄錠與筒壁之間的摩擦，進(jìn)而減少了型材表層的畸變程度，減少了再結(jié)晶長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力。

從探傷結(jié)果看，型材經(jīng)過(guò)擠壓-固溶-預(yù)拉伸的工藝條件，在大拉伸量的條件下，組織無(wú)沿長(zhǎng)度方向細(xì)微裂紋等缺陷。這是由于2xxx合金固溶后，其在一定時(shí)間內(nèi)仍保持固溶態(tài)性能，具有強(qiáng)度低、塑性好等特點(diǎn)。因此，產(chǎn)品內(nèi)部組織良好。

4 結(jié)論

(1)高純2024合金擠壓型材的屈服強(qiáng)度及硬度皆隨著預(yù)拉伸永久形變量的增加而增加；斷后延伸率隨著預(yù)拉伸永久形變量的增加而減??；抗拉強(qiáng)度基本無(wú)影響；

(2)高純2024合金擠壓型材的屈服強(qiáng)度、洛氏硬度與預(yù)拉伸形變量之間具有線性關(guān)系，通過(guò)線性關(guān)系可對(duì)預(yù)拉伸裝備選擇和工藝設(shè)定具有指導(dǎo)作用；同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有一定預(yù)判作用；

(3)由探傷結(jié)果可知，在固溶后1.5h以內(nèi)進(jìn)行預(yù)拉伸，可保證材料內(nèi)部無(wú)缺陷。