固溶處理對(duì)2E12鋁合金顯微組織和拉伸性能的影響

汪 磊，周明哲

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

固溶處理對(duì)2E12鋁合金顯微組織和拉伸性能的影響

汪 磊1，周明哲2

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

摘要：固溶處理對(duì)合金的組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響合金的拉伸性能。隨著固溶溫度的增加，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金屈服強(qiáng)度σ0.2增加。升高加熱溫度及延長(zhǎng)保溫時(shí)間將有助于溶質(zhì)原子溶解，使得合金元素充分溶入基體，從而增加析出相數(shù)量，減小其尺寸，提高了時(shí)效強(qiáng)化效果，增強(qiáng)合金強(qiáng)度，合金塑性不斷改善。

關(guān)鍵詞：2E12合金；固溶處理；顯微組織；拉伸性能

0 前言

作為2×××系鋁合金的代表，2×24系列合金以其高強(qiáng)度、耐疲勞損傷性能好、成形性優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在航空航天業(yè)，是機(jī)身框架、翼梁、機(jī)身蒙皮等的重要結(jié)構(gòu)材料。2024合金為美國(guó)鋁業(yè)公司1954年開(kāi)發(fā)出的合金牌號(hào)，屬于可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，其名義成分為Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn，除此之外還包括少量的Fe和Si。為提高2024的斷裂韌性，通過(guò)控制合金中的Fe、Si雜質(zhì)的含量并調(diào)整溶質(zhì)元素的比例，美國(guó)陸續(xù)研制出了多個(gè)牌號(hào)（見(jiàn)表1）的合金及相關(guān)的熱處理工藝[1]。

我國(guó)也在2A12合金的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了2D12、2E12等多種鋁合金。相比之下，2E12因Fe、Si雜質(zhì)的含量大幅度減小，從而獲得了KIC約10%以上的提升。

表1 2×24系合金的發(fā)展及合金成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

本文首先確定了2E12鋁合金的固溶制度，并在改變固溶處理工藝的基礎(chǔ)上，研究了固溶處理對(duì)2E12鋁合金微觀組織及拉伸性能的影響，為該合金的工業(yè)化生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

1 固溶制度的確定

固溶處理的目的主要是使合金中的可溶性粗大殘留相充分溶解，并使得合金淬火后能夠獲得盡可能大的過(guò)飽和度，同時(shí)使合金的組織發(fā)生對(duì)性能有益的變化。最佳的固溶溫度和時(shí)間應(yīng)該保證殘留相的充分溶解，而又不引起合金的過(guò)燒和晶粒長(zhǎng)大。保溫時(shí)間一定時(shí)，加熱溫度越高，殘留相溶解越充分，合金元素在晶格分布得也越均勻，但晶格中空位濃度也越大。因此，固溶制度的確立必須綜合考慮多方面的因素。

1.1 合金典型組織

實(shí)驗(yàn)所選取材料為西南鋁生產(chǎn)的冷軋態(tài)2E12合金板材，合金中主要存在的相為S相(Al2CuMg)及θ相(Al2Cu)。

圖1所示為2E12冷軋態(tài)板材的典型組織金相照片。由圖可見(jiàn)，冷軋態(tài)板材經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后仍無(wú)法觀察到明顯的晶界，也無(wú)法觀察到其晶粒形貌，這主要是由于冷軋態(tài)板材由于其復(fù)雜的變形組織及殘余應(yīng)力導(dǎo)致合金晶界無(wú)法被清晰腐蝕而造成的。但仍可發(fā)現(xiàn)，沿著軋制方向合金基體中存在大量微米數(shù)量級(jí)的顆粒。

圖1 2E12鋁合金冷軋態(tài)金相組織

1.2 固溶制度選定

為了制定出合理的固溶熱處理制度，采用冷軋態(tài)板材試樣進(jìn)行DSC差熱分析，結(jié)果如圖2所示。由合金差熱分析的結(jié)果不難看出，合金在505～514℃之間存在明顯的吸熱反應(yīng)，并在509℃達(dá)到峰值。根據(jù)Al-Cu-Mg三元相圖可知，該溫度為（Al-Al2Cu-Al2CuMg）共晶轉(zhuǎn)變溫度。2E12鋁合金的成分接近極限溶解度曲面，非平衡凝固所形成的低熔點(diǎn)共晶相較多，并且平衡初熔溫度接近多相共晶溫度，固溶溫度應(yīng)不超過(guò)多相共晶溫度。若固溶溫度超過(guò)共晶溫度將導(dǎo)致合金中形成大量共晶復(fù)熔產(chǎn)物，對(duì)合金性能造成不可逆的損害。因此，針對(duì)2E12鋁合金而言，固溶處理的溫度應(yīng)低于509℃。

圖2 2E12鋁合金冷軋態(tài)板材DSC曲線

在確定2E12鋁合金固溶時(shí)間時(shí)應(yīng)保證固溶強(qiáng)化效果，并盡可能的減少保溫時(shí)間，一方面可在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)降低能耗，另一方面，由于該合金板材均為包鋁板材，減少保溫時(shí)間可阻止合金中溶質(zhì)原子向包鋁層擴(kuò)散，進(jìn)而保證合金成分均勻性[2]。本次實(shí)驗(yàn)中選取483℃、493℃、503℃、508℃四個(gè)溫度經(jīng)不同時(shí)間保溫進(jìn)行固溶處理，旨在考察固溶制度對(duì)合金粗大殘留相、晶粒尺寸、拉伸性能及疲勞斷裂行為的影響，為合金的成分優(yōu)化及熱處理制度的改進(jìn)提供依據(jù)。

2 固溶處理對(duì)合金組織及拉伸性能的影響

2.1 固溶處理對(duì)合金組織的影響

圖3所示為2E12合金在483℃、493℃、503℃、508℃溫度下分別保溫20min、40min、60min固溶處理后的金相組織照片，取樣方向均為L(zhǎng)-T方向。

圖3 固溶處理后2E12鋁合金金相組織

由圖3可見(jiàn)，合金中依然存在大量沿軋制方向分布的粗大殘留相粒子，且部分晶粒沿軋制方向呈纖維狀分布。隨著固溶溫度的升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中粗大殘留相的數(shù)量有所減少，晶粒尺寸略有增加。且隨著固溶溫度的增加，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中晶粒由原來(lái)拉長(zhǎng)的纖維狀向等軸狀轉(zhuǎn)變，并有所長(zhǎng)大。

2.2 固溶處理對(duì)合金常規(guī)力學(xué)性能的影響

合金金相組織的變化必然會(huì)影響其力學(xué)性能，2E12鋁合金常用狀態(tài)為自然時(shí)效態(tài)，本文所提供力學(xué)性能均來(lái)自合金固溶淬火后經(jīng)96h自然時(shí)效后狀態(tài)。圖4給出了合金經(jīng)固溶處理后自然時(shí)效態(tài)的維氏硬度值。當(dāng)保溫時(shí)間一致時(shí)，合金的硬度值隨固溶溫度的升高而增大，但溫度增加至508℃時(shí)略有下降。對(duì)于固溶溫度為493℃和498℃的試樣，自然時(shí)效后合金硬度值呈先增后降的趨勢(shì)，保溫40min時(shí)硬度值達(dá)到峰值。而對(duì)于固溶溫度為503℃和508℃的試樣，合金硬度值在20min時(shí)達(dá)到最大值，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。

圖4 不同固溶制度下2E12合金硬度值

合金的硬度一定程度上反映了其拉伸性能，為考察固溶溫度對(duì)合金拉伸性能的影響，本實(shí)驗(yàn)選取40min作為保溫時(shí)間，分別對(duì)不同加熱溫度固溶處理后合金進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

主要試劑：血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)、馬尿酸(標(biāo)準(zhǔn)品)、馬尿酰-組胺-酰亮氨酸(HHL，標(biāo)準(zhǔn)品)：美國(guó)Sigma公司；L-亮氨酸(分析純)；鄰苯二甲醛(OPA，分析純)、三氯乙酸(分析純)、甲醇(分析純)、乙腈(分析純)：天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

表1 不同固溶溫度下固溶40min的拉伸性能

當(dāng)保溫時(shí)間為40min時(shí)，隨著固溶溫度的增加，合金的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)與硬度值變化一樣的規(guī)律，固溶溫度為503℃時(shí)合金表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度。合金的伸長(zhǎng)率隨加熱溫度的升高不斷增加。

由于合金在503℃時(shí)表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)不同保溫時(shí)間下合金的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均有一定程度的增加。

表2 2E12合金503℃下固溶后的拉伸性能

2.3 固溶處理影響合金拉伸性能規(guī)律

固溶處理對(duì)合金的組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響合金的拉伸性能。2E12合金作為可時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，其力學(xué)性能的變化受到多方面因素的影響。對(duì)于合金的強(qiáng)度而言，其主要受到溶質(zhì)原子在基體中的過(guò)飽和度、晶粒尺寸等因素的影響。溶質(zhì)原子在基體中的過(guò)飽和度將影響合金的固溶強(qiáng)化效果及隨后的時(shí)效強(qiáng)化效果。隨著固溶溫度的增加，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，富含溶質(zhì)原子的殘留相不斷溶解至基體，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，進(jìn)而使得合金屈服強(qiáng)度σ0.2增加。

此外，升高加熱溫度及延長(zhǎng)保溫時(shí)間將有助于溶質(zhì)原子溶解，進(jìn)而促進(jìn)其在基體中的過(guò)飽和度。若提高固溶溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使得合金元素充分溶入基體，從而增加析出相數(shù)量，減小其尺寸，提高了時(shí)效強(qiáng)化效果，增強(qiáng)合金強(qiáng)度。

值得一提的是，對(duì)于加熱溫度為508℃的合金試樣，其強(qiáng)度在相同保溫時(shí)間（40min）下較503℃固溶處理試樣有所下降，這主要是由于合金的晶粒尺寸長(zhǎng)大而引起的軟化。當(dāng)固溶溫度增加至508℃時(shí)，合金晶粒尺寸d值明顯增大，從而導(dǎo)致合金強(qiáng)度σs降低。

此外，隨加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的塑性得以不斷改善。其原因主要有兩點(diǎn)，一方面是金屬的塑性變形主要通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，合金中硬而脆的殘留相的存在阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，對(duì)塑性產(chǎn)生不利影響；另一方面，合金中存在的殘留相在拉伸過(guò)程中不易產(chǎn)生變形，而容易成為斷裂源，加速合金斷裂。升溫及延長(zhǎng)保溫時(shí)間均有利于粗大殘留相的溶解，改善合金變形過(guò)程中的協(xié)調(diào)性。

3 結(jié)論

（2）應(yīng)盡量溶解合金中粗大殘留相，以提高合金塑性。

（3）太高的固溶溫度及過(guò)長(zhǎng)保溫時(shí)間又將促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降。

參考文獻(xiàn)

[1] 李成功，傅恒志，于翹，等.航空航天材料[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002，28-38

[2] 楊勝.2E12鋁合金服役環(huán)境下的損傷行為與耐損傷微觀結(jié)構(gòu)的研究[D].長(zhǎng)沙，中南大學(xué)，2008

（編輯：余東梅）

問(wèn)道鋁模板

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中圖分類號(hào)：TG146.21，TG166.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4898（2014）06-0033-05

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.08

作者簡(jiǎn)介：汪磊（1981-），男，遼寧錦州人，工程師。

收稿日期：2014-10-30

Effect of Solution Treatment on Microstructure and Tensile Property of 2E13 Aluminum Alloy

WANG Lei1, ZHOU Ming-zhe2
(1. Southwest Aluminum(Group)Co.,LTD., Chongqing 401326,China; 2. College of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Abstract:Solution treatment would affect the microstructure of alloy, and then affect tensile property.

Keywords:2E12; solution treatment; microstructure; tensile property