預(yù)處理對2219鋁合金蠕變行為及力學性能的影響

尹旭妮 劉欲振 殷 赳 陳 昶

（湖南城市學院機械與電氣工程學院，益陽 413000）

文 摘 為了研究不同預(yù)變形量對鋁合金蠕變行為及力學性能的影響規(guī)律。以2219 鋁合金為研究對象，在溫度為175 ℃，180 MPa應(yīng)力條件下，研究0～8%的預(yù)變形量對2219鋁合金蠕變行為及力學性能的影響。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性能大幅度增加。當預(yù)變形處理量為1%時，其蠕變變形量較未處理時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，試樣的的力學性能呈現(xiàn)快速下降的變化趨勢。綜合考慮蠕變變形量與力學性能時，最利于構(gòu)件的蠕變時效成形的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效溫度、應(yīng)力、時間等各影響因素及蠕變時效機理均有相關(guān)研究。王萌［3］對2219 鋁合金的蠕變時效溫度及應(yīng)力水平與力學性能做了相關(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鋁合金的蠕變時效成形過程中的蠕變斷裂行為，并分析了其斷裂機制。胥福順［5］對2124 鋁合金蠕變時效成形的回彈量隨預(yù)變形量的變化趨勢作作了定量研究，其研究表明預(yù)變形量為3%時成形回彈最小。但是有關(guān)2219鋁合金預(yù)變形量對蠕變時效及性能的影響鮮見報道。同時，由于蠕變時效成形是使大型構(gòu)件在應(yīng)力場與溫度場的復(fù)合能場的作用下，利用材料的蠕變特性，實現(xiàn)蠕變成形與時效成性兩者同步進行的一種先進的金屬成形技術(shù)［6-7］。因此，不僅要研究蠕變特性（如胥福順［5］對2124 鋁合金蠕變時效成形的回彈量的分析研究）保證其成形效果，而且還要研究時效后的各項性能指標以保證構(gòu)件的成形性能。本文擬研究不同預(yù)處理對2219鋁合金的蠕變時效行為及性能的變化規(guī)律，精確控制預(yù)變形量為蠕變時效構(gòu)件成形提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗

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度試驗機的產(chǎn)品規(guī)格，按照金屬拉伸蠕變及持久實驗方法（GB/T 2039—1997［8］）沿板材的軋制方向線切割出標準蠕變拉伸試樣，其厚度為2 mm，標距為50 mm，材料的主要化學成分見表1［9］。時效前需對試樣上下表面及側(cè)面去除毛刺，并用水磨砂紙及金相砂紙進行打磨光滑處理，這樣避免機加工在試樣表面留下的刮痕而影響合金的力學性能而干擾實驗結(jié)果。

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

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

1.2 實驗過程

將試樣分為5組開展蠕變時效實驗，由于變形量太大會導(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 萬能試驗機上進行的。設(shè)定萬能試驗機的加載速度為2 mm/min，以預(yù)設(shè)的應(yīng)變量為終止條件。在蠕變機上設(shè)定蠕變時效溫度為175 ℃和蠕變時效應(yīng)力為180 MPa。蠕變時效結(jié)束后取下試樣待其冷卻后進行顯微硬度測試與常溫力學性能測試。

2 結(jié)果及討論

2.1 蠕變時效行為

圖1為2219 鋁合金在0%、1%、%、5%、8%等不同預(yù)處理狀態(tài)下同時效溫度與時效應(yīng)力的蠕變曲線?？梢钥闯鼋?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%。對試樣進行很小的預(yù)變形量處理如處理量為1%時，其蠕變變形量較未變形處理的蠕變變形量增加了118%。預(yù)變形量的增加促進了材料蠕變變形量迅速增加，這是因為引入預(yù)變形，合金內(nèi)部的位錯大量增加，同時也為鋁合金提供了更多的可動位錯，因此蠕變的變形量顯著增加。在不同預(yù)變形處理條件下都表現(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)致材料在極短的時間進入蠕變第三階段（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際加工過程中的蠕變時效成形，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的響應(yīng)，整體表現(xiàn)為上升增長的趨勢。當預(yù)變形量為3%時硬度值達到峰值為142.9HV。隨后，隨著預(yù)變形量的繼續(xù)增加，硬度值迅速下降，當預(yù)變形量為8%時，硬度值已經(jīng)低于未經(jīng)預(yù)變形時的硬度值，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)力時效后的常溫力學性能變化關(guān)系柱狀圖。可以發(fā)現(xiàn)，2219鋁合金的屈服強度與抗拉強度均隨著預(yù)變形量的增加而呈現(xiàn)上升趨勢。在預(yù)變形量為3%時，合金的兩強度指標達到最大，其屈服強度與抗拉強度分別為356.4和462.9 MPa。這與未經(jīng)預(yù)處理后的蠕變時效性能屈服強度與抗拉強度分別提高了18.7%和8.6%。當合金的預(yù)變形量大于3%時，合金的強度隨著預(yù)變形量的增加呈現(xiàn)了下降的趨勢。

圖3 不同預(yù)變形量條件下力學性能變化柱狀圖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。由此可知時效前對材料進行一定的預(yù)變形能夠顯著的增加其強度，但預(yù)變形量超過一定的范圍時，2219鋁合金的強度和延伸率等各項力學性能指標均呈現(xiàn)下降的趨勢，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，位錯密度較低，位錯強化作用對合金有較小的提高。而當預(yù)變形量增加時，材料的內(nèi)部大量增加的位錯，成為第二相的非均勻形核位置，使沉淀相尺寸更細小、分布的更均勻。因此，增加的位錯不能切過的沉淀相，使合金的力學性能大幅度提高［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：第一種可能是當變形量繼續(xù)增大雖然位錯密度會繼續(xù)增加，但是變形量的增加同時會導(dǎo)致晶界處的缺陷增加，晶粒間的結(jié)合強度將會減弱，在進行性能測試時晶界處的強度成為材料的短板，不利于強度及延伸率的提高［12］，同時預(yù)變形的增加會加速與基本完全共格的強化相的共面滑移，使大量的位錯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)引入的位錯密度越高，從而材料的時效響應(yīng)速度得到了一定程度的提高，即當合金的預(yù)變形量大于3%時，該預(yù)處理狀態(tài)下的試樣可能在目前討論的蠕變時效制度下處于過時效狀態(tài)，所以強度反而有所降低。因此，當時效制度有一定限制時（比如大型壁板時效成形的時效時間不能太短，若時效時間為11 h 時），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)致合金處于過時效狀態(tài)。同時，對不同的預(yù)處理，其表現(xiàn)的峰值時效時間可能不一樣，所以各預(yù)變形處理的最佳時效制度是有必要進行繼續(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，因為預(yù)變形的引入為鋁合金提供了更多可動的位錯，所以引入預(yù)變形可使蠕變時效構(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效后的顯微硬度與力學性能（屈服強度、抗拉強度及延伸率）遠遠大于未經(jīng)過預(yù)變形處理后的試樣。當預(yù)變形增加到一定程度時，顯微硬度與力學性能呈現(xiàn)下降趨勢，在預(yù)變形為3%，2219 鋁合金表現(xiàn)出最佳的時效性能，保證蠕變時效成形件具有更佳的成形性能。通過精確控制預(yù)變形量可為蠕變時效構(gòu)件成形提供理論基礎(chǔ)。