时效温度对2124铝合金蠕变时效组织和力学性能的影响*

王会敏,李炎光,郭朝博

(河南工学院 材料科学与工程学院,河南 新乡 453003)

0 引言

随着航空航天工业的发展,飞机的许多主承力构件如接头、隔板、翼框等广泛采用整体化结构设计[1-3]。蠕变时效成形(CAF)是将合金时效强化与金属的蠕变特性相结合,能够同时满足壁板类零件成形与性能要求的工艺过程,适用于时效强化型合金整体结构件制造,安全性高和可重复性强[4-5]。如何保证形状与性能的同步完成,是该技术中最复杂和关键的问题。因此,研究工艺参数对铝合金蠕变时效组织和力学性能的影响规律具有重要意义。

2124铝合金是通过降低2024铝合金中Fe和Si杂质元素含量而开发出来的高强高韧合金,属于可热处理强化型合金,广泛用于大截面的飞机主承力结构件和受压承力构件[6]。目前,对2124铝合金的研究主要集中于蠕变成形过程中的本构模型[7-8]、热成形状态下的力学性能[9-10]以及热处理工艺[11-12]等。高海龙[7]等研究了2124铝合金蠕变时效本构模型。郭元恒[9]等研究了2124铝合金在热拉伸过程中的变形行为,指出温度是影响伸长率的主要因素,并采用遗传算法求得粘塑性本构模型的材料参数。臧金鑫[11]等研究了2124铝合金厚板高向力学性能随时效时间的变化规律。综上所述可以看出,目前针对时效工艺对 2124 铝合金蠕变时效力学性能和组织的影响而开展的研究相对较少。因此,本文旨在通过试验方法获取时效温度对 2124铝合金蠕变成形后组织和力学性能的影响规律与微观机理,从而为可热处理强化型合金蠕变时效成形工艺的设计与应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验所选用的材料为工业用2124铝合金热轧板材,其化学成分如表1所示。

表2 不同时效温度下的蠕变应变量

按照GB/T 2039—2012(金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法)沿轧制方向线切割成如图1所示标准蠕变试样。时效前对试样表面进行光滑处理,并对试样表面进行打磨,尤其是试样标距的侧面、凸台和圆弧连接处,减小加工精度对试验结果的影响。

图1 蠕变片状试样图(单位: mm)

为了防止室温下发生自然时效,490℃/50min固溶处理后立即进行淬火,并进行不同温度的时效处理。根据文献[13],2124铝合金最佳的蠕变条件为试验应力200 MPa,时效时间为1-15 h不等,因此在本文采用的试验应力为200 MPa。蠕变是在RWS100 型蠕变松弛试验机上进行的。拉伸试验在DDL100型万能试验机上按照GB/T228—2002标准进行,拉伸速度为2mm/min,每种状态试样测试3个数据并取平均值。采用TECNAI G220型透射电镜观察不同状态下合金的析出相的特点。

2 试验结果

2.1 时效温度对2124铝合金蠕变性能的影响

在200MPa应力作用下,2124铝合金试样经不同时效温度后的蠕变曲线如图2所示。从图中看出,不同时效温度条件下的蠕变曲线都表现出两个阶段特征:第一阶段表现为减速蠕变,开始时蠕变速率较大,随着时间的延长蠕变速率逐渐减小;第二阶段表现为恒速蠕变,蠕变速率几乎保持恒定,在图上表现为曲线斜率几乎不变。

图2 不同时效温度条件下2124铝合金的蠕变曲线

结合以上结果可以看出,时效温度对蠕变行为影响明显。当时效时间相同时,蠕变应变量随温度升高而增大,较高温度下的蠕变曲线高于较低温度。曲线斜率可以反映蠕变速率对温度的敏感性,对比发现468 K的蠕变稳态阶段曲线斜率最大,而458 K的蠕变稳态阶段曲线斜率最小。这说明,在相同的试验条件下,随着温度的升高,蠕变速率增大,表明蠕变速率对温度的敏感性较强。

2.2 时效温度对2124铝合金力学性能的影响

表3所示为2124铝合金在不同时效温度下的拉伸力学性能。从表中可以看出,在200MPa恒定载荷作用下,当时效温度从185℃升高到190℃时,随时效温度的增加,2124铝合金的强度呈现相似的变化趋势,即合金的抗拉强度和屈服强度均随时效温度的升高先提高后降低,而断后伸长率随着时效温度的升高而下降。在190℃/12h时效条件下,合金的抗拉强度和屈服强度最高,分别为443.5 MPa、352.3 MPa;而195℃/12 h时效条件下合金的强度最低,屈服强度仅为280.3 MPa。

表3 2124合金在不同工艺条件下的力学性能

通过对比不同温度下合金的性能变化发现,随时效温度升高,抗拉强度变化不大,而屈服强度发生了较为显著的变化。从185℃升高到190℃,合金的抗拉强度增加了14.4MPa,屈服强度增加了30.8MPa;从190℃升高到195℃,合金的抗拉强度降低了27.8MPa,屈服强度降低了72MPa。从185℃升高至195℃,时效合金的断后伸长率从14.18%降低到10.25%,断后伸长率下降了3.73%。

2.3 时效温度对2124铝合金显微组织的影响

经185℃/12 h,200 MPa应力作用下2124铝合金的TEM照片如图3所示。从图中可以看出,晶内析出大量针状的S′相(Al2CuMg)[14-15],这些相与基体半共格,其尺寸大约为100—300 nm,呈弥散分布状态;在晶界上可以看到尺寸大约在100—150 nm的连续分布的析出相。此外,还可以观察到少量的圆形黑色斑点,这些可能是S″相,该相与α-Al基体保持完全共格的。从图3中还可以观察到黑色粗大的棒状弥散物,根据文献[16],认为该相为含锰相(Al20Cu2Mn3),其周围还观察到有弥散分布的S′相粒子。

图3 200 MPa应力作用下,185℃时效12 h的TEM照片:(a)晶内;(b)晶界

图4所示为2124铝合金在200 MPa应力作用下经195℃/12 h时效后晶内和晶界TEM照片。从中可以看出,基体内出现了多种位向的析出相,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;在晶界上可以观察到的析出相呈链状不连续分布。此外,在图中还可以观察到少量呈球状与基体保持完全共格的S″相。

图4 200 MPa应力作用下,195℃时效12 h的TEM照片:(a)晶内;(b)晶界

通过对比图3和图4可以看出,经195℃/12 h的蠕变时效后,晶界第二相除了S″相和S′相外,还有部分粗大的S相,与基体完全不共格以及在晶界上出现的呈链状分布的沉淀相,这些因素导致了合金的抗拉强度和屈服强度降低、塑性下降。

3 分析与讨论

时效过程的本质就是过饱和固溶体的分解和强化相析出的过程,其中强化相的种类、分布、体积分数和尺寸与基体的界面关系以及晶界特性最终决定了合金的性能。2124铝合金属于Al-Cu-Mg系合金中的低Cu/Mg比合金,典型的时效析出过程如下:α过饱和固溶体→G.P.区→α—Al+S”→α—Al+S′→α—Al+S,起主要强化作用的为S”和S′相。在时效初期,由于过饱和固溶体不稳定,过饱和固溶体易分解。温度对固态相变动力学在扩散型相变中的影响可以通过以下分析得出,固态相变中的均匀形核率[17]为:

式中,ΔGc为形核功;Q为相变激活能;k为波尔兹曼常数;T为相变温度(绝对温标);K为常数。

在蠕变时效过程中,固态相变是在加热过程中发生的,从式中可以看出,随时效温度的升高,形核功减小,exp(-ΔGc/kT)增大,使强化相S′易于形成,同时,α·exp(-ΔQ/kT)也随之增大,这都利于析出相的形核。因此随温度的升高,形核率迅速增大,即:S′相形核率增大,从而使析出相数量增加,尺寸减小,这些都有利于合金的强度硬度提高。当温度过高时,合金可以从基体中直接析出S′相或者S相,且早期析出的部分S′相转化为粗大的S相,降低了析出强化效果,从而导致合金的强度降低,如表3所示。在200 MPa应力作用下,对于时效温度分别为185℃、190℃和195℃时效12 h后的合金,190℃时效12 h后合金的强度最大。这是由于时效时间一定时,随温度的升高,细晶强化占主导地位;若温度继续升高,晶粒长大速度减缓;当温度升高到一定阶段后,晶粒长大速度变得很慢,且晶界处点阵畸变大,存在着晶界能。因此,晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界的面积,从而降低晶界的总能量。

4 结论

(1) 在200 MPa应力作用下,随时效时间的增加,2124铝合金的抗拉强度和屈服强度均提高,在190℃/12 h后合金的强度达到峰值强度,其峰值抗拉强度Rm、峰值屈服强度Rp0.2和断后伸长率A分别为443.5 MPa、352.3 MPa和11.55%。

(2) 在200 MPa应力作用下,不同温度时效的2124铝合金蠕变曲线均呈现相似的特点,即:先减速后保持速率稳定。随着时效时间的增加和温度的提高,材料的应变量提高。

(3) 合金的显微组织形态发生了变化,当合金在185℃蠕变时效时,合金内析出大量的S′相;合金在195℃/12 h时效后,合金基体内除了析出S″相和S′相外,还有部分粗大的S相,导致合金性能下降。