晉 坤, 鄧運(yùn)來(lái), 周 亮, 萬(wàn) 里, 張新明

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083）

6156鋁合金的人工時(shí)效與蠕變時(shí)效研究

晉 坤1,2, 鄧運(yùn)來(lái)1,2, 周 亮1,2, 萬(wàn) 里1,2, 張新明1,2

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083）

采用光學(xué)顯微及透射電子顯微、維氏硬度、拉伸力學(xué)性能、電導(dǎo)率測(cè)試等技術(shù),研究了試驗(yàn)6156鋁合金的人工時(shí)效與蠕變時(shí)效強(qiáng)化規(guī)律與微觀組織特征。結(jié)果表明,在本文試驗(yàn)的溫度(155～175℃）-應(yīng)力(0～200MPa）-時(shí)間(8～14h）范圍內(nèi),采用不同制度的人工時(shí)效和蠕變時(shí)效樣品的力學(xué)性能相差不大,但蠕變時(shí)效的析出相數(shù)量增多、尺寸變小,力學(xué)性能與電導(dǎo)率指標(biāo)均呈升高趨勢(shì)。蠕變時(shí)效過(guò)程中,蠕變第一階段變形量占總變量的85%以上,增加蠕變應(yīng)力對(duì)蠕變第一階段變形量的影響十分明顯。該合金蠕變時(shí)效溫度與應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度峰值影響不明顯,但顯著影響蠕變變形量,適合于構(gòu)件蠕變時(shí)效成形。

人工時(shí)效;蠕變時(shí)效;微觀組織;力學(xué)性能

蠕變時(shí)效成形(Creep age forming,簡(jiǎn)稱CAF）技術(shù)是利用金屬的蠕變變形特性,將成形與時(shí)效熱處理同步進(jìn)行的一種構(gòu)件成形方法,特別適合于大曲率半徑型面構(gòu)件的成形制造,如可時(shí)效熱處理強(qiáng)化鋁合金飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身壁板構(gòu)件[1～6]。CAF可將淬火處理后鋁合金材料的時(shí)效與成形過(guò)程相結(jié)合,避免了采用已時(shí)效熱處理鋁合金板材(如2X24-T39,7×××-T7X51等）制造構(gòu)件時(shí)帶來(lái)的加工面微裂紋、加工表層和亞表層微結(jié)構(gòu)變化,以及加工后殘余應(yīng)力引起的構(gòu)件服役性能損失,有利于協(xié)調(diào)構(gòu)件的成形/成性;同時(shí)又縮短了構(gòu)件制造周期、降低成

本[4,5]。

隨著6056,6156鋁合金制造的駕駛艙地板梁壓力隔框、機(jī)身壁板等構(gòu)件[7,8]成功應(yīng)用于A380大型客機(jī),6×××鋁合金在減重、耐蝕性和焊接性方面[9～11]優(yōu)于2X24鋁合金的特性越來(lái)越受到人們的關(guān)注。6156鋁合金采用T6時(shí)效處理,通過(guò)包鋁以避免晶間腐蝕,其強(qiáng)度和斷裂韌性均優(yōu)于6056鋁合金。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道了6056鋁合金恒應(yīng)力時(shí)效和應(yīng)力松弛過(guò)程中沉淀相的析出行為及其對(duì)力學(xué)性能的影響[12～14],但6156鋁合金作為大型飛機(jī)機(jī)身壁板的一種新型鋁合金材料,其壁板制造技術(shù)鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。為此,研究了應(yīng)力、溫度和時(shí)間對(duì)6156鋁合金板材蠕變時(shí)效變形行為與性能的影響。

1 材料制備與實(shí)驗(yàn)方法

采用工業(yè)純鋁、純鎂、純鋅和Al-20%Si,Al-15%Mn,Al-40%Cu中間合金配制了6156實(shí)驗(yàn)合金,在電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中進(jìn)行合金熔煉,熔化溫度760～780℃,精煉溫度為730～740℃,澆鑄溫度為710～730℃,除氣劑采用C2Cl6。合金熔體在鐵模中澆鑄獲得尺寸為110mm ×90mm ×40mm的鑄錠,其化學(xué)成分如表1所示。將經(jīng)均勻化處理的6156鋁合金鑄錠進(jìn)行軋制,開(kāi)軋溫度為430℃,得到2mm厚軋制板材(總壓下率ER≈95%）。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of alloy(mass fraction/%）

鋁合金構(gòu)件蠕變時(shí)效成形的重要特征之一是盡可能地獲得時(shí)效強(qiáng)化效果,因此,鋁合金人工時(shí)效的強(qiáng)化規(guī)律對(duì)確定該合金構(gòu)件蠕變時(shí)效成形的溫度范圍具有重要的參考意義。本工作首先研究了6156鋁合金的人工時(shí)效硬化基本規(guī)律(時(shí)效硬化曲線）,以此為基礎(chǔ),確定了蠕變時(shí)效試驗(yàn)方案,試驗(yàn)的應(yīng)力、溫度、時(shí)間參數(shù)如表2所示。

按GB/T 2039—1997(金屬拉伸蠕變及持久實(shí)驗(yàn)方法）從軋制板材上截取試樣,試樣經(jīng)固溶(550℃/2h）水淬處理后,在RWS50型電子蠕變松弛實(shí)驗(yàn)機(jī)上,按表2所示的不同應(yīng)力、溫度、時(shí)間制度分別進(jìn)行蠕變時(shí)效(CA）試驗(yàn)。為便于比較蠕變時(shí)效對(duì)微結(jié)構(gòu)與性能的影響,同時(shí)采用與每一種蠕變時(shí)效制度相同的溫度、時(shí)間進(jìn)行人工時(shí)效(AA）。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Testing schemes

人工時(shí)效和蠕變時(shí)效后的樣品使用XJP-6A型金相顯微鏡、TECNAIG220型透射電鏡(TEM）觀察微觀組織結(jié)構(gòu)。TEM試樣品采用電解雙噴減薄,電解液為硝酸與甲醇混合液(體積比為1∶4）,溫度為-30℃。蠕變時(shí)效后沿平行軋制方向截取試樣測(cè)試?yán)炝W(xué)性能,拉伸試驗(yàn)在CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,夾頭移動(dòng)速率為2mm/min。用HV-5型維氏硬度計(jì)下測(cè)量試樣的硬度,試驗(yàn)力為3kg,保持時(shí)間為15s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 6156鋁合金的時(shí)效硬化曲線

6156 鋁合金板片經(jīng)550℃/2h固溶-水淬處理的試樣進(jìn)行傳統(tǒng)人工時(shí)效,用不同溫度-時(shí)間條件下樣品的硬度值繪制的時(shí)效硬化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,該合金具有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。在人工時(shí)效初期,硬度值迅速上升,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后硬度相繼達(dá)到峰值,當(dāng)溫度從155℃升高到175℃,能達(dá)到的硬度峰值相差不大,只是時(shí)間從約14h縮短到8h。達(dá)到硬度峰值后,隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),迅速進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段,硬度顯著下降。

圖1 試驗(yàn)6156合金的時(shí)效硬化曲線Fig.1 Aging hardness curves of the tested 6156 Al alloy

2.2 拉伸蠕變時(shí)效變形行為

圖2為6156鋁合金在不同溫度-應(yīng)力條件下的蠕變曲線,其蠕變時(shí)間分別為2.1中所得到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下在各溫度時(shí)效時(shí)達(dá)到峰值硬度所用的時(shí)間。從圖2中可以看出,在選取的溫度-應(yīng)力范圍內(nèi),蠕變曲線都表現(xiàn)出明顯的蠕變第一階段(初始蠕變階段）和蠕變第二階段(穩(wěn)態(tài)蠕變階段）,在本試驗(yàn)條件下其并未進(jìn)入蠕變第三階段(加速蠕變階段）。其中,該合金在蠕變第一階段變形十分明顯,有較大的蠕變變形量,約占總?cè)渥冏冃瘟康?5%以上,蠕變變形量主要來(lái)自于蠕變第一階段。

為了對(duì)各CA制度所得試樣的蠕變情況做定量分析,將圖2中各狀態(tài)試樣的蠕變第一階段蠕變量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,蠕變溫度和蠕變應(yīng)力是影響合金蠕變變形量的重要因素。隨著蠕變溫度的增加、蠕變應(yīng)力的增大,合金的蠕變量顯著增大。雖然在155℃條件下,隨著蠕變應(yīng)力的等量增加(150MPa—175MPa— 200MPa ）,試樣的蠕變?cè)隽?表3中Primary creep strain increment）減少;但在 165℃,175℃條件下,隨著蠕變應(yīng)力的等量增加,試樣的蠕變?cè)隽匡@著增大。從總體上看,升高蠕變溫度有利于蠕變第一階段變形量(表3中Total primary creep strain increment）的增加,但蠕變應(yīng)力對(duì)其影響更加顯著(表3中Primary creep strain）。

?

通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變曲線進(jìn)行線性擬合,得到了不同蠕變時(shí)效制度下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率 ε˙ss,如圖3所示。從圖3可以看出,升高蠕變溫度和增加蠕變應(yīng)力,都可以提高合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率。穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨溫度-應(yīng)力變化的規(guī)律與上述初始蠕變變形量的十分相似。

圖3 試驗(yàn)6156鋁合金不同溫度-應(yīng)力條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率 ε˙ssFig.3 Steady-state creep rates of the tested 6156 aluminum alloy under different temperature-stress conditions

2.3 蠕變時(shí)效對(duì)6156鋁合金微觀組織的影響

圖4給出了6156鋁合金在155℃/14h條件下人工時(shí)效(AA）與蠕變時(shí)效(CA）后的金相組織。從圖4可以看出,AA與CA兩種狀態(tài)試樣的光學(xué)金相所反映的晶粒形貌、尺寸十分相似,要想得到蠕變時(shí)效對(duì)該合金組織的影響,必須對(duì)樣品進(jìn)行更小分辯率微觀組織研究。

圖5給出了圖4中AA和CA兩種狀態(tài)試樣的TEM研究結(jié)果。從圖5可以看出,兩時(shí)效狀態(tài)下試樣基體中都均勻、彌散地析出了大量強(qiáng)化相粒子。查閱文獻(xiàn)[12,15]發(fā)現(xiàn),AA試樣基體組織中除了有盤(pán)片狀的 Q′相(Al5Cu2Mg8Si6）和桿狀的 β′(Mg2Si）相外,還有一些時(shí)效初期的針狀β"相存在。而經(jīng)過(guò)蠕變時(shí)效后的試樣基體中幾乎沒(méi)有這種針狀 β"相,基體中主要為 β′和 Q′相。這說(shuō)明在蠕變時(shí)效過(guò)程中,應(yīng)力作用加速了6156合金的時(shí)效過(guò)程,會(huì)使基體中時(shí)效初期的針狀 β"相加速轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更加穩(wěn)定的 β′相。同時(shí)蠕變時(shí)效后試樣基體中析出相粒子的數(shù)量明顯增多,有利于提高該合金的力學(xué)性能。另外,未觀察到與2×××系鋁合金相似的蠕變時(shí)效過(guò)程中析出相的應(yīng)力位向效應(yīng)[6]。

2.4 蠕變時(shí)效對(duì)6156鋁合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響

在鋁合金蠕變時(shí)效過(guò)程中,既保證力學(xué)性能,又盡可能大地產(chǎn)生蠕變變形量的特性將會(huì)為構(gòu)件蠕變時(shí)效成形提供更寬的成形/成性調(diào)控范圍。因此,重點(diǎn)關(guān)注了蠕變變形量最大的200MPa蠕變應(yīng)力條件下三個(gè)溫度(155℃,165℃,175℃）的CA狀態(tài)及對(duì)應(yīng)溫度的AA狀態(tài)試樣的力學(xué)性能與電導(dǎo)率,表4給出了上述6種試樣的測(cè)試結(jié)果。從表4中可以看出,與人工時(shí)效硬化曲線反映的時(shí)效強(qiáng)化律相似,不同溫度AA態(tài)和CA態(tài)試樣的強(qiáng)度(σb）值波動(dòng)約3%;AA狀態(tài)的伸長(zhǎng)率波動(dòng)約為10%,CA狀態(tài)的波動(dòng)約為5%;CA狀態(tài)的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率略高于AA狀態(tài)的。隨溫度升高,AA和CA狀態(tài)的電導(dǎo)率變化很小,但AA狀態(tài)的電導(dǎo)率明顯小于CA狀態(tài)的。上述拉伸力學(xué)性能與電導(dǎo)率的變化可能是因?yàn)樵谙嗤臏囟?時(shí)間條件下,由于應(yīng)力的作用,CA狀態(tài)試樣比AA狀態(tài)的析出相數(shù)量增多,尺寸更小所致。

這里值得特別指出的是:無(wú)論是CA還是AA狀態(tài)試樣,在155～175℃范圍內(nèi),溫度對(duì)6156鋁合金強(qiáng)度峰值的影響均不明顯,但對(duì)蠕變變形量的影響卻十分顯著。由此可以預(yù)見(jiàn),該合金在蠕變時(shí)效過(guò)程中,能為成形/成性協(xié)調(diào)控制提供較大的溫度-應(yīng)力-時(shí)間窗口,適合于構(gòu)件的蠕變時(shí)效成形。

表4 試驗(yàn)6156鋁合金蠕變時(shí)效(CA）與人工時(shí)效(AA）試樣的力學(xué)性能和電導(dǎo)率Table 4 Mechanical properties and conductivities of the tested 6156 Alalloy samples after creep aging(CA）and artificial aging(AA）

3 結(jié)論

(1）6156鋁合金具有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng),當(dāng)溫度從155℃升高到175℃,采用不同人工時(shí)效制度試樣能達(dá)到的硬度峰值相差不大,只是時(shí)間從約14h縮短到8h;達(dá)到峰值時(shí)效狀態(tài)后,隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)迅速進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段,硬度值顯著下降。

(2）6156鋁合金蠕變時(shí)效的變形量主要來(lái)自于蠕變第一階段,其占蠕變變形總量的85%以上;升高蠕變溫度有利于蠕變第一階段變形量的增加,但蠕變應(yīng)力對(duì)其影響更加顯著。

(3）與人工時(shí)效相比,6156鋁合金蠕變時(shí)效的析出相數(shù)量增多、尺寸變小,強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與電導(dǎo)率均升高;不同蠕變時(shí)效制度試樣能達(dá)到的力學(xué)性能與電導(dǎo)率峰值相差較小,且波動(dòng)小于人工時(shí)效的。

(4）6156鋁合金在155～175℃范圍內(nèi),蠕變溫度對(duì)強(qiáng)度峰值的影響不明顯,但對(duì)蠕變變形量的影響卻十分顯著,適合于構(gòu)件蠕變時(shí)效成形。

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Investigation on Artificial Aging and Creep Aging of 6156 Aluminum Alloy

JIN Kun1,2, DENG Yun-lai1,2, ZHOU Liang1,2, WAN Li1,2, ZHANG Xin-ming1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering,Ministry of Education,Changsha 410083,China）

The characteristics of strengthening and microstructure of 6156 Aluminum alloy under the conditions of artificial aging(AA）and creep aging(CA）were studied by the techniques of optical microscopy(OM）,transmission electron microscopy(TEM）,Vicker hardness test,tensile properties test and electric conductivity test.The results show that the peak mechanical properties of the samples treated by various AA or CA schemes have little difference within scales of temperature(155～175℃）-loading stress(0～200MPa）-time(8～14h）.However,the amount of precipitates increased and the sizes of them decreased,and then both the mechanical property and electrical conductivity of the CA samples increased as compared with that of the AA samples.The primary creep strains accounted is more than 85%of the total amount strains,and increased extremely with the loading stresses increased.The peak mechanical properties of the CA samples were not sensitive to the testing temperatures and stresses,but the creep strains of them were sensitive to the loading stresses.This implies that the 6156 Aluminum alloy is suitable to creep age forming(CAF）of component.

artificial aging;creep aging;microstructure;mechanical property

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.004

TG146.2

A

1005-5053(2011）05-0018-05

2011-01-21;

2011-02-02

航空航天用高性能輕合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造的基礎(chǔ)研究(2010CB731700）

晉坤(1987—）,男,碩士研究生;從事航空用鋁合金蠕變時(shí)效成形技術(shù)研究。

鄧運(yùn)來(lái)(1969—）,男,博士,副教授,從事航天用鋁合金組織、結(jié)構(gòu)及性能的研究,(E-mail）luckdeng@mail.csu.edu.cn。