汪 磊，周明哲

（1.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.中南大學材料科學與工程學院，長沙 410083）

固溶處理對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）有限責任公司，重慶 401326；2.中南大學材料科學與工程學院，長沙 410083）

摘要：固溶處理對合金的組織產生影響，進而影響合金的拉伸性能。隨著固溶溫度的增加，保溫時間的延長，合金屈服強度σ0.2增加。升高加熱溫度及延長保溫時間將有助于溶質原子溶解，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，提高了時效強化效果，增強合金強度，合金塑性不斷改善。

關鍵詞：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系列合金以其高強度、耐疲勞損傷性能好、成形性優(yōu)等優(yōu)點，自20世紀30年代問世以來得到了廣泛的應用，尤其在航空航天業(yè)，是機身框架、翼梁、機身蒙皮等的重要結構材料。2024合金為美國鋁業(yè)公司1954年開發(fā)出的合金牌號，屬于可熱處理強化的變形鋁合金，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，通過控制合金中的Fe、Si雜質的含量并調整溶質元素的比例，美國陸續(xù)研制出了多個牌號（見表1）的合金及相關的熱處理工藝[1]。

我國也在2A12合金的基礎上開發(fā)出了2D12、2E12等多種鋁合金。相比之下，2E12因Fe、Si雜質的含量大幅度減小，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 (質量分數(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上，研究了固溶處理對2E12鋁合金微觀組織及拉伸性能的影響，為該合金的工業(yè)化生產提供了基礎。

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飽和度，同時使合金的組織發(fā)生對性能有益的變化。最佳的固溶溫度和時間應該保證殘留相的充分溶解，而又不引起合金的過燒和晶粒長大。保溫時間一定時，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

實驗所選取材料為西南鋁生產的冷軋態(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，冷軋態(tài)板材經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后仍無法觀察到明顯的晶界，也無法觀察到其晶粒形貌，這主要是由于冷軋態(tài)板材由于其復雜的變形組織及殘余應力導致合金晶界無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)板材試樣進行DSC差熱分析，結果如圖2所示。由合金差熱分析的結果不難看出，合金在505～514℃之間存在明顯的吸熱反應，并在509℃達到峰值。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，固溶溫度應不超過多相共晶溫度。若固溶溫度超過共晶溫度將導致合金中形成大量共晶復熔產物，對合金性能造成不可逆的損害。因此，針對2E12鋁合金而言，固溶處理的溫度應低于509℃。

圖2 2E12鋁合金冷軋態(tài)板材DSC曲線

在確定2E12鋁合金固溶時間時應保證固溶強化效果，并盡可能的減少保溫時間，一方面可在工業(yè)生產時降低能耗，另一方面，由于該合金板材均為包鋁板材，減少保溫時間可阻止合金中溶質原子向包鋁層擴散，進而保證合金成分均勻性[2]。本次實驗中選取483℃、493℃、503℃、508℃四個溫度經(jīng)不同時間保溫進行固溶處理，旨在考察固溶制度對合金粗大殘留相、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提供依據(jù)。

2 固溶處理對合金組織及拉伸性能的影響

2.1 固溶處理對合金組織的影響

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-T方向。

圖3 固溶處理后2E12鋁合金金相組織

由圖3可見，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，保溫時間的延長，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，保溫時間的延長，合金中晶粒由原來拉長的纖維狀向等軸狀轉變，并有所長大。

2.2 固溶處理對合金常規(guī)力學性能的影響

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

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，為考察固溶溫度對合金拉伸性能的影響，本實驗選取40min作為保溫時間，分別對不同加熱溫度固溶處理后合金進行拉伸性能測試，結果如表1所示。

主要試劑：血管緊張素轉化酶(ACE)、馬尿酸(標準品)、馬尿酰-組胺-酰亮氨酸(HHL，標準品)：美國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)：天津市富宇精細化工有限公司。

表1 不同固溶溫度下固溶40min的拉伸性能

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

由于合金在503℃時表現(xiàn)出最高的強度，進而對不同保溫時間下合金的拉伸性能進行測試，結果如表2所示。隨著保溫時間的延長，合金的屈服強度，抗拉強度及伸長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

固溶處理對合金的組織產生影響，進而影響合金的拉伸性能。2E12合金作為可時效強化的鋁合金，其力學性能的變化受到多方面因素的影響。對于合金的強度而言，其主要受到溶質原子在基體中的過飽和度、晶粒尺寸等因素的影響。溶質原子在基體中的過飽和度將影響合金的固溶強化效果及隨后的時效強化效果。隨著固溶溫度的增加，保溫時間的延長，富含溶質原子的殘留相不斷溶解至基體，使得位錯運動阻力增加，進而使得合金屈服強度σ0.2增加。

此外，升高加熱溫度及延長保溫時間將有助于溶質原子溶解，進而促進其在基體中的過飽和度。若提高固溶溫度，延長保溫時間，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，提高了時效強化效果，增強合金強度。

值得一提的是，對于加熱溫度為508℃的合金試樣，其強度在相同保溫時間（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大而引起的軟化。當固溶溫度增加至508℃時，合金晶粒尺寸d值明顯增大，從而導致合金強度σs降低。

此外，隨加熱溫度的升高，保溫時間的延長，合金的塑性得以不斷改善。其原因主要有兩點，一方面是金屬的塑性變形主要通過位錯運動來實現(xiàn)，合金中硬而脆的殘留相的存在阻礙了位錯運動，對塑性產生不利影響；另一方面，合金中存在的殘留相在拉伸過程中不易產生變形，而容易成為斷裂源，加速合金斷裂。升溫及延長保溫時間均有利于粗大殘留相的溶解，改善合金變形過程中的協(xié)調性。

3 結論

（2）應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長保溫時間又將促進晶粒長大，導致合金強度下降。

參考文獻

[1] 李成功，傅恒志，于翹，等.航空航天材料[M].北京：國防工業(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構的研究[D].長沙，中南大學，2008

（編輯：余東梅）

問道鋁模板

鋁模板是否能擔當起為產能過剩的電解鋁勝利突圍助一臂之力的歷史大任，一時成為各界關注的焦點。而國內相關專家認為：“一定要客觀看待鋁模板產品的市場前景”。鋁模板有諸多優(yōu)點，如周轉次數(shù)多施工效果好、輕質高強、施工安裝便捷、適合各類建筑施工應用、對機械的依賴程度低、綜合經(jīng)濟效益比較理想等等。但鋁模板也存在著自身的問題：第一，鋁模板與混凝土接觸前，表面必須要鈍化處理；第二，到目前為止鋁模板的規(guī)格型號依據(jù)鋁型材的規(guī)格還有一定的約束，也就是說現(xiàn)有的規(guī)格型號還不能完全滿足任意一個混凝土建筑結構的需求；第三，鋁模板價格是傳統(tǒng)模板的幾倍，一次性投入大。建議投資鋁模板一定要做產品應用的市場調研。不能只看到鋁模板的優(yōu)勢所在，要全面客觀地看待鋁模板的投資回報問題。鋁模板是施工機具，是為工程施工服務的，應用中必須解決施工過程中出現(xiàn)的相關問題，市場需求不容想當然。

中鋁西南鋁拉伸板首次用于空客A380機型

近日，中鋁西南鋁提供給法國賽峰公司的某型號預拉伸板被加工成飛機發(fā)動機外殼并應用于空中客車公司A380 機型上，這是西南鋁鋁材首次用于空客機型，對于西南鋁提升品牌形象和拓展國外廣闊的市場意義重大。

高性能鋁合金汽車輪轂鍛造數(shù)控液壓成套裝備面世

天津天鍛壓力機公司自主研發(fā)的高性能鋁合金汽車輪轂鍛造數(shù)控液壓成套裝備日前通過相關專家評審會鑒定，并投入量化生產。該裝備由三臺液壓機、輔機及模具構成，配備有中頻感應爐、機器人等裝備，成功實現(xiàn)了“一火三壓”連續(xù)成形，大幅降低了產品單位能耗。其壓制生產的鋁合金輪轂與液態(tài)鍛造輪轂相比，重量減輕30%，物理性能也得到很大的提升。

愛勵在北美市場發(fā)布7017鋁合金

近日，愛勵在北美市場發(fā)布新的7017鋁合金原料，用于商用鋁板和軍方使用。愛勵7017鋁合金已通過大量的檢測和實驗，且美國國家軍事研究實驗室為其頒布了軍用材料標準MIL-DTL-32505，用于裝甲設備。7017鋁合金具有更高的強度、焊接性以及抗腐蝕性，更加符合軍用裝甲的需求。相對于傳統(tǒng)的7039鋁合金，7017鋁合金的炸裂性更小，其耐腐蝕性強于5系合金中的5083合金和5039合金。

中圖分類號：TG146.21，TG166.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4898（2014）06-0033-05

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.08

作者簡介：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