孫曉麗，孫 亮

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金與航空工業(yè)的發(fā)展和應用關(guān)系密切，是飛機主要的結(jié)構(gòu)材料[1]，將鋁合金作為航空附件及儀表生產(chǎn)中的常用材料，一方面可以有效減輕重量，另一方面，由于鋁合金的工藝生產(chǎn)方法簡單，因此可降低飛機制造成本并可促進飛機的大批量生產(chǎn)。在眾多鋁合金中，2xxx系鋁合金由于其較高的強度、較好的耐蝕性能以及優(yōu)異的可焊性而被廣泛應用[3]。Al-Cu-Mg系合金中，由于Fe和Si等雜質(zhì)元素的存在，會在鋁基體中形成脆性的雜質(zhì)相，相顆粒粗大，會對Al-Cu-Mg合金的力學性能以及斷裂韌性產(chǎn)生不良影響[2]。本文通過控制Fe和Si的成分，半連續(xù)鑄造法得到了高純度2024合金鑄錠，并研究了預拉伸形變量對其性能的影響[4-6]。

1 實驗材料和試驗方法

本試驗采用半連續(xù)鑄造工藝方法形成高純合金鑄錠，其規(guī)格為Φ436mm；成分控制實測值(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si≤0.20，F(xiàn)e≤0.20，Mg 1.3～1.6，Cu 4.3～4.6，Mn 0.4～0.6，Zn 0.05～0.07，Ti≤0.02；并采用1級均勻性D類儀表均質(zhì)爐對鑄錠經(jīng)均勻化處理。

采用55MN高精密單動反向擠壓機進行工藝試制生產(chǎn)，型材斷面為“T”字型，產(chǎn)品名義厚度為57mm。離線淬火采用Nabertherm 1級爐C類儀表臥式中試線裝備進行熱處理，固溶溫度490℃～499℃，保溫時間<3h。

淬火后在1.5h內(nèi)采用6MN高精度全自動拉伸機進行預拉伸，并在拉伸前型材上畫出1m長的標距，拉伸之后測量兩標距之間的長度，即永久變形量=(拉伸后兩標距間距離-1m)/1m ×100%，拉伸時采用平直鉗口，同時采用專用墊塊使型材在拉伸時受力均勻[4]，避免因受力不均而出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，拉伸速率控制在10mm/s～15mm/s。

試樣分組見表1。為保證數(shù)據(jù)測量具有穩(wěn)定性及有效性，每組試樣不低于5個測試點，并采用典型值進行表征。經(jīng)自然時效96h后進行相關(guān)測試，其中力學檢測設(shè)備為島津100KN萬能材料試驗機，顯微組織觀察采用蔡司光學顯微鏡(OM)，超聲波探傷設(shè)備為美國GE Krautkramer SUM，硬度測試設(shè)備為TH320型全洛氏硬度計ZX-LX-018。

表1 拉伸工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果

2.1 力學性能測試

不同預拉伸永久變形量對高純2024合金擠壓型材力學性能的影響如圖1所示。拉伸永久形變量在0%～3%時，高純2024合金擠壓型材的屈服強度隨著永久形變量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，抗拉強度無提升，斷后延伸率隨著永久變形量的增加不斷降低。由圖1可看出，隨著預拉伸量增加屈服強度具有一定線性關(guān)系，其線性擬合方程為，σ0.2= 29.64×ε+349.68；式中，σ0.2為屈服強度，MPa；ε為預拉伸永久變形量，%。

圖1 預拉伸永久變形量對力學性能的影響Fig.1 Effect of pre-stretching permanent deformation on mechanical properties

2.2 洛氏硬度檢測結(jié)果

隨著永久變形量越大，高純2024合金擠壓型材的硬度越高，硬度變化趨勢與屈服強度相同，且具有一定線性關(guān)系(圖2)，其擬合方程為，HRB = 0.76×ε+76.19；式中，HRB為洛氏硬度；ε為預拉伸永久變形量，%。

圖2 預拉伸永久變形量對硬度的影響Fig.2 Effect of pre-stretching permanent deformation on hardness

2.3 金相組織檢測結(jié)果

不同預拉伸永久變形量對高純2024合金擠壓型材顯微組織的影響如圖3所示。圖中，(a)為固溶后未進行預拉伸料樣的晶粒組織，(b)(c)(d)的預拉伸永久變形量分別為0.5% ～ 1%、1.5 %～2%、2.5%～3%；其晶粒度等級均為6級，且均為擠壓纖維狀組織。

圖3 高倍組織Fig.3 High magnification tissue

2.4 超聲波檢測結(jié)果

超聲波檢測試驗方法按照ASTM B 594，檢測結(jié)果皆滿足A級要求。

3 分析與討論

拉伸永久形變量在0%～3%時，高純2024合金擠壓型材的屈服強度隨著永久形變量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，抗拉強度雖也有上升趨勢但并不明顯，斷后延伸率隨著永久變形量的增加不斷降低。這說明對于高純2024合金擠壓型材來說，決定材料屈服強度的是其冷加工變形程度，而決定材料抗拉強度特性的則與材料本身的組織結(jié)構(gòu)及化學成分有直接關(guān)系。冷加工增大了高純2024合金擠壓型材固溶組織中的位錯密度，使脫溶相形核更為廣泛和均勻，有利于合金強度的提高[6]。預拉伸對于高純2024合金強度的提升在于位錯密度的變化。2xxx系合金主要依靠過渡相沉淀強化，過渡相由于其較大的形核功，會優(yōu)先在位錯線和晶界上形核析出，而塑性形變在合金內(nèi)部產(chǎn)生的大量位錯就對過渡相的形成產(chǎn)生了強烈的推動作用[7]。因此，預拉伸會提高高純2024合金擠壓型材的強度，但是塑性會有所降低。隨著預拉伸形變量的提高，高純2024合金擠壓型材的屈服強度和洛氏硬度都在不斷升高，且屈服強度及洛氏硬度都與預拉伸形變量具有一定的線性關(guān)系，由此可推斷洛氏硬度以及屈服強度之間也存在著一定的線性關(guān)系(圖4)，將二者數(shù)據(jù)進行擬合，其結(jié)果為，σ0.2=HRB×39.05-2625；σ0.2為屈服強度，MPa；HRB為洛氏硬度。

圖4 洛氏硬度與屈服強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between rockwell hardness and yield strength

通過金相組織可以看出，產(chǎn)品經(jīng)固溶處理后仍保持擠壓型材特有的纖維狀組織，且具有較高的晶粒度。這是由于采用單動等溫反擠壓工藝技術(shù)，與傳統(tǒng)單動正向擠壓相比，其減少了鑄錠與筒壁之間的摩擦，進而減少了型材表層的畸變程度，減少了再結(jié)晶長大的驅(qū)動力。

從探傷結(jié)果看，型材經(jīng)過擠壓-固溶-預拉伸的工藝條件，在大拉伸量的條件下，組織無沿長度方向細微裂紋等缺陷。這是由于2xxx合金固溶后，其在一定時間內(nèi)仍保持固溶態(tài)性能，具有強度低、塑性好等特點。因此，產(chǎn)品內(nèi)部組織良好。

4 結(jié)論

(1)高純2024合金擠壓型材的屈服強度及硬度皆隨著預拉伸永久形變量的增加而增加；斷后延伸率隨著預拉伸永久形變量的增加而減小；抗拉強度基本無影響；

(2)高純2024合金擠壓型材的屈服強度、洛氏硬度與預拉伸形變量之間具有線性關(guān)系，通過線性關(guān)系可對預拉伸裝備選擇和工藝設(shè)定具有指導作用；同時，對產(chǎn)品質(zhì)量具有一定預判作用；

(3)由探傷結(jié)果可知，在固溶后1.5h以內(nèi)進行預拉伸，可保證材料內(nèi)部無缺陷。