晉 坤, 鄧運來, 周 亮, 萬 里, 張新明

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室,長沙 410083）

6156鋁合金的人工時效與蠕變時效研究

晉 坤1,2, 鄧運來1,2, 周 亮1,2, 萬 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,長沙 410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室,長沙 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)率測試等技術(shù),研究了試驗6156鋁合金的人工時效與蠕變時效強化規(guī)律與微觀組織特征。結(jié)果表明,在本文試驗的溫度(155～175℃）-應(yīng)力(0～200MPa）-時間(8～14h）范圍內(nèi),采用不同制度的人工時效和蠕變時效樣品的力學(xué)性能相差不大,但蠕變時效的析出相數(shù)量增多、尺寸變小,力學(xué)性能與電導(dǎo)率指標均呈升高趨勢。蠕變時效過程中,蠕變第一階段變形量占總變量的85%以上,增加蠕變應(yīng)力對蠕變第一階段變形量的影響十分明顯。該合金蠕變時效溫度與應(yīng)力對強度峰值影響不明顯,但顯著影響蠕變變形量,適合于構(gòu)件蠕變時效成形。

人工時效;蠕變時效;微觀組織;力學(xué)性能

蠕變時效成形(Creep age forming,簡稱CAF）技術(shù)是利用金屬的蠕變變形特性,將成形與時效熱處理同步進行的一種構(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,如可時效熱處理強化鋁合金飛機機翼、機身壁板構(gòu)件[1～6]。CAF可將淬火處理后鋁合金材料的時效與成形過程相結(jié)合,避免了采用已時效熱處理鋁合金板材(如2X24-T39,7×××-T7X51等）制造構(gòu)件時帶來的加工面微裂紋、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、機身壁板等構(gòu)件[7,8]成功應(yīng)用于A380大型客機,6×××鋁合金在減重、耐蝕性和焊接性方面[9～11]優(yōu)于2X24鋁合金的特性越來越受到人們的關(guān)注。6156鋁合金采用T6時效處理,通過包鋁以避免晶間腐蝕,其強度和斷裂韌性均優(yōu)于6056鋁合金。雖然有文獻報道了6056鋁合金恒應(yīng)力時效和應(yīng)力松弛過程中沉淀相的析出行為及其對力學(xué)性能的影響[12～14],但6156鋁合金作為大型飛機機身壁板的一種新型鋁合金材料,其壁板制造技術(shù)鮮見公開報道。為此,研究了應(yīng)力、溫度和時間對6156鋁合金板材蠕變時效變形行為與性能的影響。

1 材料制備與實驗方法

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實驗合金,在電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中進行合金熔煉,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鋁合金鑄錠進行軋制,開軋溫度為430℃,得到2mm厚軋制板材(總壓下率ER≈95%）。

表1 實驗合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 Chemical composition of alloy(mass fraction/%）

鋁合金構(gòu)件蠕變時效成形的重要特征之一是盡可能地獲得時效強化效果,因此,鋁合金人工時效的強化規(guī)律對確定該合金構(gòu)件蠕變時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鋁合金的人工時效硬化基本規(guī)律(時效硬化曲線）,以此為基礎(chǔ),確定了蠕變時效試驗方案,試驗的應(yīng)力、溫度、時間參數(shù)如表2所示。

按GB/T 2039—1997(金屬拉伸蠕變及持久實驗方法）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型電子蠕變松弛實驗機上,按表2所示的不同應(yīng)力、溫度、時間制度分別進行蠕變時效(CA）試驗。為便于比較蠕變時效對微結(jié)構(gòu)與性能的影響,同時采用與每一種蠕變時效制度相同的溫度、時間進行人工時效(AA）。

表2 試驗方案Table 2 Testing schemes

人工時效和蠕變時效后的樣品使用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℃。蠕變時效后沿平行軋制方向截取試樣測試拉伸力學(xué)性能,拉伸試驗在CSS-44100電子萬能試驗機上進行,夾頭移動速率為2mm/min。用HV-5型維氏硬度計下測量試樣的硬度,試驗力為3kg,保持時間為15s。

2 實驗結(jié)果

2.1 6156鋁合金的時效硬化曲線

6156 鋁合金板片經(jīng)550℃/2h固溶-水淬處理的試樣進行傳統(tǒng)人工時效,用不同溫度-時間條件下樣品的硬度值繪制的時效硬化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,該合金具有明顯的時效硬化效應(yīng)。在人工時效初期,硬度值迅速上升,經(jīng)過一定時間后硬度相繼達到峰值,當溫度從155℃升高到175℃,能達到的硬度峰值相差不大,只是時間從約14h縮短到8h。達到硬度峰值后,隨著時效時間的延長,迅速進入過時效階段,硬度顯著下降。

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

2.2 拉伸蠕變時效變形行為

圖2為6156鋁合金在不同溫度-應(yīng)力條件下的蠕變曲線,其蠕變時間分別為2.1中所得到無應(yīng)力狀態(tài)下在各溫度時效時達到峰值硬度所用的時間。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）,在本試驗條件下其并未進入蠕變第三階段(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,蠕變變形量主要來自于蠕變第一階段。

為了對各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行了統(tǒng)計分析,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 ）,試樣的蠕變增量(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,試樣的蠕變增量顯著增大。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)力對其影響更加顯著(表3中Primary creep strain）。

?

通過對穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變曲線進行線性擬合,得到了不同蠕變時效制度下的穩(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 蠕變時效對6156鋁合金微觀組織的影響

圖4給出了6156鋁合金在155℃/14h條件下人工時效(AA）與蠕變時效(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,要想得到蠕變時效對該合金組織的影響,必須對樣品進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,兩時效狀態(tài)下試樣基體中都均勻、彌散地析出了大量強化相粒子。查閱文獻[12,15]發(fā)現(xiàn),AA試樣基體組織中除了有盤片狀的 Q′相(Al5Cu2Mg8Si6）和桿狀的 β′(Mg2Si）相外,還有一些時效初期的針狀β"相存在。而經(jīng)過蠕變時效后的試樣基體中幾乎沒有這種針狀 β"相,基體中主要為 β′和 Q′相。這說明在蠕變時效過程中,應(yīng)力作用加速了6156合金的時效過程,會使基體中時效初期的針狀 β"相加速轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更加穩(wěn)定的 β′相。同時蠕變時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效過程中析出相的應(yīng)力位向效應(yīng)[6]。

2.4 蠕變時效對6156鋁合金力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響

在鋁合金蠕變時效過程中,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為構(gòu)件蠕變時效成形提供更寬的成形/成性調(diào)控范圍。因此,重點關(guān)注了蠕變變形量最大的200MPa蠕變應(yīng)力條件下三個溫度(155℃,165℃,175℃）的CA狀態(tài)及對應(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種試樣的測試結(jié)果。從表4中可以看出,與人工時效硬化曲線反映的時效強化律相似,不同溫度AA態(tài)和CA態(tài)試樣的強度(σb）值波動約3%;AA狀態(tài)的伸長率波動約為10%,CA狀態(tài)的波動約為5%;CA狀態(tài)的強度、伸長率略高于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)率的變化可能是因為在相同的溫度-時間條件下,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:無論是CA還是AA狀態(tài)試樣,在155～175℃范圍內(nèi),溫度對6156鋁合金強度峰值的影響均不明顯,但對蠕變變形量的影響卻十分顯著。由此可以預(yù)見,該合金在蠕變時效過程中,能為成形/成性協(xié)調(diào)控制提供較大的溫度-應(yīng)力-時間窗口,適合于構(gòu)件的蠕變時效成形。

表4 試驗6156鋁合金蠕變時效(CA）與人工時效(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效硬化效應(yīng),當溫度從155℃升高到175℃,采用不同人工時效制度試樣能達到的硬度峰值相差不大,只是時間從約14h縮短到8h;達到峰值時效狀態(tài)后,隨著時效時間的延長,會迅速進入過時效階段,硬度值顯著下降。

(2）6156鋁合金蠕變時效的變形量主要來自于蠕變第一階段,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)力對其影響更加顯著。

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

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

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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效成形技術(shù)研究。

鄧運來(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。