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硬铝合金2A12过烧的研究

  2A12合金是A1-Cu-Mg系可通过热处理强化的变形铝合金,具有强度高、耐热性好及变形性好等优点,是航空、航天等部门重要的结构材料。铝合金产品在热处理时,当加热温度高于合金中某个第二相的熔点或固相线时,使第二相或晶界局部复熔,被认为是过烧。多年的生产实践证明2A12合金具有强烈的淬火加热过烧敏感性。

  虽然众多学者针对2A12合金的过烧问题已做了许多研究工作,但由于2A12合金产品品种很多,在判定产品是否过烧,确定过烧温度及过烧对材料性能的影响等方面,往往持不同观点,导致在实际生产中出现了很多问题。因此,对于明确2A12合金过烧的组织特征、过烧温度的确定及影响二者的因素,研究过烧对材料使用性能的影响都具有重要意义。

1 过烧的组织特征及影响因素

1.1组织特征

  通过观察,2A12合金的过烧组织主要出现在晶界上、三角晶界上和晶粒内部,如图1所示。晶界上的过烧组织特征是局部展宽晶界,形态多样,常见的是晶界被拉长成棱形和弧形;三角晶界上复熔相的组织特征多数是角度不等的三角形;晶粒内部,复熔相的重新结晶组织通常为球形共晶。

 

图1  退火板材的过烧组织特征

Fig.1 The structural feature of over-burnt annealed sheet

  应当指出,退火板材和挤压型材的淬火过烧显微组织特征是晶界加粗、三角晶界及晶内共晶复熔球,而冷轧板材只有晶界特征,没有发现晶粒内部的共晶复熔球。冷轧板材经退火后再淬火过烧,出现的过烧组织特征与退火板材相同。另外,2A12合金铸造组织中原有的球形共晶,均与复熔相所形成的共晶相似。所以,鉴别2A12合金是否过烧应该以晶界复熔特征为主要依据。

1.2影响因素

  合金成分是影响过烧组织特征的主要因素。由于铝合金组成元素不同,组织中所含有的第二相亦不同,故复熔的第二相β与固溶体之间的界面能不同。我国生产的变形铝合金中复熔相β在晶粒内均为球形,因此复熔的第二相β与α固溶体之间的界面能是各向同性。

 

      图2  界面能之比γαβαα与两面角θ之间的关系

Fig.2  The relationship between interfacial energy

       ratio γαβααand dihedral angleθ   

  在上述系统中,分布在晶界和三角晶界上第二相的形态由唯一的液——固相间接触面的两面角的大小决定[1]。图2 为三个α固溶体晶粒交叉处(三角晶界)所存在的液态第二相β,二面角θ与界面能之比γαβαα的关系曲线。由于γαα是常数,所以γαβ值就决定了θ角的大小,也就决定了液态β相在α固溶体晶界和三角晶界上的形态,即是不同特征的过烧组织。

  图3是液态β相在三角晶界上的形态与θ角大小的对应关系。当θ角为180°时,β相为球形;当θ角小于等于60°时,β相为锐角三角形[2]

 

图3  液态β相在三角晶界上的形态与θ角大小的对应关系

Fig.3  The relationship between the form of βliquid phase in triangle 

grain interface and θangle

 

2 过烧温度的确定及影响因素

2.1过烧温度的确定

  为了正确制定热处理规范,必须先测定合金的过烧温度。2A12合金的主要可溶强化相是CuAl2、Al2CuMg,还有一定的杂质相Mg2Si等。CuAl2、Al2CuMg与Al形成Al+CuAl2+Al2CuMg三元低熔点共晶,熔点为507℃。通过差热分析2A12合金的过烧温度恰好是507℃,即为Al+CuAl2+Al2CuMg三元共晶的熔点。这一温度就是我们通常认识的,并以此作为制定淬火加热温度的依据。这种做法对纯度较高的A1-Cu-Mg三元合金而言无疑是正确的,但对有一定量杂质Si的2A12合金就不同了。当合金的Si含量达0.1%左右时,即可形成Al+CuAl2+Al2CuMg+Mg2Si四元共晶,并使熔点由507℃降到500℃。2A12合金Si含量通常在0.2%~0.3%,足以形成四元共晶。所以,2A12合金实际存在的是500℃的四元共晶,并非507℃的三元共晶[3]

表1列出了2A12合金铸锭、不同规格的板材和棒材,用差热分析法测定的过烧温度。从表1可以看出:首先,2A12合金不同品种、规格产品的过烧温度出现的最大几率是501℃,加之过烧温度的算术平均值为502℃,则合金的基本过烧温度为501~502℃;其次,当淬火加热温度达到499℃时即会出现过烧,为防止过烧现象,淬火加热温度应取495±3℃为宜。但我们现在通用的淬火加热温度为495~500℃[4],其上限已达到甚至超过了过烧温度。鉴于此,建议对2A12合金不同品种、规格产品的淬火加热温度均取495±3℃。

 

2.2影响因素

2.2.1均匀化退火的影响

铸锭均匀化退火处理制度是影响铝合金过烧温度的主要因素。合金中非平衡的第二相β在均火处理时能否全部固溶到α固溶体中,其决定性的条件是形成β相的元素在合金中的含量与它在Al中的极限溶解度之比。这个比值越小,β相完全固溶的可能性越大。对于2A12合金,其Cu、Mg含量均在Al的固溶度之外,不同品种的成分变化通常不会改变合金的相组成,即使少量的Mg2Si相由于固溶速度较慢,也难完全固溶而改变过烧温度的影响。所以,均匀化退火不能改变2A12合金的熔化温度,只能减少熔化液相的量。

2.2.2变形度的影响

铸锭经压力加工使第二相破碎,变形度越大,第二相越细小,在相同的固溶处理条件下,第二相固溶的速度越快。如果在淬火加热过程中,熔点最低的第二相全部迅速溶于Al中,则加热温度高于该相的熔点时,也不会出现过烧组织,则可认为提高了过烧温度。但实际上低熔点的第二相在大多数情况下是不能全部溶于Al中的,所以对于任何一个合金,具有最低熔点的第二相的熔点,就是该合金的最低过烧温度。由于2A12合金中实际存在的是500℃的四元共晶,故2A12合金的淬火加热温度没有必要因品种规格而异,应统一规定为495±3℃。

3 过烧对材料使用性能的影响

试验材料选用航空部门用量较大的2 mm厚的冷轧板材及直径为φ6 mm的挤压棒材,其化学成分见表2。淬火温度选用500℃、505℃、510℃、515℃、520℃、525℃,保温20 min,自然时效至少四昼夜。

 

3.1对力学性能的影响

  过烧温度对力学性能的影响如图4所示。在开始过烧温度下淬火,由于晶界并未完全熔化破坏,冷轧板材及棒材强度均不下降,塑性亦没有明显变化;当淬火温度高于510℃时,棒材强度有明显降低。由于强化相的溶入使位错运动受阻,棒材、板材的伸长率率也显著降低;变形程度越大,过烧组织对强度的影响越小。

图4  淬火过烧对力学性能的影响  (a) 对伸长率的影响;(b) 对强度的影响

Fig.4 The relationship between over-burning temperature and materials’mechanical properties: (a) elongation, (b) strength

3.2对疲劳强度的影响

  拉伸疲劳试验在10 t高频拉伸疲劳试验机上进行,在相同载荷P=1000±400 kg的情况下做低周疲劳试验,测其疲劳断裂循环次数N。图5为淬火过烧对2A12合金棒材周期疲劳强度的影响。

 

图5  淬火过烧对棒材周期疲劳强度的影响

Fig.5 The relationship between over-burning temperature

and the cycle fatigue strength of bar material

  从图5可以看出,随淬火温度的升高,合金的疲劳寿命显著降低。其原因是复熔前第二相与α固溶体之间组织致密,当第二相复熔成液体时体积膨胀,淬火后复熔相又收缩,这样复熔相与α固溶体界面上必然出现空隙、气孔。另外合金中原有的应力集中和粗滑移带使应变集中在较软的区域中,过烧时晶界重熔,晶粒粗大而不均匀,且组织中可能存在一些未溶的强化相,这些脆化的复熔相起着疲劳裂纹源的作用,必然使合金的疲劳寿命显著降低。

3.3对强度和伸长率损失的影响

  将合金放入3%NaCl+1%HCl水溶液中与30℃保持24 h,测量强度和塑性的损失,如图6所示。可以清楚地看出,510℃淬火过烧后性能恶化,且过烧越严重,伸长率的损失更为明显。

 

图6  淬火过烧对板材强度和伸长率损失的影响

Fig.6  The relationship between over-burning temperature

and the loss of elongation and strength of sheet material

  虽然2A12合金中存在500℃低熔点四元共晶,为防止过烧,其淬火加热温度取495±3℃,但在实际生产中,很难将淬火加热温度精确地控制在495±3℃。大量试验结果表明,当淬火加热温低于505℃时,强度、塑性、疲劳寿命及抗蚀性并无明显下降,考虑到让更多的强化相溶入到α固溶体中,2A12合金的淬火加热温度可取500±3℃。

4 结论

  ⑴鉴别2A12合金是否过烧,应该以晶界复熔特征为主要依据。

  ⑵多数情况下,2A12合金中存在500℃的Al+CuAl2+Al2CuMg+Mg2Si四元共晶,为防止过烧,因此不同品种、规格的产品,理论上其淬火加热温度取495±3℃为宜。

  ⑶2A12合金淬火加热温度低于505℃时,强度、塑性、疲劳寿命及抗蚀性并无明显下降,但当淬火温度超过510℃时,各项性能完全恶化。因此为方便实际生产,该合金淬火温度低于505℃时仍可使用而不应判为废品。

  ⑷2A12合金的过烧组织可作为评价热处理是否准确的判据。

 

参考文献

[1] Jianxin Liu ,Randall M. German .Microstructural parameters related to liquid-phase sintering [J]. Metallurgical and Materials Transactions A,2000,31(10):2607-2614.

[2] S. A. Saltykov. Stereological parameters of the structure and properties of alloys [J]. Metal Science and Heat Treatment,1972,14(12):1082-1085. 

[3] 陈绍康.LY12合金淬火加热温度评述[J] .铝加工,1996,19(2) :32-35.

[4] 崔.钢铁材料及有色金属材料[M] .北京:机械工业出版社,1980.

 

作者:范实,谷莉