劉一宏，朱慶豐，左玉波，王 浩，侯雨林

(1.東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 3.材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部工程研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

自1902年Alfred Wilm發(fā)現(xiàn)Al-Cu合金的時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象開(kāi)始[1]，鋁合金新的時(shí)效強(qiáng)化熱處理工藝不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。C.A.Bruch發(fā)現(xiàn)固溶后的Al-Cu合金進(jìn)行拉伸冷變形可以縮短峰值時(shí)效時(shí)間，提高峰值時(shí)效強(qiáng)度[2]，形成了固溶后預(yù)變形再進(jìn)行時(shí)效的熱處理制度。1957年美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)將鋁合金固溶預(yù)變形后再進(jìn)行峰值時(shí)效的熱處理制度對(duì)應(yīng)的狀態(tài)命名為T(mén)8態(tài)[3]。T8態(tài)是含Cu元素2×××系鋁合金常用熱處理狀態(tài)，也是新型Al-Cu-Li合金的典型熱處理狀態(tài)[4-12]。相關(guān)研究[13-19]表明，T8態(tài)鋁合金強(qiáng)度提高原因在于變形產(chǎn)生的位錯(cuò)可作為析出相的形核核心，改變析出相的種類(lèi)，增加析出相的數(shù)量[20-21]。N.J.Kim[23]等人發(fā)現(xiàn)固溶后冷變形會(huì)加速Al-Cu-Li合金時(shí)效過(guò)程中T1(Al2CuLi) 相的形成，減少S′(Al2CuMg)相形成。

盡管固溶后冷變形可以改善鋁合金的組織、性能，但變形量過(guò)大也會(huì)使塑性下降[24]，不利于合金綜合性能的提高。因此鋁合金固溶后的冷變形量應(yīng)控制在一定范圍，以保證合金具有良好的綜合性能。

2050鋁鋰合金是Alcan公司于2004年注冊(cè)的一種新型鋁鋰合金[25-28]，國(guó)外相關(guān)報(bào)道[29]僅給出了該合金T8態(tài)的典型性能，而具體的熱處理工藝制度尚不明確。因此，本試驗(yàn)主要研究固溶淬火后預(yù)拉伸變形量對(duì)噴射成形的2050鋁鋰合金力學(xué)性能的影響，為2050鋁鋰合金T8熱處理工藝的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為江蘇豪然噴射成形合金有限公司(下稱(chēng)豪然公司)提供的2050鋁鋰合金擠壓棒材。擠壓試驗(yàn)由豪然公司完成，擠壓模具加熱溫度為430 ℃，擠壓速度為0.2 mm/s，擠壓比為6.76，棒材直徑為250 mm。使用英國(guó)牛津MANY-FOUNDRY臺(tái)式直讀光譜儀檢測(cè)合金成分，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2050鋁鋰合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 2050 Al-Li alloy(wt/%)

從2050鋁鋰合金擠壓棒材心部沿?cái)D壓方向取φ10 mm×120 mm的棒材試樣，對(duì)試樣進(jìn)行525 ℃2 h固溶處理后水淬(水溫18 ℃)，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)5 s。在CMT5105型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)拉伸變形，預(yù)拉伸變形量分別為1%、2%、3%、4%、5%，拉伸速度為2 mm/min。將預(yù)拉伸后的試樣按(GBT 16865-2013)加工成拉伸試樣(尺寸如圖1所示)，在24 h內(nèi)完成拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。測(cè)量不同預(yù)拉伸變形量試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再通過(guò)測(cè)量拉伸前后試樣標(biāo)距的長(zhǎng)度計(jì)算試樣的伸長(zhǎng)率。完成固溶態(tài)預(yù)拉伸變形后，對(duì)2050鋁鋰合金擠壓棒材施加2%預(yù)拉伸量的試樣進(jìn)行155 ℃72 h的人工時(shí)效，再用CMT5105型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能。用Olympus-BX53-P偏光顯微鏡對(duì)固溶處理前后試樣的縱截面進(jìn)行自然光下微觀組織觀察，并使用氟硼酸試劑對(duì)試樣覆膜處理，在偏光顯微鏡下觀察其偏光組織。

圖1 拉伸試樣示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of a tensile specimen(Unit:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為固溶淬火前后2050鋁鋰合金擠壓棒材沿?cái)D壓方向的偏光組織照片。由圖2a可以看出，固溶淬火前的試樣組織為沿?cái)D壓方向纖維狀變形組織，在纖維狀組織之間有一些殘余的鑄錠中的第二相和析出相。而試樣經(jīng)過(guò)525 ℃2 h固溶淬火后(圖2b)，組織仍為纖維狀，晶界清晰可辨，局部可看到鋸齒狀晶界，表明此區(qū)域已發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶，組織中第二相的數(shù)量明顯減少。

圖3為2050鋁鋰合金擠壓棒材固溶前后自然光下的微觀組織照片。由圖3a可以看出，固溶處理前的組織中存在較多大尺寸的殘余相，這些相沿?cái)D壓方向呈鏈狀分布，部分相的最大尺寸可達(dá)18 μm，在這些粗大相之間存在一些小尺寸的析出相。試樣經(jīng)過(guò)525 ℃2 h的固溶淬火后(圖3b)，基體中的小尺寸析出相全部回溶，僅有少量大尺寸殘余相。根據(jù)部分學(xué)者[30-31]的研究結(jié)果，可以認(rèn)為這些大尺寸殘余相的主要成分是固溶淬火處理中來(lái)不及回溶的富Cu相。

圖4為2050鋁鋰合金擠壓棒材的強(qiáng)度隨預(yù)拉伸變形量的變化曲線。由圖4可以看出，隨著預(yù)拉伸變形量的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈近線性增加，但屈服強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度要明顯大于抗拉強(qiáng)度的。預(yù)拉伸變形量為5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度從固溶淬火態(tài)時(shí)的489 MPa增加到534 MPa，僅提高了45 MPa，而屈服強(qiáng)度卻提高了150 MPa?？梢?jiàn)預(yù)變形量的增加對(duì)提高固溶淬火態(tài)2050鋁鋰合金屈服強(qiáng)度的效果更為顯著。

圖3 2050鋁鋰合金擠壓棒材及其固溶淬火后自然光下的微觀組織Fig.3 Microstructure of extruded 2050 Al-Li alloy bars before and after solution treatment (observed under natural light)

圖4 固溶淬火態(tài)2050鋁鋰合金強(qiáng)度隨預(yù)拉伸量的變化關(guān)系曲線Fig.4 The variation of strength of solution-treated 2050 Al-Li alloy as a function of the amount of pre-stretching deformation

圖5是2050鋁鋰合金擠壓棒材的屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率隨預(yù)拉伸量的變化關(guān)系曲線。由圖5可以看出，合金的屈強(qiáng)比隨預(yù)變形量的增加呈線性增加，由固溶淬火態(tài)的65.6%增加到5%預(yù)拉伸時(shí)的88.0%。合金的伸長(zhǎng)率則隨著預(yù)拉伸變形量的增加而降低，先是由固溶淬火態(tài)的27.1%較緩慢的降低至22.3%，而后再快速的降至15.5%，之后變化緩慢15.0%。

圖5 固溶淬火態(tài)2050鋁鋰合金的屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率隨預(yù)拉伸量的變化關(guān)系曲線Fig.5 The variations of yield-tensile strength ratio and elongation of solution-treated 2050 Al-Li alloy as a function of the amount of pre-stretching deformation

不同預(yù)拉伸量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可以看出，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力均先快速上升至屈服點(diǎn)附近后出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，隨后應(yīng)力的增速放緩，最終發(fā)生斷裂。各條曲線的屈服點(diǎn)隨預(yù)變形量的增加而提高，最大應(yīng)變量隨預(yù)變形量的增加呈降低的趨勢(shì)，各條拉伸曲線的抗拉強(qiáng)度比較接近，與圖4、圖5的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖6 固溶淬火后不同預(yù)拉伸量典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 The stress-strain curves of typical samples with different amounts of pre-stretching deformation

對(duì)比各條曲線屈服點(diǎn)之后的部分可以看出，2%預(yù)拉伸量試樣的拉伸曲線發(fā)生了兩次明顯彎折。過(guò)屈服點(diǎn)后各曲線的應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣龃蟮乃俾拭黠@不同。對(duì)過(guò)屈服點(diǎn)后的不同曲線進(jìn)行局部放大，并對(duì)放大圖中的局部線段(圖6中線段標(biāo)出位置)進(jìn)行求導(dǎo)，計(jì)算各試樣的加工硬化速率，繪制成如圖7所示的柱狀圖?？梢钥闯?，隨著預(yù)拉伸量的增加，試樣過(guò)屈服點(diǎn)后的加工硬化速率由1%預(yù)變形時(shí)的1 115 MPa增加至2%預(yù)變形時(shí)的2 018 MPa，再降至4%、5%預(yù)變形時(shí)的928 MPa、743 MPa。

圖7 根據(jù)圖6拉伸曲線放大圖的標(biāo)注區(qū)計(jì)算的不同試樣加工硬化速率Fig.7 The work hardening rate of different specimens calculated according to the marked area of the enlarged drawing of the tensile curves in Fig.6

固溶態(tài)2050鋁鋰合金擠壓棒材經(jīng)2%預(yù)拉伸處理和155 ℃72 h的時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率分別為587 MPa、555 MPa、94.5%和9.8%。接近AMS 4353標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了2050鋁鋰合金T84狀態(tài)的性能指標(biāo)。

3 分析與討論

本試驗(yàn)主要研究了預(yù)拉伸變形量對(duì)固溶淬火態(tài)2050鋁鋰合金擠壓棒材組織及性能的影響。擠壓試樣經(jīng)525 ℃2 h的固溶淬火處理后基體中的第二相大部分回溶，晶粒仍為纖維狀，但部分區(qū)域出現(xiàn)的鋸齒狀晶粒表明發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶，如圖2、圖3所示。固溶淬火后合金基體內(nèi)形成了過(guò)飽和固溶體，材料以固溶強(qiáng)化機(jī)制為主，此時(shí)合金的屈服強(qiáng)度較低(321 MPa)，伸長(zhǎng)率較高(27.1%)，屈強(qiáng)比較低(65.6%)，抗拉強(qiáng)度較高(489 MPa)，這與拉伸過(guò)程的加工硬化作用有關(guān)。試樣預(yù)拉伸變形處理的過(guò)程促進(jìn)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，使得合金基體的位錯(cuò)密度隨著預(yù)拉伸變形量的增加而增加，試樣的屈服強(qiáng)度也隨之增加。而試樣的抗拉強(qiáng)度大小則主要與基體能“容納”的最大飽和位錯(cuò)密度相關(guān)，當(dāng)位錯(cuò)塞積到無(wú)法通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂，所以預(yù)變形量的增加雖在一定程度上增加了抗拉強(qiáng)度，但幅度有限。伸長(zhǎng)率隨預(yù)拉伸量的增加先緩慢下降(1%～3%)，再快速下降(3%～4%)，之后又基本趨于不變(4%～5%)。這與位錯(cuò)的增殖對(duì)伸長(zhǎng)率的影響有關(guān)，當(dāng)預(yù)拉伸量較小時(shí)，基體內(nèi)位錯(cuò)密度有限，通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的塑性變形，合金有較好的伸長(zhǎng)率；隨著位錯(cuò)密度繼續(xù)增加，基體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)塞積效應(yīng)[32]，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受限，伸長(zhǎng)率快速下降；當(dāng)位錯(cuò)密度增加至基本飽和狀態(tài)后，繼續(xù)增加預(yù)拉伸量(由4%增至5%)對(duì)位錯(cuò)密度的增殖作用有限，伸長(zhǎng)率趨于不變。加工硬化速率也與基體中位錯(cuò)密度的變化有關(guān)，作為FCC結(jié)構(gòu)的鋁基體內(nèi)滑移系多，位錯(cuò)密度低時(shí)合金塑性變形容易發(fā)生，加工硬化速率相對(duì)較低，基體內(nèi)位錯(cuò)密度增加到一定值時(shí)位錯(cuò)會(huì)發(fā)生劇烈的糾纏，加工硬化速率會(huì)顯著增加(對(duì)應(yīng)圖7中2%預(yù)變形試樣)；基體內(nèi)的位錯(cuò)塞積到一定程度后又通過(guò)交滑移和攀移抵消，此時(shí)加工硬化速率會(huì)開(kāi)始下降。

通過(guò)本試驗(yàn)的研究可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)變形量在1%～3%時(shí)，材料的伸長(zhǎng)率在26.5%～22.3%之間，屈強(qiáng)比在71.5%～81.3%之間，此預(yù)拉伸變形量下的2050鋁鋰合金擠壓棒材的綜合性能較好。同時(shí)經(jīng)2%預(yù)變形再時(shí)效的強(qiáng)度與AMS 4353標(biāo)準(zhǔn)的2050-T84狀態(tài)接近，屈強(qiáng)比及伸長(zhǎng)率也保持在一定的范圍內(nèi)，具有良好的強(qiáng)韌性匹配，利于實(shí)際應(yīng)用，基于此，建議2050鋁鋰合金擠壓棒材固溶后的預(yù)拉伸變形量控制在1%～3%之間，再進(jìn)行后續(xù)時(shí)效處理。

4 結(jié) 論

1)對(duì)固溶淬火后的2050鋁鋰合金擠壓棒材進(jìn)行預(yù)拉伸變形，隨著預(yù)拉伸變形量增加，強(qiáng)度增加，且屈服強(qiáng)度的增加幅度比抗拉強(qiáng)度的大。當(dāng)預(yù)拉伸變形量增加到5%時(shí)，屈強(qiáng)比由固溶淬火態(tài)的65.6%增加到88.0%。

2)隨預(yù)拉伸變形量的增加，固溶淬火后的2050鋁鋰合金擠壓棒材的伸長(zhǎng)率降低。當(dāng)預(yù)拉伸變形量為3%時(shí)，伸長(zhǎng)率由固溶淬火態(tài)的27.1%緩慢地降至22.3%；當(dāng)預(yù)拉伸變形量為4%時(shí)，伸長(zhǎng)率快速降至15.5%。

3)基于預(yù)拉伸變形量對(duì)2050鋁鋰合金擠壓棒材伸長(zhǎng)率、強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的影響，結(jié)合時(shí)效后力學(xué)性能數(shù)據(jù)，建議2050鋁鋰合金擠壓棒材固溶后的預(yù)拉伸變形量控制在1%～3%之間。

4)固溶態(tài)2050鋁鋰合金擠壓棒材經(jīng)2%預(yù)拉伸處理和155 ℃72 h的時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率分別為587 MPa、555 MPa、94.5%和9.8%，接近AMS 4353標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了2050鋁鋰合金T84狀態(tài)的性能指標(biāo)。