本站原创【摘 要】 通过室温拉伸性能测试、硬度测试、TEM电镜分析,本文研究了不同时效工艺对Al-4.20Cu-1.50Mg-0.60Mn合金冷轧板组织与性能的影响及相关变化规律.结果表明：所研究合金较适宜的时效工艺为170℃/20h,合金主要的强化作用来源于S′过渡相的析出强化.
【关 键 词 】 Al-Cu-Mg-Mn合金 时效 力学性能 微观组织
时效成形（Creep Age Forming,CAF）是一种新型铝合金成形加工方法,其在航空航天领域有较好的应用前景.该工艺通过将人工时效与加工成形相结合,利用铝合金在弹性应力作用下于一定温度（人工时效温度）时发生蠕变变形,得到具有一定形状的结构件,同时利用时效处理得到铝合金所需的性能[1-3].
欧美国家已将时效成形技术应用到飞机制造过程中,但是国内对机翼翼面等曲面板形构件采取的仍是传统的冷滚弯技术,在时效成形技术及相关材料的研究方面还比较落后.为此,本文重点对Al-Cu-Mg-Mn系合金的固溶、时效热处理工艺进行了探讨研究,并对实验结果进行了理论分析和讨论.
1.材料与实验方法
1.1 实验材料
实验合金的主要成分见下表1-1.合金按表中成分设计在300Kg电炉中进行熔炼,2T铸造机上铸造,铸锭规格为100mm×200mm的方铸锭,低倍检查后进行均匀化退火,然后轧制成板材.试验用料淬火后,即可进行时效成形等处理.
1.2 实验方法
参考与本合金成分相近的固溶处理制度[4],时效待定温度初定为150、170、190℃,这时时效时间通常取20h.在研究时效工艺对合金硬度的影响时,也取不同时间做对比分析.通过硬度试验、力学性能实验和合金的显微组织分析,从而确定合金适宜的时效温度和时效时间.时效工艺实验方案见表2.
2.实验结果与分析
2.1 时效工艺对合金组织性能的影响及分析
2.1.1 时效工艺对合金硬度的影响
图1为合金经490℃/40min固溶处理后,不同时效状态下的时效硬化曲线：时效初期,硬度普遍升高,190℃的升高最快,随时效时间的延长,硬度都达峰值后再下降；150℃和170℃都在20小时附近达到峰值,170℃峰值最高（118.6HV）.190℃时,峰值提前到4h,峰值较低.合金较适宜的时效处理工艺应为170℃/20h.
2.1.2 时效工艺对合金组织性能的影响
合金冷轧板在不同温度（150、170、190℃）和不同时间（4、20、28h）下时效处理后的拉伸力学性能见下图2.
可见：随时效温度升高,σb线性缓降,σ0.2上升到170℃达到最值后变化不大,δ则随温度升高一直下降；随时效时间延长,σb变化不大；σ0.2线性上升；δ先下降,20h后不再变化,综合考虑,合金较适宜的时效工艺为170℃/20h.
图3 （a）和（b）分别为合金在不同温度（150、170、190℃）与不同时间（4、20、32h）下时效处理后的TEM显微组织图.
由图3（a）可知：150℃时,合金只有少量短棒状T相；170℃时,T相长大,数量增多,晶内析出细小针状S′相,晶界有链状的平衡S相出现；190℃时,T相继续增多,尺寸增大,S′相均匀、弥散分布,尺寸也长大、变粗,晶界处平衡相也增多；图（b）可知：170℃/4h时,合金中也只有少量T相析出；170℃/20h时,合金析出S′相,T相也长大变粗,晶界有链状平衡相析出；170℃/32h时,S′相均匀、弥散分布,尺寸长大、变粗.
2.2 时效处理工艺分析
时效强度的变化主要由以下因素引起：（1）固溶体的贫化；（2）基体的回复与再结晶；（3）新相的析出.时效初期合金组织的变化主要由GP区的回溶和过渡S′相的析出长大引起；随着时效时间延长,过渡S′相长大并弥散分布,其与基体保持半共格关系,所以,均匀分布的GP区加上均匀弥散的过渡相能使合金获得较好的强化效果；继续升高时效温度或延长时效时间,过渡相长大粗化,转变为平衡S相,与基体失去共格关系,合金达到过时效状态.
3.结语
（1）合金经490℃/40min固溶处理后进行冷水淬火,预拉伸2.5%,于150℃、170℃、190℃温度下时效均具有一定时效硬化特性,170℃时效时获得最大硬度118.6HV；合金适宜的时效工艺为：170℃/20h.在此工艺条件下,合金的抗拉强度和屈服强度分别为334MPa和285MPa,延伸率为11.4%.
（2）S′相是Al-Cu-Mg-Mn合金主要的沉淀强化相.欠时效（150℃/20h）时,合金中只有极少量的S′相析出；峰时效制度（170℃/20h）下,合金中析出大量细小均匀且弥散分布的S′相,过时效时,合金中S′相转变成平衡的S相,合金的力学性能降低.