6156铝合金的人工时效与蠕变时效研究

晋 坤, 邓运来, 周 亮, 万 里, 张新明

(1.中南大学材料科学与工程学院,长沙 410083;2.有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083）

6156铝合金的人工时效与蠕变时效研究

晋 坤1,2, 邓运来1,2, 周 亮1,2, 万 里1,2, 张新明1,2

(1.中南大学材料科学与工程学院,长沙 410083;2.有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083）

采用光学显微及透射电子显微、维氏硬度、拉伸力学性能、电导率测试等技术,研究了试验6156铝合金的人工时效与蠕变时效强化规律与微观组织特征。结果表明,在本文试验的温度(155～175℃）-应力(0～200MPa）-时间(8～14h）范围内,采用不同制度的人工时效和蠕变时效样品的力学性能相差不大,但蠕变时效的析出相数量增多、尺寸变小,力学性能与电导率指标均呈升高趋势。蠕变时效过程中,蠕变第一阶段变形量占总变量的85%以上,增加蠕变应力对蠕变第一阶段变形量的影响十分明显。该合金蠕变时效温度与应力对强度峰值影响不明显,但显著影响蠕变变形量,适合于构件蠕变时效成形。

人工时效;蠕变时效;微观组织;力学性能

蠕变时效成形(Creep age forming,简称CAF）技术是利用金属的蠕变变形特性,将成形与时效热处理同步进行的一种构件成形方法,特别适合于大曲率半径型面构件的成形制造,如可时效热处理强化铝合金飞机机翼、机身壁板构件[1～6]。CAF可将淬火处理后铝合金材料的时效与成形过程相结合,避免了采用已时效热处理铝合金板材(如2X24-T39,7×××-T7X51等）制造构件时带来的加工面微裂纹、加工表层和亚表层微结构变化,以及加工后残余应力引起的构件服役性能损失,有利于协调构件的成形/成性;同时又缩短了构件制造周期、降低成

本[4,5]。

随着6056,6156铝合金制造的驾驶舱地板梁压力隔框、机身壁板等构件[7,8]成功应用于A380大型客机,6×××铝合金在减重、耐蚀性和焊接性方面[9～11]优于2X24铝合金的特性越来越受到人们的关注。6156铝合金采用T6时效处理,通过包铝以避免晶间腐蚀,其强度和断裂韧性均优于6056铝合金。虽然有文献报道了6056铝合金恒应力时效和应力松弛过程中沉淀相的析出行为及其对力学性能的影响[12～14],但6156铝合金作为大型飞机机身壁板的一种新型铝合金材料,其壁板制造技术鲜见公开报道。为此,研究了应力、温度和时间对6156铝合金板材蠕变时效变形行为与性能的影响。

1 材料制备与实验方法

采用工业纯铝、纯镁、纯锌和Al-20%Si,Al-15%Mn,Al-40%Cu中间合金配制了6156实验合金,在电阻炉内的石墨坩埚中进行合金熔炼,熔化温度760～780℃,精炼温度为730～740℃,浇铸温度为710～730℃,除气剂采用C2Cl6。合金熔体在铁模中浇铸获得尺寸为110mm ×90mm ×40mm的铸锭,其化学成分如表1所示。将经均匀化处理的6156铝合金铸锭进行轧制,开轧温度为430℃,得到2mm厚轧制板材(总压下率ER≈95%）。

表1 实验合金的化学成分(质量分数/%）Table 1 Chemical composition of alloy(mass fraction/%）

铝合金构件蠕变时效成形的重要特征之一是尽可能地获得时效强化效果,因此,铝合金人工时效的强化规律对确定该合金构件蠕变时效成形的温度范围具有重要的参考意义。本工作首先研究了6156铝合金的人工时效硬化基本规律(时效硬化曲线）,以此为基础,确定了蠕变时效试验方案,试验的应力、温度、时间参数如表2所示。

按GB/T 2039—1997(金属拉伸蠕变及持久实验方法）从轧制板材上截取试样,试样经固溶(550℃/2h）水淬处理后,在RWS50型电子蠕变松弛实验机上,按表2所示的不同应力、温度、时间制度分别进行蠕变时效(CA）试验。为便于比较蠕变时效对微结构与性能的影响,同时采用与每一种蠕变时效制度相同的温度、时间进行人工时效(AA）。

表2 试验方案Table 2 Testing schemes

人工时效和蠕变时效后的样品使用XJP-6A型金相显微镜、TECNAIG220型透射电镜(TEM）观察微观组织结构。TEM试样品采用电解双喷减薄,电解液为硝酸与甲醇混合液(体积比为1∶4）,温度为-30℃。蠕变时效后沿平行轧制方向截取试样测试拉伸力学性能,拉伸试验在CSS-44100电子万能试验机上进行,夹头移动速率为2mm/min。用HV-5型维氏硬度计下测量试样的硬度,试验力为3kg,保持时间为15s。

2 实验结果

2.1 6156铝合金的时效硬化曲线

6156 铝合金板片经550℃/2h固溶-水淬处理的试样进行传统人工时效,用不同温度-时间条件下样品的硬度值绘制的时效硬化曲线如图1所示。从图1中可以看出,该合金具有明显的时效硬化效应。在人工时效初期,硬度值迅速上升,经过一定时间后硬度相继达到峰值,当温度从155℃升高到175℃,能达到的硬度峰值相差不大,只是时间从约14h缩短到8h。达到硬度峰值后,随着时效时间的延长,迅速进入过时效阶段,硬度显著下降。

图1 试验6156合金的时效硬化曲线Fig.1 Aging hardness curves of the tested 6156 Al alloy

2.2 拉伸蠕变时效变形行为

图2为6156铝合金在不同温度-应力条件下的蠕变曲线,其蠕变时间分别为2.1中所得到无应力状态下在各温度时效时达到峰值硬度所用的时间。从图2中可以看出,在选取的温度-应力范围内,蠕变曲线都表现出明显的蠕变第一阶段(初始蠕变阶段）和蠕变第二阶段(稳态蠕变阶段）,在本试验条件下其并未进入蠕变第三阶段(加速蠕变阶段）。其中,该合金在蠕变第一阶段变形十分明显,有较大的蠕变变形量,约占总蠕变变形量的85%以上,蠕变变形量主要来自于蠕变第一阶段。

为了对各CA制度所得试样的蠕变情况做定量分析,将图2中各状态试样的蠕变第一阶段蠕变量进行了统计分析,结果如表3所示。结果表明,蠕变温度和蠕变应力是影响合金蠕变变形量的重要因素。随着蠕变温度的增加、蠕变应力的增大,合金的蠕变量显著增大。虽然在155℃条件下,随着蠕变应力的等量增加(150MPa—175MPa— 200MPa ）,试样的蠕变增量(表3中Primary creep strain increment）减少;但在 165℃,175℃条件下,随着蠕变应力的等量增加,试样的蠕变增量显著增大。从总体上看,升高蠕变温度有利于蠕变第一阶段变形量(表3中Total primary creep strain increment）的增加,但蠕变应力对其影响更加显著(表3中Primary creep strain）。

?

通过对稳态蠕变阶段蠕变曲线进行线性拟合,得到了不同蠕变时效制度下的稳态蠕变速率 ε˙ss,如图3所示。从图3可以看出,升高蠕变温度和增加蠕变应力,都可以提高合金的稳态蠕变速率。稳态蠕变速率随温度-应力变化的规律与上述初始蠕变变形量的十分相似。

图3 试验6156铝合金不同温度-应力条件下的稳态蠕变速率 ε˙ssFig.3 Steady-state creep rates of the tested 6156 aluminum alloy under different temperature-stress conditions

2.3 蠕变时效对6156铝合金微观组织的影响

图4给出了6156铝合金在155℃/14h条件下人工时效(AA）与蠕变时效(CA）后的金相组织。从图4可以看出,AA与CA两种状态试样的光学金相所反映的晶粒形貌、尺寸十分相似,要想得到蠕变时效对该合金组织的影响,必须对样品进行更小分辩率微观组织研究。

图5给出了图4中AA和CA两种状态试样的TEM研究结果。从图5可以看出,两时效状态下试样基体中都均匀、弥散地析出了大量强化相粒子。查阅文献[12,15]发现,AA试样基体组织中除了有盘片状的 Q′相(Al5Cu2Mg8Si6）和杆状的 β′(Mg2Si）相外,还有一些时效初期的针状β"相存在。而经过蠕变时效后的试样基体中几乎没有这种针状 β"相,基体中主要为 β′和 Q′相。这说明在蠕变时效过程中,应力作用加速了6156合金的时效过程,会使基体中时效初期的针状 β"相加速转化为热力学更加稳定的 β′相。同时蠕变时效后试样基体中析出相粒子的数量明显增多,有利于提高该合金的力学性能。另外,未观察到与2×××系铝合金相似的蠕变时效过程中析出相的应力位向效应[6]。

2.4 蠕变时效对6156铝合金力学性能和电导率的影响

在铝合金蠕变时效过程中,既保证力学性能,又尽可能大地产生蠕变变形量的特性将会为构件蠕变时效成形提供更宽的成形/成性调控范围。因此,重点关注了蠕变变形量最大的200MPa蠕变应力条件下三个温度(155℃,165℃,175℃）的CA状态及对应温度的AA状态试样的力学性能与电导率,表4给出了上述6种试样的测试结果。从表4中可以看出,与人工时效硬化曲线反映的时效强化律相似,不同温度AA态和CA态试样的强度(σb）值波动约3%;AA状态的伸长率波动约为10%,CA状态的波动约为5%;CA状态的强度、伸长率略高于AA状态的。随温度升高,AA和CA状态的电导率变化很小,但AA状态的电导率明显小于CA状态的。上述拉伸力学性能与电导率的变化可能是因为在相同的温度-时间条件下,由于应力的作用,CA状态试样比AA状态的析出相数量增多,尺寸更小所致。

这里值得特别指出的是:无论是CA还是AA状态试样,在155～175℃范围内,温度对6156铝合金强度峰值的影响均不明显,但对蠕变变形量的影响却十分显著。由此可以预见,该合金在蠕变时效过程中,能为成形/成性协调控制提供较大的温度-应力-时间窗口,适合于构件的蠕变时效成形。

表4 试验6156铝合金蠕变时效(CA）与人工时效(AA）试样的力学性能和电导率Table 4 Mechanical properties and conductivities of the tested 6156 Alalloy samples after creep aging(CA）and artificial aging(AA）

3 结论

(1）6156铝合金具有明显的时效硬化效应,当温度从155℃升高到175℃,采用不同人工时效制度试样能达到的硬度峰值相差不大,只是时间从约14h缩短到8h;达到峰值时效状态后,随着时效时间的延长,会迅速进入过时效阶段,硬度值显著下降。

(2）6156铝合金蠕变时效的变形量主要来自于蠕变第一阶段,其占蠕变变形总量的85%以上;升高蠕变温度有利于蠕变第一阶段变形量的增加,但蠕变应力对其影响更加显著。

(3）与人工时效相比,6156铝合金蠕变时效的析出相数量增多、尺寸变小,强度、伸长率与电导率均升高;不同蠕变时效制度试样能达到的力学性能与电导率峰值相差较小,且波动小于人工时效的。

(4）6156铝合金在155～175℃范围内,蠕变温度对强度峰值的影响不明显,但对蠕变变形量的影响却十分显著,适合于构件蠕变时效成形。

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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

航空航天用高性能轻合金大型复杂结构件制造的基础研究(2010CB731700）

晋坤(1987—）,男,硕士研究生;从事航空用铝合金蠕变时效成形技术研究。

邓运来(1969—）,男,博士,副教授,从事航天用铝合金组织、结构及性能的研究,(E-mail）luckdeng@mail.csu.edu.cn。