航空用2124铝合金高温拉伸试验研究

顾凤仙,韩 逸,钱维锋,邱 怡

(中铝材料应用研究院有限公司苏州分公司,江苏 苏州 215026)

研究合金在高温下的力学性能对于选用和开发高温材料有着重要意义。铝合金作为一种较为成熟的轻质材料在航空航天领域应用广泛。2×××系铝合金耐热性优良,多用于150 ℃～250 ℃温度范围内工作的耐热零件、耐热可焊接结构件和锻件[1]。

相对于室温拉伸试验,高温拉伸试验对拉伸速率更为敏感,对温度的控制和测量都有一定的要求,对试验过程、试样形式和夹持装置也都有特殊的要求[2]。本试验研究了航空用2124铝合金样品尺寸、加热温度、保温时间以及应变速率对其高温拉伸力学性能的影响。

1 试验方法

2124铝合金棒材的名义化学成分见表1。试样直径分别为φ10 mm和φ5 mm,见图1和表2。

图1 螺纹头圆形试样示意图

表1 试验合金的名义成分(质量分数/%)

表2 两种试样的尺寸(mm)

拉伸设备型号为TO-100ST拉力试验机,最大负荷100 kN,准确度满足0.5级,同轴度满足8级。高温炉型号为SF2151A,温度范围为100 ℃～800 ℃,精度满足±1 ℃[3-4]。引伸计为Epsilon公司的3549-025M-020-ST的高温引伸计,精度满足0.5级[5]。试验过程参考GB/T 228.2-2015的要求,在试样平行长度的两端和中心位置分别固定一支R型热电偶,确保试样平行段温度保持一致。施加载荷前,在试验温度下将引伸计按标称标距长度装夹在试样上。拉伸速率采用横梁位移方式控制,其大小根据平行长度Lc和应变速率确定,屈服前应变速率为0.005 min-1,屈服后应变速率为0.05 min-1直至试样拉断,应变1%设为速度切换点[6-8]。试样加热温度为150 ℃、200 ℃和250 ℃,保温时间15 min、20 min和30 min。

2 试验结果与分析

2.1 不同尺寸下拉伸曲线分析

图2为φ5 mm和φ10 mm两种尺寸的拉伸试样加热到200 ℃保温20 min得到的应力应变曲线。拉伸性能见表3。两种尺寸测得的抗拉强度Rm相差不大,φ5 mm试样断后伸长率A比φ10 mm试样的大4.0%。

图2 200 ℃下φ5 mm试样和φ10 mm试样应力应变曲线

表3 不同尺寸的试样在200 ℃和250 ℃时的拉伸性能

图3为不同尺寸的试样的加热到250 ℃保温20 min得到的应力应变曲线。拉伸性能见表3。由表3可知,两种尺寸的试样的强度相差1 MPa,φ5 mm试样断后伸长率大1%。可见,两种尺寸的试样测得的强度几乎没有变化,而φ5 mm试样的断后伸长率偏大一些。考虑到炉体高度,小试样受热更均匀,接下来的试验都采用φ5 mm的试样。

图3 250 ℃下φ5 mm试样和φ10 mm试样应力应变曲线

2.2 不同温度下拉伸曲线分析

图4为φ5 mm的试样分别加热到150 ℃、200 ℃和250 ℃,保温20 min进行拉伸得到的应力应变曲线。拉伸性能见表4。从图4和表4可以看出,随着加热温度的升高,强度呈现了明显的下降趋势,塑性的变化不明显。因此,在做高温拉伸试验时,要保证加热温度的有效控制。影响试样的实际温度的因素包括炉温的控制精度,热电偶的校准以及热电偶与试样的接触等。

图4 φ5 mm的试样不同温度的应力应变曲线

表4 不同温度下的试验结果

2.3 相同温度不同保温时间下拉伸曲线分析

图5为φ5 mm的试样在加热到200 ℃,分别保温10 min、20 min和30 min,拉伸得到的应力应变曲线。拉伸性能见表5。

图5 试样在200 ℃保温不同时间的应力应变曲线

表5 加热到200 ℃不同保温时间的拉伸性能

三种保温时间的拉伸性能相差不大,可见拉伸性能基本上不受保温时间的影响。由于不同合金在不同温度下敏感性不同,所以通过该试验仅可以判定该合金在200 ℃下的高温拉伸受保温时间的影响不大。标准GB/T 228.2中要求保温时间不低于10 min,因此保温时间只要满足标准的规定即可。

2.4 不同拉伸速率下拉伸曲线分析

图6和图7分别是试样加热到150 ℃和200 ℃(保温10 min),不同拉伸速率的应力应变曲线。拉伸性能见表6。这里用到的两种试验速度都是横梁位移控制,慢速是0.175 mm/min转1.75 mm/min,快速是0.45 mm/min转2.52 mm/min,转换点都是应变达到1%的时候,这两种速度的变化并不大,且都在试验标准GB/T 228.2规定的范围内,但是试验结果得到的强度值却变化很明显[9]。

图6 150 ℃两种拉伸速率下的应力应变曲线

表6 不同温度和不同拉伸速率试样的拉伸性能

结合表6和图6、图7可以看出,150 ℃时,拉伸速率快的比拉伸速率慢的Rm高12 MPa,Rp0.2高14 MPa;200 ℃时,拉伸速率快的比拉伸速率慢的Rm高34 MPa,Rp0.2高33 MPa。随着拉伸速率加快,强度有明显提升,并且加热温度越高,速率的影响越明显。可见,高温拉伸时,要对拉伸速率有严格规定,只有拉伸速率完全相同时,试验结果才有可比性。

2 结 论

1)2124铝合金在高温拉伸试验过程中,对于相同形状的试样,尺寸大小对试验结果的影响很小,可以忽略不计,试样尺寸可以参考高温炉炉体的大小来选择。

2)随着试样加热温度的升高,2124铝合金的强度呈明显下降趋势;但同一温度下,保温时间在10～30 min内对试验结果都几乎没有影响。

3)高温拉伸时拉伸速率对2124铝合金强度的影响很明显,速率越快,强度越高,并且随着试验温度的升高,拉伸速率对强度的影响越来越明显。