简介概要

不同预弯半径下2A12铝合金时效成形

来源期刊:中国有色金属学报2011年第2期

论文作者:赵飞 周文龙 孙中刚 陈国清 黄遐 曾元松

文章页码:303 - 310

关键词:2A12铝合金;时效成形;回弹;应力位向效应;力学性能

Key words:2A12 aluminum alloy; age forming; springback; stress orientation effect; mechanical properties

摘    要:研究2A12铝合金在不同预弯半径下的时效成形,并考察时效成形与人工时效后合金的微观组织和力学性能的差异。结果表明:与人工时效相比,时效成形过程中,由于应力的存在,使得合金在时效成形后晶粒被进一步压扁拉长,晶内沉淀相由点状变为长条状且呈现出一定的方向性,同时,其位错形态由位错圈或蜷线位错向长直态位错转变。时效成形后,合金的拉伸性能和断裂韧性均比人工时效时的略有降低,回弹率随预弯半径的增大而增大。预弯半径的变化对沉淀相的尺寸和数量以及时效成形后合金的力学性能均无明显影响。

Abstract: The age forming of 2A12 aluminum alloy subjected to different prebending radii was investigated. The differences of microstructures and mechanical properties after aging forming and artificial aging were also studied. The results show that, during artificial aging, the grains are further squashed and elongated due to the applied stress during age forming and the precipitated phase changes from circle shape to long strip shape with uniform orientation. Further, the dislocation configuration in samples subjected to age forming changes from ring dislocation or helical dislocation to long and straight dislocation. However, the age forming decreases slightly tensile properties and the fracture toughness of the alloy and increases its springback with prebending radii increasing. There is no significant influence of the variation of prebending radius on the size and number of the precipitated phase, as well as the mechanical properties of the alloy after age forming.



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文章编号:1004-0609(2011)02-0303-08

不同预弯半径下2A12铝合金时效成形

赵  飞1,周文龙1,孙中刚1,陈国清1,黄  遐2,曾元松2

(1. 大连理工大学 材料科学与工程学院,大连 116085;

2. 北京航空制造工程研究所,北京 100024)

摘  要:研究2A12铝合金在不同预弯半径下的时效成形,并考察时效成形与人工时效后合金的微观组织和力学性能的差异。结果表明:与人工时效相比,时效成形过程中,由于应力的存在,使得合金在时效成形后晶粒被进一步压扁拉长,晶内沉淀相由点状变为长条状且呈现出一定的方向性,同时,其位错形态由位错圈或蜷线位错向长直态位错转变。时效成形后,合金的拉伸性能和断裂韧性均比人工时效时的略有降低,回弹率随预弯半径的增大而增大。预弯半径的变化对沉淀相的尺寸和数量以及时效成形后合金的力学性能均无明显影响。

关键词:2A12铝合金;时效成形;回弹;应力位向效应;力学性能

中图分类号:TG306       文献标志码:A

Age forming of 2A12 aluminum alloy with

 different prebending radii

ZHAO Fei1, ZHOU Wen-long1, SUN Zhong-gang1, CHEN Guo-qing1, HUANG Xia2, ZENG Yuan-song2

(1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116085, China;

2. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)

Abstract: The age forming of 2A12 aluminum alloy subjected to different prebending radii was investigated. The differences of microstructures and mechanical properties after aging forming and artificial aging were also studied. The results show that, during artificial aging, the grains are further squashed and elongated due to the applied stress during age forming and the precipitated phase changes from circle shape to long strip shape with uniform orientation. Further, the dislocation configuration in samples subjected to age forming changes from ring dislocation or helical dislocation to long and straight dislocation. However, the age forming decreases slightly tensile properties and the fracture toughness of the alloy and increases its springback with prebending radii increasing. There is no significant influence of the variation of prebending radius on the size and number of the precipitated phase, as well as the mechanical properties of the alloy after age forming.

Key words: 2A12 aluminum alloy; age forming; springback; stress orientation effect; mechanical properties

时效成形技术是将成形与人工时效相结合的一种先进成形方法。它的典型特点之一就是卸载后零件将产生回弹,导致零件的最终形状及尺寸与模具的不一致,从而影响了零件的成形精度。因此,如何预测或减小时效成形后零件的回弹量以确保其成形精度成为众多研究者关注的热点,如LIN等[1]提出了一种将析出硬化与回弹相结合的统一模型用于预测回弹;HO等[2-3]先从实验出发得到铝合金时效成形统一本构方程,再通过ABAQUS有限元分析软件准确模拟了铝合金厚板时效成形过程中的回弹;LEVERS[4]在时效效成形静载荷的基础上叠加周期性小载荷,促进了构件的永久变形。上述研究均有助于预测或减小时效成形后零件的回弹,为提高时效成形零件的精度提供了方法。时效成形技术的另一个典型特点就是零件在成形时发生应力时效,容易造成“应力位向效应”。ZHU等[5-7]在研究Al-xCu合金的应力时效时发现,板片状θ′相由无应力时效时的垂直排列变为定向排列,导致材料的屈服强度降低;BAVAKOS等[8]研究发现,应力造成2XU铝合金中板片状θ′相成定向排布,但应力对6056和7475铝合金时效成形的微观组织几乎没有影响;李剑等[9]和陈大钦等[10]在研究Al-3.87Cu- 0.56Mg-0.56Ag及Al-3.88Cu的应力时效时也发现了θ′及Ω相的择优取向析出,并分析其产生的原因。尽管上述关于时效成形的研究已经取得了大量的研究结果,但有关2A12铝合金时效成形的研究尚不多见,而2A12铝合金是制造航空器结构件,如蒙皮、隔框、翼肋和翼梁的重要材料。因此,本文作者针对2A12铝合金进行了不同预弯半径下时效成形的实验,着重研究时效成形对2A12铝合金微观组织及力学性能的影响。

1  实验

1.1  实验材料

实验材料为退火态2A12铝合金板,化学成分如表1所列。将2A12铝合金板加工成400 mm×100 mm×20 mm的试件,其长度方向与轧制方向平行。试件经495 ℃,1 h盐浴固溶处理后,立即进行时效成形实验。

表1  2A12铝合金化学成分

Table 1  Chemical composition of 2A12 aluminum alloy (mass fraction, %)

1.2  实验方法

为了确保试件在时效成形过程中始终维持初始变形,本实验采用单曲率圆柱面模具,其曲率半径分别为400、650和1 000 mm。时效成形过程如图1所示。首先,施加弹性载荷使试件贴模;然后,保持试件外形不变,将模具和试件加热到某一温度,保温,此过程中试件将产生应力松弛现象,将一部分弹性变形转变为塑性变形,同时由于人工时效的作用试件的微观组织和力学性能也将发生变化;最后,待保温结束后卸除载荷,试件发生一定量回弹。

图1  时效成形过程示意图

Fig.1  Schematic diagram of age forming: (a) Loading; (b) Aging; (c) Unloading

实验分别在160 ℃保温3 h和190 ℃保温6 h进行了不同预弯半径下的时效成形。同时,还对比进行了2A12铝合金160 ℃保温3 h和190 ℃保温6 h的人工时效处理。时效成形和人工时效后在试件中性层部位:沿板材轧制方向用线切割截取拉伸试样进行室温拉伸,拉伸速率为1 mm/min;沿T-L和L-T两个方向(T-L表示裂纹面的法线方向,L-T表示预期的裂纹扩展方向;L为板材轧制方向,T为宽度方向)按GB4161制备标准紧凑拉伸试样进行断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率测试。室温拉伸、断裂韧性及疲劳裂纹扩展速率测试均在电液伺服万能实验机MTS-810上进行。金相试样通过机械抛光后用1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+ 95%H2O(体积分数)混合酸溶液腐蚀。透射试样经机械研磨后用电解双喷减薄法制成,双喷液为体积比为1?3的硝酸和酒精混合溶液,温度控制在-25 ℃,电压为12~15 V,电流为70~80 mA。在TecnaiG220-Twin透射电镜上观察微观组织形貌,加速电压为200 kV。

2  分析与讨论

2.1  预弯半径对回弹率的影响

材料的回弹率定义为(其中:Ro为试件贴模时的曲率半径即预弯半径,Rf为试件回弹后的曲率半径)。图2所示为预弯半径对回弹的影响。由图2可知,当成形温度和保温时间一定时,2A12铝合金试件在较小预弯半径下时效成形后的回弹率较小,随着预弯半径的逐渐增大,其回弹率急剧上升;在相同预弯半径下,提高成形温度和延长保温时间可使2A12铝合金试件的回弹率减小。

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