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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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在一定变形机制下,可认为Q值是一定的。当预弯半径一定时,应力水平也一定。由式(8)可知,温度越高则塑性应变速率越快,在相同时间内,弹性应变转化为塑性应变的量也就越多,从而使得剩余的弹性应变越少。至于保温时间的延长对回弹率的影响可用式(6)来解释。由式(6)可知,保温时间越长,产生的塑性应变越大,导致剩余的弹性应变也就越小。而时效成形后试件的回弹量是由剩余的弹性应变所决定的,剩余的弹性应变越少,则回弹量也越小。因此,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。

2.2  时效成形对2A12铝合金微观组织的影响

2A12铝合金中主要强化相为S相(Al2CuMg),其脱溶顺序为:α(Al)过饱和固溶体→G.P.区→ α+S″→α+S′→ α+S。一般来说,2A12铝合金人工时效后析出的主要强化相为过渡相S′,其成分为正交结构的Al2CuMg[15-17]。图3所示为2A12铝合金于(160 ℃,3 h)和(190 ℃,6 h)时效成形及人工时效后的XRD谱。从图3可知,2A12铝合金无论是经时效成形还是经人工时效后,均会析出S′相。相对直接人工时效,2A12铝合金在同一温度、时间时效成形后,有S′相存在的晶面数量相对集中,且S′相总的衍射强度也有所减弱,其减弱的趋势随预弯半径的减小而增大,但减弱的幅度并不显著。

图3  2A12铝合金经人工时效和时效成形后的XRD谱

Fig.3  XRD patterns of 2A12 aluminum alloy after artificial aging and age forming: (a) 160 ℃, 3 h; (b) 190 ℃, 6 h

图4所示为2A12铝合金经人工时效及时效成形后的金相组织对比。由于本实验中使用的2A12铝合金板材是经过轧制所得,因此,图4中的晶粒均沿轧制方向被压扁拉长。从图4还可以发现,2A12铝合金经人工时效和时效成形后,均在α(Al)基体上析出了可溶的褐色S′相质点,并沿轧制方向分布着不可溶的大块黑色杂质相(FeMn)Al6。但由于时效成形过程中应力的存在,导致时效成形后合金的晶粒与人工时效后的相比被进一步压扁拉长。

图4  2A12铝合金经人工时效和时效成形后的显微组织

Fig.4  Microstructures of 2A12 aluminum alloy after artificial aging(a) and age forming(b) at 160 ℃ for 3 h

图5所示为2A12铝合金人工时效和时效成形后晶内沉淀相的TEM像。由图5可看出,2A12铝合金经人工时效后析出的S′相为点状,呈随机取向,分布比较均匀;而时效成形后析出的S′相为长条状且呈现出一定的方向性(见图5(b)中箭头)。这主要是由于时效成形过程中施加弹性载荷引起的。应力与变形体相互作用引起系统弹性能的变化,而这种影响主要表现在沉淀相的形核阶段[10],使得沉淀相产生了择优取向,即“应力位向效应”[18],但从XRD分析和金相观察来看,时效成形后沉淀相的数量与人工时效相比无明显变化。

图6和7所示为2A12铝合金经人工时效和时效成形后晶界沉淀相和晶界无析出区的TEM像。由图6可看出,2A12铝合金人工时效后,晶界沉淀相S呈点状分布,而时效成形后晶界沉淀相S呈链状连续分布。从图7还可看出,2A12铝合金无论是经人工时效还是经时效成形后,都存在晶界无析出区(PFZ)。晶界无析出区的产生主要是由于强化相在晶界析出时,吸收了附近的溶质原子和空位,在晶界两侧造成了溶质原子和空位浓度梯度的贫乏所致。

图5  2A12铝合金经人工时效和时效成形后晶内沉淀相的TEM像

Fig.5  TEM images of precipitates in 2A12 aluminum alloy after artificial aging(a) and age forming(b) at 160 ℃ for 3 h

图6  2A12铝合金经人工时效和时效成形后晶界沉淀相的TEM像

Fig.6  TEM images of grain boundary precipitates in 2A12 aluminum alloy after artificial aging(a) and age forming(b) at 160 ℃  for 3 h

图7  2A12铝合金经人工时效和时效成形后晶界无析出区的TEM像

Fig.7  TEM images of grain boundary precipitate free zone in 2A12 aluminum alloy after artificial aging(a) and age forming(b) at 160 ℃ for 3 h

图8所示为2A12铝合金经人工时效和时效成形后的位错形貌。由图8可看出,2A12铝合金经人工时效后,出现了大量的位错圈(见图8(a))和蜷线位错(见图8(b));而经时效成形后,基本没有出现蜷线位错,只有大量的长直态位错(见图8(c)和(d))。2A12铝合金经固溶处理后含有大量聚集的空位,此后这些空位片的坍塌就形成了位错圈,而位错圈是不稳定的,能快速长大,位错圈的长大也就形成蜷线位错[19]。人工时效时存在大量的蜷线位错,而时效成形时基本没有蜷线位错,只有大量的长直态位错,这可能是由于外加载荷引起的。位错线本身是一种晶体缺陷,其能量与长度成正比。当位错弯曲时,长度相应增加,能量也就升高。因此,弯曲的蜷线位错是不稳定的,有变直的倾向。时效成形时,由于外加载荷的作用,使得蜷线位错容易发生演变逐渐接近长直状态,故在时效成形后基本观察不到蜷线位错,只有大量的长直态位错。

2.3  时效成形对2A12铝合金力学性能的影响

图9所示为2A12铝合金于(160 ℃,3 h)和(190 ℃,6 h)时效成形及人工时效后的拉伸性能。从图9可以看出,在相同温度和时间下,时效成形后的拉伸性能较人工时效的略有降低但变化不大,屈服强度、抗拉强度及伸长率的下降均在6%之内;在相同温度和时间、不同预弯半径下,时效成形后的拉伸性能随着预弯半径的减小而降低,但下降的幅度不大;在同一预弯半径下,经190 ℃保温6 h后的强度高于经160 ℃保温3 h的强度。2A12铝合金经时效成形和人工时效后,都会析出沉淀相粒子,产生时效强化效应,而沉淀相粒子的尺寸、数量和分布影响2A12铝合金的拉伸性能。由微观组织分析可知,2A12铝合金时效成形后与人工时效时相比,沉淀相粒子数量基本不变,但尺寸有所增大,同时呈现出一定的方向性。而时效成形后,沉淀相粒子的定向析出也就造成了合金中沉淀相分布不均匀性,从而使得材料拉伸性能略有下降。

图8  2A12铝合金人工时效和时效成形后的位错形貌

Fig.8  Dislocation morphologies of 2A12 aluminum alloy after artificial aging((a), (b)) and age forming((c), (d)) at 160 ℃ for 3 h: (a) Ring dislocation; (b) Helical dislocation; (c), (d) Long straight dislocation