文章编号：1004-0609(2007)10-1561-06

温度与保温时间对2519A铝合金高温力学性能的影响

张新明，刘  波，刘  瑛，李慧中，李惠杰

(中南大学 材料科学与工程学院，长沙410083)

摘  要：利用高温拉伸力学性能测试、扫描电镜与透射电镜等分析手段对2519A铝合金在不同温度与保温时间下的高温力学性能进行研究。结果表明：合金在保温10 min后进行拉伸，从室温至400 ℃，随着温度的升高，抗拉强度从471 MPa下降至55.5 MPa，屈服强度从440.3 MPa降至50.3 MPa，延伸率由11.6%提高至21.3%。300 ℃时，随保温时间的延长，合金的抗拉强度先由171.6 MPa下降至151.4 MPa，屈服强度由139.4 MPa降至130.5 MPa，１ h后基本上稳定不变。高温条件下，该合金力学性能的下降主要是由于析出相的粗化与转变引起的。

关键词：2519A铝合金；高温力学性能；显微组织

中图分类号：TG 146.21　　     文献标识码：A

Effects of temperature and holding time on elevated-temperature

mechanical properties of aluminum alloy 2519A

ZHANG Xin-ming, LIU Bo, LIU Ying, LI Hui-zhong, LI Hui-jie

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The elevated-temperature mechanical properties of aluminum alloy 2519A annealed at different temperatures and different holding times were investigated by tensile test, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results showed that for the holding time of 10 min, with increasing of temperature from room temperature to 400 ℃, the ultimate tensile strength descended from 471 MPa to 55.5 MPa, the yield strength from 440.3 MPa to 50.3 MPa, and the elongation rised from 11.6% to 21.3%. At 300 ℃, with the prolongation of holding time, the ultimate tensile strength descended from 171.6 MPa to 151.4 MPa and the yield strength from 139.4 MPa to 130.5 MPa, and then they had no remarkable changes after 1 h. At high temperatures, the decrease of the mechanical properties of the studied alloy was due to coarsening and transformation of the precipitates.

Key words: aluminum alloy 2519A; elevated-temperature mechanical properties; microstructure

2519铝合金是美国于20世纪80年代开发的装甲铝合金，该合金具有良好的抗弹性能、焊接性能以及抗应力腐蚀性能，主要用于飞机蒙皮、火箭、舰船等的结构件和两栖装甲突击车、空投空降车等的装甲材料^[1?3]。我国在该合金的基础上研发了2519A型铝合金，有关该合金的报道主要集中在耐蚀性能、力学性能、焊接性能及热处理制度方面^[4?5]。在目前工业上应用的工程合金中，温度在100 ℃以内时，时效铝合金具有最高的比强度，然而在100 ℃以上的高温条件下，铝合金的力学性能迅速下降，这主要是由于决定其强度的细小沉淀相的粗化引起的^[6]。李慧中等^[7?8]研究Ag、Y等元素对2519A合金高温力学性能的影响，指出添加适量的Ag后，在{111}面析出Ω相，该相在高温下比较稳定，不易长大，使合金高温力学性能得到较大提高；而添加微量元素Y，会与Cu、Al形成Al₆Cu₆Y金属间化合物，沿晶界分布，有效阻碍高温时基体的变形和晶界的移动，从而提高合金高温强度。由于装甲材料对合金耐热性能有较高要求，同时为了全面提高该合金的综合性能，扩大其应用领域，因此研究其高温力学性能具有十分重要的意义。本文作者对2519A铝合金在不同的温度与保温时间下的高温力学性能及其变化规律进行研究，以期为该合金的高温实际应用提供依据。

1  实验

1.1  实验材料

实验材料为20 mm厚的2519A-T87铝合金成品板料，化学成分列于表1。

按照GB/T 4338?1995标准^[9]，沿板材轧向截取拉伸试样。加工尺寸为d10 mm×114 mm的圆形比例试样。

表1  合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of studied 2519A aluminum alloy (mass fraction, %)

1.2  实验方法

高温拉伸实验在Instron Model 8032电子拉伸机上进行，取平行实验试样2~4个，试样随炉升温，升到实验温度开始计时，保温一定时间后进行拉伸，拉伸速度为0.02 mm/s.

实验分两组进行，第1组是在相同的保温时间(10 min)下改变温度，选取7个温度： 100、150、200、250、300、350和400 ℃，分别标记为10m100、10m150、10m200、10m250、10m300、10m350和10m400，另外将室温(25 ℃)下拉伸的样品标记为10m25；第2组是在300 ℃保温，改变保温时间，选取6个保温时间：10 min、30 min、1 h、2 h、6 h和10 h，分别标记为10m300、30m300、1h300、2h300、6h300和10h300。

在KYKY?2800扫描电镜上观察拉伸试样的断口形貌；在Tecnai G²20型透射电镜上进行TEM分析，加速电压为200 kV，薄膜试样采用电解双喷减薄，电解液(体积比)为30%硝酸和70%甲醇混合液，在?15 ℃和15 V条件下制备。

2  实验结果

2.1  拉伸力学性能

图1所示为2519A合金在不同温度下保温10 min之后拉伸所得的力学性能。室温下合金的抗拉强度为471 MPa，屈服强度为440.3 MPa，延伸率为11.6%。随着温度升高，强度逐渐下降，延伸率逐渐上升，并出现3个不同的阶段：由室温至150 ℃，强度的下降与延伸率的上升都较为平稳；150 ℃至300 ℃，延伸率上升速率变化不大，而强度下降明显加快；300 ℃至400 ℃，强度下降变缓，而延伸率增幅显著提高。到400 ℃时，抗拉强度、屈服强度分别降至55.5 MPa、50.3 MPa，延伸率增至21.3%。

图1  温度对2519A铝合金拉伸性能的影响

Fig.1  Effects of temperature on tensile properties of aluminum alloy 2519A

通常Al-Cu合金应用的耐热温度范围主要集中在250到350 ℃之间^[10]，因而选取300 ℃来研究保温时间对合金力学性能的影响，如图2所示。当保温时间由10 min延长到1 h时，合金抗拉强度由171.6 MPa下降至151.4 MPa，屈服强度由139.4 MPa降至130.5 MPa，但1 h以后，合金强度基本上保持不变；同时，合金的延伸率的变化也不明显。

图2  保温时间对2519A铝合金300 ℃拉伸性能的影响

Fig.2  Effects of holding time on tensile properties of aluminum alloy 2519A at 300 ℃

2.2  微观组织

合金在不同温度与不同保温时间下的微观组织如图3、4所示。对盘片状析出相的半径进行统计，其平均尺寸如图5所示。

图3  不同温度下合金的TEM像

Fig.3  TEM images of studied alloy annealed at different temperatures for 10 min: (a)?(c) In grains—10m25, 10m150, 10m400; (d)?(f) Along grain boundaries—10m25, 10m150, 10m400

图4  不同保温时间下合金的TEM像

Fig.4  TEM images of studied alloy annealed at 300 ℃ for different holding times: (a)?(c) In grains—10m300, 1h300, 10h300; (d)?(f) Along grain boundaries—10m300, 1h300, 10h300

图5  晶内与晶界的析出相尺寸

Fig.5  Precipitates size in grains and along grain boundaries

由图3、5可看出，温度对析出相的大小与分布影响显著，随着温度升高，析出相尺寸增大，密度降低。室温合金晶内分布着大量细小而弥散的强化相，而晶界析出相则呈链条状分布。随着温度升高，晶内析出相聚集长大，并逐渐变得尺寸不均匀，晶界析出相也由链条状连续分布聚集长大为不连续分布，到400 ℃时析出相变得特别粗大，数量很少。

300 ℃下随着保温时间延长，合金析出相的微观组织变化如图4所示。保温时间从10 min至10 h，对比3个不同时间下试样的显微组织照片，尽管保温10 h的试样晶内出现个别粗大的析出相，但整体比较，由图5可以看出，析出相的尺寸变化并不明显。

2.3  断口形貌

将拉伸后的断口进行扫描电镜观察，如图6所示，室温(图6(a))试样断口为韧窝区与沿晶断裂组成的混合型断口，韧窝的数量多，但韧窝小而浅，因而塑性相对较差；随着温度的升高，延性韧窝状断口形貌越来越明显，韧窝数量减少，尺寸变大，400 ℃下(图6(d))，拉伸断口的韧窝变得特别粗大且很深，此时合金的延伸率最高，表明合金在高温下塑性好。

图6  不同温度下拉伸断口的SEM形貌

Fig.6  SEM morphologies of studied alloy annealed at different temperatures for 10 min: (a) 10m25; (b) 10m100; (c) 10m300; (d) 10m400

3  分析与讨论

2519A铝合金是高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系时效强化铝合金，其沉淀相析出序列如下^[11]: S.S.S.S. → G.P.(Ⅰ)区→G.P.(Ⅱ)区(θ″相)→θ′相→θ(CuAl₂)相，合金的主要析出强化相是θ′。在高温下，析出相发生粗化，刘刚等^[12]提出了Al-Cu合金中析出相的粗化模型：

由扩散第一定律可以得出扩散系数与温度的关系式^[13]：

将式(2)代入式(1)，可得：

由式(3)可得温度与保温时间对析出相粗化的影响规律，从式(4)可以看出温度的影响是指数关系，而保温时间的影响是线性的，因此温度对析出相粗化的影响远大于保温时间。

合金的屈服强度增量与析出相尺寸的关系为^[12]

而合金的屈服强度为基体固有屈服强度(σ_t)与析出相引起的屈服强度增量之和：

由该式可看出屈服强度σ与析出相尺寸r的关系。

因此，温度越高，析出相尺寸越粗大，强度下降越多。从室温至150 ℃，软化机制以析出相θ′的粗化为主，且粗化速率低，从而合金强度下降较慢。150 ℃之后，不仅析出相粗化速率提高,而且θ′相的溶解伴随着θ相的增加^[14]。由于θ相与基体界面是非共格的,强化作用不如θ′，从而使得合金强度下降加快。300 ℃之后，继续升高温度，析出相粗化速率进一步提高，软化机制仍以粗化为主，因θ′相已基本演变成了θ相，因而屈服强度的下降会趋于平缓，逐渐接近σ_t。另一方面，随着温度升高，原子扩散能力增强，界面滑动能力加强，在晶内第二相处萌生裂纹源的机会减少，并且，由于析出相的尺寸越大，延伸率越大^[15]，从而导致延伸率随着温度升高而显著提高。

300 ℃下保温时，由式(4)可以看出，相对于温度，时间对析出相粗化的影响并不明显，因而从10 min到10 h析出相的尺寸变化不明显。但保温时间由10 min至1 h，由于θ′相向θ相转变，从而导致合金强度有所下降，1 h后转变基本完成，强度也就稳定不变。

4  结论

1) 2519A铝合金的软化机制从室温至150 ℃以θ′相的粗化为主，在150~300 ℃范围是θ′相转变成θ相以及θ相的粗化，在300~400 ℃范围以θ相的粗化为主。

2) 2519A铝合金保温10 min时，从室温至400 ℃间，随着温度升高，抗拉强度从471 MPa下降至55.5 MPa，屈服强度从440.3 MPa降至50.3 MPa，延伸率由11.6%升高至21.3%。

3) 在300 ℃保温，保温时间由10 min至1 h，析出相由θ′转变为θ，因而2519A铝合金强度从171.6 MPa下降至151.4 MPa，继续延长时间，析出相长大不明显，合金强度稳定在148 MPa左右。

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基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2005CB623706)

收稿日期：2007-01-10；修订日期：2007-06-21

通讯作者：张新明，教授，博士；电话：0731-8830265；E-mail: xmzhang@mail.csu.edu.cn

(编辑 陈爱华)