冷轧预变形对2519A铝合金时效析出的影响
张新明，贾寓真，刘玲，叶凌英，陈明安，高志国，王文韬，匡小月
(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：采用拉伸性能测试，差示扫描量热法，透射电镜等手段研究不同冷轧预变形量对2519A铝合金时效析出相与力学性能的影响。研究结果表明：淬火后大的冷轧预变形抑制共格相析出，促进半共格相析出；当预变形量从7%增加到40%时，合金峰时效态强度先下降后升高，塑性先下降后略有提高；当预变形为15%~30%时，合金强度下降，这主要由θ′相析出不均匀所致。
关键词：2519A铝合金板材；冷轧；预变形；时效析出相；力学性能
中图分类号：TG166.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)01-0046-05
Effects of cold-pre-rolling reduction on precipitation of 2519A aluminum alloy plate
ZHANG Xin-ming, JIA Yu-zhen, LIU Ling, YE Ling-ying, CHEN Ming-an, GAO Zhi-guo,
WANG Wen-tao, KUANG Xiao-yue
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The effects of cold-pre-rolling reduction on precipitation and mechanical properties of 2519A aluminum alloy plate were investigated by tensile test, differential scanning calorimetry (DSC) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that cold-pre-rolling after quenching promotes the formation of semi-coherent phase θ′, but suppresses that of coherent phase θ″ and GP zone. Reduction increasing from 7% to 40% results in peak-age strength decreasing at first, then increasing, and so does elongation. When the reduction is from 15% to 30%, the lost strength can be attributed to the inhomogeneous distribution of θ′ phase.
Key words: 2519A aluminum alloy plate; cold rolling; pre-deformation; precipitation; mechanical properties
2519铝合金是美国20世纪80年代研制的第3代装甲铝合金[1]，其不仅具有较高的强度和较强的抗弹性，还具有优异的抗应力腐蚀性能和良好的可焊 性[2-3]。美国已将其应用于先进的两栖装甲车(AAAV，Advanced amphibious assault vehicle)[4]。2519A铝合金是我国在2519合金的基础上自行研发的一种新型铝合金[5-6]。对于Al-Cu合金，时效之前的预变形是调控合金组织、优化合金性能的重要方法。Unlu等[7]经研究发现，与固溶后直接时效的合金相比，时效之前的冷变形能使Al-Cu-Mg三元合金中Ω和θ′相体积分数更大，径厚比更小，从而提高合金峰值时效的硬度；但是，对于Al-Cu-Mg-Ag四元合金，预变形反而抑制Ω相的析出，延长合金达到峰时效的时间。袁志山 等[8]的研究表明，预变形能促进Al-Cu-Li合金中T1相析出，并且随着变形量增加，合金峰时效强度增加。然而，周昌荣等[9]的研究指出，当预变形量增加到一定程度时，继续增加变形量反而不利于含钪Al-Cu-Li合金峰时效态的强度。可见：预变形对Al-Cu合金强度的影响规律十分复杂，需要针对不同情况进行具体 分析。李慧中等[10-11]曾研究预变形对2519铝合金在165 ℃和180 ℃时效的影响，指出随着预变形量的增加，合金峰时效态强度增加，塑性下降。本文作者研究发现，冷轧预变形对2519A铝合金峰时效态强度的影响与预变形量不是简单的提高关系，当变形量达到一定程度时，继续增加变形量会造成2519A铝合金板材的强度下降，然后强度又随变形量的增加而提 高。本文旨在进一步探讨2519A铝合金板材力学性能与冷轧预变形量的关系，深入探求此种变化规律的形成机理。
1 实验材料和方法
实验原材料为自行研制的2519A铝合金板材，其成分见表1。将60 mm厚板材在电阻炉中于533 ℃固溶6 h后立即在室温水中淬火。分别冷轧预变形量为7%，15%，30%，40%后，在恒温干燥箱中于165 ℃时效至峰时效态。冷轧轧向与原板材的轧向一致。
表1 2519A铝合金板材的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical compositions of 2519A aluminum alloy plate %
拉伸性能测试在CSS44100万能试验机上进行，拉伸样品沿板材横向(TD，Transverse direction)取样，每个状态测2个样取平均值。差示扫描量热法(DSC，Differential scanning calorimetry)分析在NETZSCH DSC 200 F3差热分析仪上进行，升温速率为10 ℃/min。透射电镜(TEM，Transmission electronic microscope)观察的样品预磨至厚度为0.08 mm，然后，进行电解双喷减薄，双喷液为硝酸、甲醇混合液，其中硝酸、甲醇的体积比为3?7，双喷时用液氮使温度保持在-20 ℃以下，电压为15 V。用TECNAI G2 20透射电镜观察显微组织。
2 实验结果
2.1 冷轧预变形量对合金力学性能的影响
对不同冷轧预变形量合金板材在165 ℃时效至峰时效态后进行室温拉伸，其抗拉强度和伸长率如图1所示。从图1可见：从冷轧7%开始，随变形量增加，板材的抗拉强度先降低后升高；当冷轧变形从7%增加至40%时，合金板材的峰值时效抗拉强度分别为477，459，470和504 MPa；板材的伸长率也是先降低，当变形量达到40%时略微增加；变形量从7%到40%合金板材的伸长率依次为9.9%，7.8%，7.3%和8.2%。
图1 不同冷轧预变形量对2519A合金板材峰时效态力学性能的影响
Fig.1 Effects of cold-pre-rolling reduction on mechanical properties of 2519A aluminum alloy plate
2.2 DSC分析
不同冷轧预变形量合金DSC分析的结果如图2所示。从图2可见：随着变形量增加，主放热峰C对应的温度降低；当变形量从7%增加到15%时，C峰对应的温度分别为241.5 ℃和240.5 ℃；当变形量增加到30%和40%时，该温度分别降低到235.2 ℃和231.0 ℃。在变形7%合金的DSC曲线中，主放热峰C之前有2个较小的放热峰A和B，两峰中间有1个吸热峰A′。这3个峰随着冷变形量的增加而变弱，变形40%合金的DSC曲线中已看不到这3个峰。
图2 不同冷轧预变形量合金的DSC曲线
Fig.2 DSC curves of 2519A aluminum alloy plate cold-pre-rolled by different reductions
2.3 TEM观察
图3所示为不同冷轧预变形量合金峰时效态的显微组织。可见：2519A合金板材时效析出相主要为弥散分布的盘状θ′相。预变形7%合金板材中的θ′相比较密集均匀，如图3(a)所示。然而，当变形15%时，同一个晶粒中θ′相的分布在部分区域较密集，而部分区域较稀疏，如图3(b)所示。在θ′相较稀疏区域，其密度小于变形7%合金板材中的析出相密度，如图3(c)所示。
图3 不同冷轧预变形量合金板材峰时效态的TEM组织
Fig.3 TEM microstructures of peak-aged 2519A aluminum alloy plate cold-pre-rolled by different reductions
3 讨论
高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金时效时的脱溶序列为[12]：过饱和固溶体→GP区→θ″→θ′→θ。其中GP区和θ″相与Al基体共格，θ′相半共格，θ相完全不共格。在变形7%的合金其DSC曲线中有1个主放热峰，在其之前还有2个较弱的放热峰，中间有1 个吸热峰。根据文献[13]报道：C峰对应的是θ′相，A和B 2个峰分别对应GP区和θ″相，吸热峰A′为GP区溶解峰。随着预变形量增加，GP区和θ″相对应的峰渐渐减弱，变形40%合金的曲线中已经几乎看不到这2个峰(见图2)。这说明冷轧预变形量较大时抑制GP区和θ″相的析出；同时，随着预变形量的增加，C峰对应的温度降低。这说明增大冷轧预变形量能促进θ′相析出，这与文献[14]报道的结果是一致的。时效过程中第二相析出所需要的能量包括界面能和晶格畸变能2部分。对于共格相和半共格相，界面能很小，晶格畸变能占主要部分。GP区和θ″相与基体共格，由于其晶格系数与Al基体的晶格系数不一样，从基体中析出必然造成较大的晶格畸变，而这需要从外界获得足够的能量才能从Al基体中析出。θ′相与基体半共格，可以依托于位错析出，因为这样大大减小了晶格畸变能，使θ′相析出所需要的能量较小。冷变形可以使金属中位错密度增加，因此，预变形量增加能促进半共格的θ′相析出，不利于共格的GP区和θ″相析出。
图1表明：当预变形量从7%增加到15%时，合金在峰时效的抗拉强度下降。这与文献[10-11]所揭示的规律有所不同。周昌荣等[9]曾报道Al-Cu-Li合金中峰时效强度随预变形量增加而下降这一现象，认为这是由于冷变形使合金基体中大量位错缠结在一起，形成胞状位错组织所致。预变形量对合金位错形成及第二相析出行为的影响如图4所示。从图4可见：当预变形量为7%时，变形量较小，位错难以产生交滑移和攀移，位错可动性差，位错分布较分散和均匀[15]。因此，第二相在任意位置形核和长大的概率相同，使得第二相分布均匀，如图3(a)和4(a)所示；当变形量增加至15%，位错可动性增强，纷乱的位错纠结起来，形成位错胞[15]；胞壁处位错密度大大高于胞内的密度，导致第二相优先于胞壁处析出，胞内由于位错密度较胞壁低，第二相形核率小，从而使胞壁处第二相密度远远大于胞内。同时由于胞壁位错密度大，为第二相的长大提供了驱动力，造成第二相粗化，其结果使得第二相分布很不均匀，如图3(b)和4(b) 所示。这种第二相不均匀分布的组织容易造成合金变形的不均匀，对强度和塑性都不利。当预变形量从15%增加至40%时，合金的强度增加，40%时，合金强度达到最高。其原因可能是：一方面，预变形量继续增加使位错胞数量增多，尺度减小，使第二相均匀形核和长大；另一方面，变形40%时合金加工硬化程度较大，造成合金强化，而这种强化在时效过程中并未损失，由于这两方面的共同作用造成合金强度提高。
图4 不同冷轧预变形量后合金板材微观组织示意图
Fig.4 Sketch map of microstructures of 2519A aluminum alloy plate cold-pre-rolled by different reductions
可是，李慧中等[10-11]并没有发现峰时效强度随冷轧预变形量增加而不提高的现象。其原因可能有2个方面：首先与晶粒粒径有关，为了使Cu充分固溶，本实验固溶时间选择6 h，长时间固溶会使合金再结晶比较充分并使晶粒长大。文献[10-11]中的固溶时间为2 h，晶粒相对较细。晶粒较大的合金在变形时很容易形成位错胞[16]。其次，与轧制时的参数选择有关。文献[17]指出轧制时变形区几何参数对合金组织有很大影响，其对预变形过程中的位错组织及随后时效的影响还有待进一步研究。
4 结论
(1) 随着淬火后冷轧预变形量从7%增加到40%，合金板材经峰时效后强度先下降后升高，塑性先下降后略有提高。强度在预变形为40%时最高，达到 504 MPa。
(2) 冷轧预变形量增加有利于2519A铝合金组织中半共格的θ′相析出，不利于共格的GP区和θ″相 析出。
(3) 冷轧预变形量为15%时θ′相析出不均匀，2519A合金峰时效态强度下降。
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(编辑 张曾荣)
收稿日期：2009-11-21；修回日期：2010-03-05
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(2005CB623706)
通信作者：张新明(1946-)，男，湖南常德人，教授，博士生导师，从事材料科学与工程研究；电话：0731-88830265；E-mail: xmzhang@mail.csu.edu.cn
