ABSTRACT

The effect of cold-deformation about 2219 aluminum alloy ring rolled pieces was investigated by Vicker hardness TEM, SEM, and mechanical testing. Study shows that hardness and time of peak-aging gradually increase following the adding of cold-deformation. Yield strength or tensile strength increases firstly and then maintains as the cold-deformation adding. At deformation 3%, it has best properties with the tensile strength: 426.52 MPa (axial direction), 436.62 MPa (tangent direction) and 445.67 MPa (radial direction), and yield strength: 323.88 MPa (axial direction), 334.35 MPa (tangent direction), 336.72 MPa (radial direction). The elongation will decrease along with the cold-deformation adding, which is particularly significant along tangent direction. As cold-defor- mation increases, precipitation of alloy becomes longer and wider, the mechanism of dislocation changes to Orowan from the cross precipitation. In general, forge pieces have best properties at 3% deformation.

Keywords:2219 Large Ring Rolled Pieces, Cold-Deformation, Mechanical Properties, Corrosion Resistance, Age Precipitation Phase

冷变形对2219铝合金环轧件组织和力学性能的影响

陈运强^1,2，陈康华^1,2,3*，陈送义^1,2，邢军^1,2

¹中南大学轻合金研究院，湖南 长沙

²中南大学有色金属先进结构材料与制造协同创新中心，湖南 长沙

³中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙

收稿日期：2016年5月7日；录用日期：2016年5月28日；发布日期：2016年5月31日

摘 要

本文采用维氏硬度计、拉伸力学性能测试，透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)等实验分析手段，研究了2219环轧件在不同冷变形条件下的组织和力学性能。结果表明：随着冷变形程度的增加，合金达到峰值时效的时间明显缩短，其峰值硬度逐渐增加；材料的抗拉强度和屈服极限随时冷变形量的增加先增加后略微下降，冷变形量为3%时性能最佳，抗拉强度为426.54 MPa (轴向)、436.62 MPa (切向)、445.67 MPa (径向)和屈服强度为323.88 MPa (轴向)、334.35 MPa (切向)、336.72 MPa (径向)；随着冷变形量的增加，合金塑性整体呈下降趋势，以切向降低最为显著。随着冷变形程度的增加，合金析出相逐渐增长加厚，第二相粒子位错运动机制由切过机制转换为绕过机制。综合考虑，当变形量为3%时性能最佳。

关键词 :2219大型环轧件，冷变形，力学性能，腐蚀性能，时效析出相

1. 引言

2219铝合金属可热处理强化的高强硬铝合金，具有比强度高、耐热性好、腐蚀抗性大等特点，已成为航空航天工业中的主要结构材料 [1] 。

控制2219合金性能的最主要方法是热处理工艺，包括：固溶淬火，冷变形，时效三个过程 [2] 。铝合金中为制作特殊形状或尺寸的航天锻件，应该选择与之相匹配的热处理工艺 [3] 。

许多学者以板材为对象研究了冷变形程度对2xxx合金的影响。张新明等 [4] 针对板材研究表明时效之前，适当程度的冷变形(轧制变形7%)使得AI-Cu-Mg三元合金中半共格的θ'相、Ω相体积分数更大，厚径比更小；安利辉 [5] 等人提出，在保持终变形程度一致的条件下，在固溶淬火前引入2%的拉伸预变形可提升使用性能。S. K. Ghosh等人 [6] 研究了冷变形对Al-Cu-Si-Mg合金时效脱溶温度与激活能的影响，表明冷变形可以使θ'相的析出温度降低的82℃。Yang You-liang [7] 研究了预变形对2219板材的蠕变时效过程的影响，发现经过7%预变形的板材在强度和延伸率上都有大的提升。

目前针对大型航天器外壳材料：整体成型环锻件的研究相对较少，且根据其后续焊接等工艺的需要，此类构件的性质有待进一步提高。本实选取航天2219大型锻轧件，通过控制固溶淬火后冷变形程度，探索形变强化和相变强化之间的联系，优化了大型环锻件的热处理工艺。

2. 实验

2.1. 实验材料

实验原材料为某厂提供的2219铝合金锻件，截取的材料厚度为45.5 mm其主要的化学成分见表1。

2.2. 实验方法

主要实验参数由表2所示，引入冷变形的时间为固溶后的3 h以内，用以规避2219环锻件发生自然时效。综合考虑环锻件的成型方式，冷变形被设计为施加在轴向上的压缩变形/平行于切向的拉伸变形。取块状样品，规格为(90 × 45 × 100 mm)，变形程度(0%、1%、3%、5%)。

2.3. 检测手段

采用HBRUV-187.5型布洛维光学硬度计测试样品维氏硬度，载荷为20 kN；每个样品测试至少三次，取平均值。采用美国Instron 3369力学试验机测试进行试样力学性能的测试，拉伸速率为2 mm/min。拉升断口在sirion200环境扫描电子显微镜下观察。透射电镜薄片样厚度减至0.08 mm，在MTP−1双喷电解减薄仪上双喷减薄、穿孔，电解液为V(硝酸):V(甲醇) = 3:7，温度控制在−25℃以下，电压为15~20 V，电流为60~80 mA。在JEM-2100F型透射电镜上进行组织观察。

3. 结果

3.1. 合金的时效硬化行为

图1为165℃时，不同压缩变形2219铝合金的时效硬化曲线。结果表明冷变形能极大的影响2219环锻件的硬度。首先，在时效过程中合金的硬度整体上升，当冷变形从0%增加为5%时，合金时效初期(4 h)的硬度从115 HV依次提升为134 HV。其次，合金达到峰值时效所需时间减短，分别是：28 h，24 h，16 h，12 h，峰值硬度分别为134 HV、136 HV、137 HV、145 HV，对应变形程度依次为0%、1%、3%、5%。由此可以看出当变形量为5%时材料的硬度最高。

3.2. 合金的拉伸力学性能

对淬火后施加不同压缩和拉伸冷变形的环锻件，在165℃经峰值时效处理后进行室温拉升性能测试。考虑环锻件整体成型的工艺和后续焊接的要求，应从环锻件的三个方向(轴向，切向，径向)综合评价其室温力学性能，以此为标准得到如图2所示的数据。

图2中的环锻件在轴向上赋予不同程度的冷变形，在冷变形0%时，锻件三个方向(轴、切、径)的抗拉强度分别为424 MPa、392 MPa、407 MPa，屈服极限为280 MPa、254 MPa、281 MPa，延伸率为11.4%，22.4%，10.5%，未满足锻件的使用强度。当轴向冷变形从1%增加至3%时，σ_0.2显著增加，σ_b在径向和切向上显著增加，轴向基本不变。图2(b)中σ_0.2的增量依为，轴向31，12 MPa；切向46，34 MPa；径向31，24 MPa。图2(c)中σ_b的增量为：轴向0，2 MPa；切向30，14 MPa；径向21，17 MPa。继续提高变形量至5%，时效强化的作用并没有随着冷变形量的增加而明显提高，在径向上甚至降低了17 MPa。在塑性上，变形量为5%时，式样延伸率显著降低为12.67%，轴向7.2%、径向6.65%，考虑到材料后续的焊接工艺，轴向的性能必然不能低于8%。因此，当冷变形为3%时环锻件性能最优。

图3为当变形量为3%时，不同变形方式(拉伸，压缩)对环锻件切向力学性能的影响。从图中可以看出，在变形量相同的情况下，经过拉伸变形后，材料的延伸率与经过压缩变形的材料相差不大，为13.06%，而其强度却更低为σ_b 426 MPa、σ_0.2 324 MPa。在环锻过程中，金属铸锭径向缩短，切向拉长，完成环轧后，轴向压缩变形更容易实现。所以，应该选择轴向压缩作为环锻件的变形方式。

表1. 2219合金的化学成分(质量分数)

表2. 2219合金形变热处理工艺参数

图1. 165℃时不同冷变形条件下2219合金时效硬化曲线(维氏硬度)

图2. 2219冷变形对2219拉伸式样力学性能的影响：(a) 抗拉强度，(b) 屈服强度，(c) 延伸率

图3. 压缩变形与拉伸变形3%合金力学性能分析

3.3. 合金显微组织形貌分析

分析拉伸式样的宏观形貌，其断口平行于受力方向，表现出塑性断裂特征。如图4中的(a)、(b)、(c)、(d)，拉伸断口同时呈现出塑性断裂和脆性断裂的特征，在变形0%时，断口中分布着许多大而深韧窝，最大的韧窝尺寸超过5 um。随着变形增加至5%时，韧窝变的浅而小，金属断面趋于平坦，分层现象弱化，更多的区域转变为脆性断裂，甚至出现解理断口的特征。对韧窝中的粒子进行EDS分析，发现其是残余第二相Al₂Cu + Al₇Cu₂Fe，这些第二相的塑性较差，在材料的变形中，与基体之间产生不同体积的空位，这些空位和再结晶晶粒边界共同构成了裂纹源。

如图5所示，3%变形量环锻件三个方向的断口形貌。图5(a)为材料的轴向断口，其中韧窝中的第二相粒子成带状分布，且断口韧窝小而浅。图5(c)为径向断口，其中第二相粒子则成扁平状，这与锻件的变形方式有关：锻件沿切向拉长，径向压缩，在轴向上的变形受限，第二相粒子也受到相同的作用。整体而言，轴向和径向上的韧窝呈现小而浅的特征，表现出更多脆性断裂的特质，切向则保留了较好的塑性。

冷变形对时效合金的析出相形貌有明显影响。图6表示不同的轴向变形条件下，材料对应的TEM显微组织。Al-Cu合金时效脱溶过程中，析出相的惯习面为{100}面。选择带轴<100>方向的电子束得到图

图4. 不同变形量下2219铝合金切向式样断口形貌分析：(a) 0%，(b) 1%，(c) 3%，(d) 5%

图5. 3%变形量下不同方向2219铝合金式样的断口形貌分析：(a) 轴向，(b) 切向，(c) 径向

所示的选区衍射花样，确定此相为半共格的θ'相。图6(a)，变形量0%时，析出相尺寸在20 nm左右，细小而弥散分布在基体中，从衍射花样中亦无法观察到相应的衍射斑。随后变形增加到1%时，细小的析出相变得稀疏而宽化；再增加至3%时，视区中出现不同尺寸析出相交替分布的现象，第二相的尺寸继续增加；最后变形量的增加至5%，θ'相的尺寸增加至150~200 nm，大尺寸的析出相旁边往往还伴有其它小尺寸的第二相，如图6(d)所示。从整体上看，θ'相交错分布，尺寸随着冷变形的增加而增大 [8] 。

使用imagej图形处理软件进行统计学分析，在数值上明确时效析出相的分布特征参数。如表3所示，析出相所占的面积分数与单个相的平均面积都成上升的趋势，在变形量为1%、3%时析出相有相近的平均面积，而单位面积中相的数目却有一定差距。这表明环件经过3%的变形，会促进了更多新相的形核，原有的相也继续长大。在变形达到5%时，析出相迅速长大，所占面积分数最多，单个的面积也最大，而单位面积上的第二相数目却最少，这是因为当变形累计到一定程度后，锻件中形成位错缠结区域，这类区域更容易富集铜原子，形成析出相同时促进其长大，破坏了时效脱溶过程中均匀形核的趋势。

图6. 不同冷变形条件下2219合金的TEM组织形貌：(a) 0%，(b) 1%，(c) 3%，(d) 5%

表3. 不同冷变形条件下时合金峰时效析出相形貌

4. 分析与讨论

根据Al-Cu合金的时效脱溶序列 [9] ：过饱和固溶体—淬火团簇GP(I)-θ-θ'-θ (Al₂Cu)，固溶淬火后引入变形，将影响合金时效析出的进程与最终产物。从材料的时效硬化曲线来看，时效强化与形变强化共同作用与合金的时效过程。材料时效前期(2 h~8 h)硬度的差异体现了形变强化程度的差异，GP区和θ相的强化对硬度贡献不大，这是因为形成共格的GP区或半共格θ相的主要方式是空位和原子迁移，而外界施加的冷变形在微观结构上反应为位错密度的增加，空位也被位错吸收 [10] 。根据形核动力学，位错可以为θ'的形核与长大提供能量，促进时效第二阶段θ'的形成与演化，材料峰时效时间提前 [11] 。

形变热处理的合金，在峰时效时θ'的形态与分布已趋于稳定，是阻碍位错的运动影响材料力学性能的主要因素。根据金属强化的机理，此时的强化是形变强化诱发的第二相粒子强化，其强化程度与粒子的尺寸和分布有关。

实验中，锻件变形量0%时，如图6中(a)此时θ'粒子的平均尺寸最小为约为25.63 nm²，位错运动中遇到小粒子时，采用切过机制 [12] ，对强度的提升不大，然而此时相的分布弥散，体现出最高的延伸率。当冷变形增加至1%以上后，析出相粒子的尺寸增大；至冷变形5%时，析出相的平均尺寸增加为730 nm²，材料强化机制转变为位错线绕过粒子的Orowan机制 [10] ，通过修正的奥罗万公式：

(1)

其中：f表示析出相的面积百分数，S是析出相的平均面积，其它参数为与材料有关的固定值。

由表3和式(1)可得到材料临界分切应力的增量： = 0.106k； = 0.14k； = 0.148k，其中k为常数。这反映了，随着冷变形的增加，材料屈服强度先上升后不变，较小而弥散的析出相是是导致环锻件塑性高的原因。

5. 结论

1) 随着变形量的增减环锻件硬度逐渐提高，峰值时效时间减短，峰值硬度呈上升趋势。当变形量为5%时，峰时效时间为12 h，硬度值达145 HV。

2) 冷变形有助于提高材料的屈服强度和抗拉强度，降低材料延伸率。当冷变形量为3%时，材料综合性能最佳，切向强度分别为436.62 MPa，334.35 MPa，塑性为12.90%。

3) 随着变形量的增加，合金时效析出相明显长大与粗化，且诱发更多的第二相形核。

基金项目

国家重点基础研究计划资助项目(2012CB619502，2010CB731701)；湖南省自然科学基金(12JJ6040)；国家自然科学基金(51201186)；国家重大科研仪器设备研制专项(51327902)。

文章引用

陈运强,陈康华,陈送义,邢 军. 冷变形对2219铝合金环轧件组织和力学性能的影响
Effect of Cold-Deformation on Mechanical Property and Microstructure of 2219 Aluminum Alloy Ring Rolled Pieces[J]. 材料科学, 2016, 06(03): 197-206. http://dx.doi.org/10.12677/MS.2016.63025

参考文献 (References)