固溶处理对2E12铝合金显微组织和拉伸性能的影响

汪 磊，周明哲

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083）

固溶处理对2E12铝合金显微组织和拉伸性能的影响

汪 磊1，周明哲2

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083）

摘要：固溶处理对合金的组织产生影响，进而影响合金的拉伸性能。随着固溶温度的增加，保温时间的延长，合金屈服强度σ0.2增加。升高加热温度及延长保温时间将有助于溶质原子溶解，使得合金元素充分溶入基体，从而增加析出相数量，减小其尺寸，提高了时效强化效果，增强合金强度，合金塑性不断改善。

关键词：2E12合金；固溶处理；显微组织；拉伸性能

0 前言

作为2×××系铝合金的代表，2×24系列合金以其高强度、耐疲劳损伤性能好、成形性优等优点，自20世纪30年代问世以来得到了广泛的应用，尤其在航空航天业，是机身框架、翼梁、机身蒙皮等的重要结构材料。2024合金为美国铝业公司1954年开发出的合金牌号，属于可热处理强化的变形铝合金，其名义成分为Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn，除此之外还包括少量的Fe和Si。为提高2024的断裂韧性，通过控制合金中的Fe、Si杂质的含量并调整溶质元素的比例，美国陆续研制出了多个牌号（见表1）的合金及相关的热处理工艺[1]。

我国也在2A12合金的基础上开发出了2D12、2E12等多种铝合金。相比之下，2E12因Fe、Si杂质的含量大幅度减小，从而获得了KIC约10%以上的提升。

表1 2×24系合金的发展及合金成分 (质量分数%)

本文首先确定了2E12铝合金的固溶制度，并在改变固溶处理工艺的基础上，研究了固溶处理对2E12铝合金微观组织及拉伸性能的影响，为该合金的工业化生产提供了基础。

1 固溶制度的确定

固溶处理的目的主要是使合金中的可溶性粗大残留相充分溶解，并使得合金淬火后能够获得尽可能大的过饱和度，同时使合金的组织发生对性能有益的变化。最佳的固溶温度和时间应该保证残留相的充分溶解，而又不引起合金的过烧和晶粒长大。保温时间一定时，加热温度越高，残留相溶解越充分，合金元素在晶格分布得也越均匀，但晶格中空位浓度也越大。因此，固溶制度的确立必须综合考虑多方面的因素。

1.1 合金典型组织

实验所选取材料为西南铝生产的冷轧态2E12合金板材，合金中主要存在的相为S相(Al2CuMg)及θ相(Al2Cu)。

图1所示为2E12冷轧态板材的典型组织金相照片。由图可见，冷轧态板材经打磨、抛光、腐蚀后仍无法观察到明显的晶界，也无法观察到其晶粒形貌，这主要是由于冷轧态板材由于其复杂的变形组织及残余应力导致合金晶界无法被清晰腐蚀而造成的。但仍可发现，沿着轧制方向合金基体中存在大量微米数量级的颗粒。

图1 2E12铝合金冷轧态金相组织

1.2 固溶制度选定

为了制定出合理的固溶热处理制度，采用冷轧态板材试样进行DSC差热分析，结果如图2所示。由合金差热分析的结果不难看出，合金在505～514℃之间存在明显的吸热反应，并在509℃达到峰值。根据Al-Cu-Mg三元相图可知，该温度为（Al-Al2Cu-Al2CuMg）共晶转变温度。2E12铝合金的成分接近极限溶解度曲面，非平衡凝固所形成的低熔点共晶相较多，并且平衡初熔温度接近多相共晶温度，固溶温度应不超过多相共晶温度。若固溶温度超过共晶温度将导致合金中形成大量共晶复熔产物，对合金性能造成不可逆的损害。因此，针对2E12铝合金而言，固溶处理的温度应低于509℃。

图2 2E12铝合金冷轧态板材DSC曲线

在确定2E12铝合金固溶时间时应保证固溶强化效果，并尽可能的减少保温时间，一方面可在工业生产时降低能耗，另一方面，由于该合金板材均为包铝板材，减少保温时间可阻止合金中溶质原子向包铝层扩散，进而保证合金成分均匀性[2]。本次实验中选取483℃、493℃、503℃、508℃四个温度经不同时间保温进行固溶处理，旨在考察固溶制度对合金粗大残留相、晶粒尺寸、拉伸性能及疲劳断裂行为的影响，为合金的成分优化及热处理制度的改进提供依据。

2 固溶处理对合金组织及拉伸性能的影响

2.1 固溶处理对合金组织的影响

图3所示为2E12合金在483℃、493℃、503℃、508℃温度下分别保温20min、40min、60min固溶处理后的金相组织照片，取样方向均为L-T方向。

图3 固溶处理后2E12铝合金金相组织

由图3可见，合金中依然存在大量沿轧制方向分布的粗大残留相粒子，且部分晶粒沿轧制方向呈纤维状分布。随着固溶温度的升高，保温时间的延长，合金中粗大残留相的数量有所减少，晶粒尺寸略有增加。且随着固溶温度的增加，保温时间的延长，合金中晶粒由原来拉长的纤维状向等轴状转变，并有所长大。

2.2 固溶处理对合金常规力学性能的影响

合金金相组织的变化必然会影响其力学性能，2E12铝合金常用状态为自然时效态，本文所提供力学性能均来自合金固溶淬火后经96h自然时效后状态。图4给出了合金经固溶处理后自然时效态的维氏硬度值。当保温时间一致时，合金的硬度值随固溶温度的升高而增大，但温度增加至508℃时略有下降。对于固溶温度为493℃和498℃的试样，自然时效后合金硬度值呈先增后降的趋势，保温40min时硬度值达到峰值。而对于固溶温度为503℃和508℃的试样，合金硬度值在20min时达到最大值，随保温时间的延长逐渐降低。

图4 不同固溶制度下2E12合金硬度值

合金的硬度一定程度上反映了其拉伸性能，为考察固溶温度对合金拉伸性能的影响，本实验选取40min作为保温时间，分别对不同加热温度固溶处理后合金进行拉伸性能测试，结果如表1所示。

主要试剂：血管紧张素转化酶(ACE)、马尿酸(标准品)、马尿酰-组胺-酰亮氨酸(HHL，标准品)：美国Sigma公司；L-亮氨酸(分析纯)；邻苯二甲醛(OPA，分析纯)、三氯乙酸(分析纯)、甲醇(分析纯)、乙腈(分析纯)：天津市富宇精细化工有限公司。

表1 不同固溶温度下固溶40min的拉伸性能

当保温时间为40min时，随着固溶温度的增加，合金的屈服强度及抗拉强度均呈现与硬度值变化一样的规律，固溶温度为503℃时合金表现出最高的强度。合金的伸长率随加热温度的升高不断增加。

由于合金在503℃时表现出最高的强度，进而对不同保温时间下合金的拉伸性能进行测试，结果如表2所示。随着保温时间的延长，合金的屈服强度，抗拉强度及伸长率均有一定程度的增加。

表2 2E12合金503℃下固溶后的拉伸性能

2.3 固溶处理影响合金拉伸性能规律

固溶处理对合金的组织产生影响，进而影响合金的拉伸性能。2E12合金作为可时效强化的铝合金，其力学性能的变化受到多方面因素的影响。对于合金的强度而言，其主要受到溶质原子在基体中的过饱和度、晶粒尺寸等因素的影响。溶质原子在基体中的过饱和度将影响合金的固溶强化效果及随后的时效强化效果。随着固溶温度的增加，保温时间的延长，富含溶质原子的残留相不断溶解至基体，使得位错运动阻力增加，进而使得合金屈服强度σ0.2增加。

此外，升高加热温度及延长保温时间将有助于溶质原子溶解，进而促进其在基体中的过饱和度。若提高固溶温度，延长保温时间，使得合金元素充分溶入基体，从而增加析出相数量，减小其尺寸，提高了时效强化效果，增强合金强度。

值得一提的是，对于加热温度为508℃的合金试样，其强度在相同保温时间（40min）下较503℃固溶处理试样有所下降，这主要是由于合金的晶粒尺寸长大而引起的软化。当固溶温度增加至508℃时，合金晶粒尺寸d值明显增大，从而导致合金强度σs降低。

此外，随加热温度的升高，保温时间的延长，合金的塑性得以不断改善。其原因主要有两点，一方面是金属的塑性变形主要通过位错运动来实现，合金中硬而脆的残留相的存在阻碍了位错运动，对塑性产生不利影响；另一方面，合金中存在的残留相在拉伸过程中不易产生变形，而容易成为断裂源，加速合金断裂。升温及延长保温时间均有利于粗大残留相的溶解，改善合金变形过程中的协调性。

3 结论

（2）应尽量溶解合金中粗大残留相，以提高合金塑性。

（3）太高的固溶温度及过长保温时间又将促进晶粒长大，导致合金强度下降。

参考文献

[1] 李成功，傅恒志，于翘，等.航空航天材料[M].北京：国防工业出版社，2002，28-38

[2] 杨胜.2E12铝合金服役环境下的损伤行为与耐损伤微观结构的研究[D].长沙，中南大学，2008

（编辑：余东梅）

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中图分类号：TG146.21，TG166.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4898（2014）06-0033-05

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.08

作者简介：汪磊（1981-），男，辽宁锦州人，工程师。

收稿日期：2014-10-30

Effect of Solution Treatment on Microstructure and Tensile Property of 2E13 Aluminum Alloy

WANG Lei1, ZHOU Ming-zhe2
(1. Southwest Aluminum(Group)Co.,LTD., Chongqing 401326,China; 2. College of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Abstract:Solution treatment would affect the microstructure of alloy, and then affect tensile property.

Keywords:2E12; solution treatment; microstructure; tensile property