預拉伸變形量對2219鋁合金組織與性能的影響

房 娃，楊 程，趙鴻飛，李繼光

(1.天津職業技術師范大學，汽車模具智能制造技術國家地方聯合工程實驗室，天津 300222;2.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引 言

2219鋁合金因具有強度高、塑性及可加工性好、焊接性好、耐腐蝕性能良好、低溫韌性優良等特點而成為航天運載火箭燃料貯存箱的主要應用材料[1-3]。運載火箭的燃料貯存箱是一種非常復雜的構件，不僅對材料的強度、剛度、塑性等基本力學性能具有較高的要求，而且對其加工工藝的要求也很高[4-6]。我國大型運載火箭燃料貯箱采用瓜瓣結構，由板材經多道次拉形成形而成。復雜瓜瓣拉形工藝通常包括中間退火或固溶工藝，這些中間熱處理過程可能導致材料組織異常粗大，使得零件外觀呈現出橘皮狀缺陷，并對材料的強度、塑性和韌性產生不良影響，甚至會影響產品的性能。在零件服役時，裂紋通常在晶粒粗大處萌生，進而導致零件的過早破壞[7-9]。在瓜瓣拉形過程中固溶前的預拉伸變形是導致合金組織出現粗晶的根本原因[10-11]。預拉伸變形量較小時，固溶處理后鋁合金的晶粒保持原來的狀態，而當預拉伸變形量增大到一定程度時，固溶處理后晶粒特別粗大，因此在預拉伸時應盡量控制其變形量[11-12]。目前，國內外已對預拉伸與固溶處理后鋁合金中粗晶的產生機制及影響因素進行了相關研究。李小強等[12]研究了預變形量對固溶處理后LY12鋁合金晶粒度的影響，發現當預變形量小于4%時，固溶前道次變形量的制定不需考慮粗晶的影響，而當預變形量大于4%時，則需考慮粗晶影響。SACHTLEBER等[13]通過板材單向拉伸試驗建立了6022-T4鋁合金板預變形量與晶粒度的關系。但是上述相關研究僅局限于部分型號鋁合金，目前缺乏預拉伸變形量對2219鋁合金晶粒度影響的研究。因此，作者對退火態2219鋁合金板進行預拉伸變形，然后進行固溶與時效處理，研究了預拉伸變形量對鋁合金組織及拉伸性能的影響，探討了預拉伸變形后晶粒的長大行為，擬為控制粗晶產生工藝的制定提供依據，并指導實際生產。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為西南鋁業提供的退火態2219鋁合金板，厚度為6 mm，其化學成分如表1所示。在試驗材料上截取平面尺寸為500 mm×1 000 mm的試樣，在FLD-1500型蒙皮拉伸設備上沿長度方向進行室溫預拉伸變形，拉伸速度為1 mm·s-1，單道次預拉伸變形量分別為0，3.0%，3.5%，5.0%。預拉伸變形后進行固溶處理，溫度為535 ℃[14]，保溫時間為3035 min，水冷，然后進行175 ℃×18 h的時效處理，空冷。

表1 2219鋁合金的化學成分(質量分數)

在經預拉伸變形與固溶處理的試樣上沿拉伸方向截取金相試樣，經打磨、拋光，用Keller試劑腐蝕5 s后，立即用體積分數20%的硝酸酒精溶液擦拭表面，然后用大量水清洗表面，采用AXIOVERT 200 MAT型光學顯微鏡觀察顯微組織。按照GB/T 6394-2002，在晶粒度統計軟件中采用截線法分析數量超過500個晶粒的尺寸，獲得晶粒的平均截距，即晶粒平均尺寸。按照GB/T 228.1-2010，在時效處理后的試樣上截取狗骨頭形拉伸試樣，試樣標距部分的尺寸為50 mm×30 mm×6 mm，在Instron-5500型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，應變速率為10-3s-1。

為了觀察固溶時鋁合金中晶粒的異常長大現象，將預拉伸變形量為5.0%的鋁合金板切成0.3 mm薄片，拋光后放置在Zeiss-Axioplan2型高溫光學顯微鏡的加熱臺上，以10 ℃·min-1的升溫速率加熱到535 ℃，采用原位觀察法研究晶粒大小隨溫度的變化情況。

2 試驗結果與討論

2.1 預拉伸變形量對顯微組織的影響

由圖1可以看出：經預拉伸變形與固溶處理后，試驗合金的組織中彌散分布著少量析出相，組織較均勻；當預拉伸變形量不大于3.5%時，試驗合金的晶粒尺寸變化不大，而當預拉伸變形量為5.0%時，晶粒尺寸明顯增大。

由圖2可以看出：當預拉伸變形量不大于3.5%時，經固溶處理后試驗合金的平均晶粒尺寸基本不變，約為0.1 mm，這是因為試驗合金板為細晶板，此時雖然板材經過預變形而使晶體內產生一定位錯，從而存儲一定的能量，但是這些能量仍不足以使其晶粒明顯長大；當預拉伸變形量為5.0%時，晶粒明顯長大，其平均晶粒尺寸為1.66 mm，這是因為此時試驗合金晶粒內部產生大量的位錯，從而儲存大量的能量，促進了晶粒的長大。

圖1 不同變形量預拉伸與固溶處理后試驗合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of test alloy after pre-tension with different deformation and solution treatment

圖2 不同變形量預拉伸與固溶處理后試驗合金的平均晶粒尺寸Fig.2 Average grain size of test alloy after pre-tension with different deformation and solution treatment

2.2 預拉伸變形量對拉伸性能的影響

圖3 不同變形量預拉伸與固溶時效處理后試驗合金的拉伸 工程應力-工程應變曲線Fig.3 Tensile engineering stress-engineering strain curves of test alloy after pre-tension with different deformation and after solution and aging treatment

圖4 不同變形量預拉伸與固溶時效處理后試驗合金的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of test alloy after pre-tension with different deformation and after solution and aging treatment

不同變形量預拉伸與固溶時效處理后試驗合金的拉伸工程應力-工程應變曲線如圖3所示，計算得到試驗合金的拉伸性能如圖4所示。由圖4可以看出：隨著預拉伸變形量的增加，固溶時效處理后試驗合金的屈服強度和抗拉強度均先增大后減小；預拉伸變形量為3.0%時試驗合金的屈服強度和抗拉強度最大，分別為320，434 MPa，預拉伸變形量為5.0%時，試驗合金的屈服強度和抗拉強度最小，分別為295，397 MPa。預拉伸變形量為5.0%時試驗合金的晶粒突然長大，鋁合金的強度和晶粒尺寸滿足霍爾-佩奇關系，因此強度明顯降低[15-16]。預拉伸變形量對試驗合金斷后伸長率的影響并不明顯，這是因為雖然經預拉伸處理與固溶處理后等軸晶粒沿著預拉伸方向出現較小程度的拉長現象，但晶粒尺寸仍較均勻，因此預拉伸變形量對斷后伸長率的影響較小[17]。

2.3 預拉伸變形5.0%時的晶粒長大行為

圖5中選定的A區為含細小晶粒的區域，B區為含粗大晶粒的區域，C區為含十分粗大晶粒的區域。由圖5可以看出：在加熱溫度低于516 ℃時，A,B,C區域晶粒之間的相對位置變動很小，說明合金的晶粒長大現象不明顯；當加熱溫度為525 ℃時，晶界突然變得模糊，隨著溫度升高到535 ℃，晶界變得更加模糊而難以觀察到單獨晶粒，這表明晶粒從溫度為525 ℃開始瞬時快速長大；在535 ℃保溫3 min和6 min后，晶粒長大現象更加明顯。上述晶粒長大現象可以描述為：在加熱溫度低于525 ℃時，晶粒長大現象不明顯，當溫度高于525 ℃后，晶粒瞬時迅速長大，在535 ℃保溫6 min后，晶粒可長大到原晶粒尺寸的數倍，同時晶粒尺寸差別更大。這種晶粒長大現象與2219鋁合金中存在大量θ相粒子及晶界元素偏聚有關[15]，且前者對晶粒遷移的阻礙作用大于后者的阻礙作用。θ相作為合金的主要強化相，主要分布在晶內和晶界。晶界在遷移時會受到θ相粒子的釘扎作用，導致其遷移的阻力很大。隨著溫度的升高，晶界表面能提高，當表面能大于粒子的釘扎作用后，晶粒迅速沖破粒子的束縛，同時擺脫了元素偏聚區對晶界長大的束縛；在沖破束縛后的晶界遷移過程中，晶界元素偏聚區并不會阻礙晶界運動，因此晶界快速遷移，小晶粒迅速合并長大為粗大晶粒。

圖5 預拉伸變形5.0%后試驗合金在升溫過程中及在535 ℃保溫不同時間時的晶粒形貌Fig.5 Grain morphology of test alloy after pre-tension with deformation of 5.0% during heating (a-h) and after holding at 535 ℃ for different times (i-j)

3 結 論

(1) 當預拉伸變形量不大于3.5%時，經固溶處理后試驗合金的平均晶粒尺寸基本不變，約為0.1 mm，當預拉伸變形量達到5.0%時，晶粒尺寸明顯增大，平均晶粒尺寸為1.66 mm；當預拉伸變形量小于3.5%時，在2219鋁合金瓜瓣結構多道次拉形中道次變形量的制定不需考慮粗晶的影響，而預拉伸變形量大于3.5%時，道次變形量的制定需考慮粗晶的影響。

(2) 隨著預拉伸變形量由0增加到5.0%，經固溶時效處理后試驗合金的屈服強度和抗拉強度均先增大后減小；預拉伸變形量為3.0%時試驗合金的屈服強度和抗拉強度最大，分別為320，434 MPa，預拉伸變形量為5.0%時，試驗合金的屈服強度和抗拉強度最小，分別為295，397 MPa。

(3) 經過變形量為5.0%的預拉伸后，在加熱溫度低于525 ℃時，試驗合金中晶粒長大現象不明顯，當溫度高于525 ℃后，晶粒瞬時迅速長大，在535 ℃保溫6 min后，晶粒可長大到原晶粒尺寸的數倍，同時晶粒尺寸差別更大。