孙晓丽，孙 亮

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝合金与航空工业的发展和应用关系密切，是飞机主要的结构材料[1]，将铝合金作为航空附件及仪表生产中的常用材料，一方面可以有效减轻重量，另一方面，由于铝合金的工艺生产方法简单，因此可降低飞机制造成本并可促进飞机的大批量生产。在众多铝合金中，2xxx系铝合金由于其较高的强度、较好的耐蚀性能以及优异的可焊性而被广泛应用[3]。Al-Cu-Mg系合金中，由于Fe和Si等杂质元素的存在，会在铝基体中形成脆性的杂质相，相颗粒粗大，会对Al-Cu-Mg合金的力学性能以及断裂韧性产生不良影响[2]。本文通过控制Fe和Si的成分，半连续铸造法得到了高纯度2024合金铸锭，并研究了预拉伸形变量对其性能的影响[4-6]。

1 实验材料和试验方法

本试验采用半连续铸造工艺方法形成高纯合金铸锭，其规格为Φ436mm；成分控制实测值(质量分数，%)为，Si≤0.20，Fe≤0.20，Mg 1.3～1.6，Cu 4.3～4.6，Mn 0.4～0.6，Zn 0.05～0.07，Ti≤0.02；并采用1级均匀性D类仪表均质炉对铸锭经均匀化处理。

采用55MN高精密单动反向挤压机进行工艺试制生产，型材断面为“T”字型，产品名义厚度为57mm。离线淬火采用Nabertherm 1级炉C类仪表卧式中试线装备进行热处理，固溶温度490℃～499℃，保温时间<3h。

淬火后在1.5h内采用6MN高精度全自动拉伸机进行预拉伸，并在拉伸前型材上画出1m长的标距，拉伸之后测量两标距之间的长度，即永久变形量=(拉伸后两标距间距离-1m)/1m ×100%，拉伸时采用平直钳口，同时采用专用垫块使型材在拉伸时受力均匀[4]，避免因受力不均而出现应力集中的现象，拉伸速率控制在10mm/s～15mm/s。

试样分组见表1。为保证数据测量具有稳定性及有效性，每组试样不低于5个测试点，并采用典型值进行表征。经自然时效96h后进行相关测试，其中力学检测设备为岛津100KN万能材料试验机，显微组织观察采用蔡司光学显微镜(OM)，超声波探伤设备为美国GE Krautkramer SUM，硬度测试设备为TH320型全洛氏硬度计ZX-LX-018。

表1 拉伸工艺参数

2 试验结果

2.1 力学性能测试

不同预拉伸永久变形量对高纯2024合金挤压型材力学性能的影响如图1所示。拉伸永久形变量在0%～3%时，高纯2024合金挤压型材的屈服强度随着永久形变量的增加呈现上升趋势，抗拉强度无提升，断后延伸率随着永久变形量的增加不断降低。由图1可看出，随着预拉伸量增加屈服强度具有一定线性关系，其线性拟合方程为，σ0.2= 29.64×ε+349.68；式中，σ0.2为屈服强度，MPa；ε为预拉伸永久变形量，%。

图1 预拉伸永久变形量对力学性能的影响Fig.1 Effect of pre-stretching permanent deformation on mechanical properties

2.2 洛氏硬度检测结果

随着永久变形量越大，高纯2024合金挤压型材的硬度越高，硬度变化趋势与屈服强度相同，且具有一定线性关系(图2)，其拟合方程为，HRB = 0.76×ε+76.19；式中，HRB为洛氏硬度；ε为预拉伸永久变形量，%。

图2 预拉伸永久变形量对硬度的影响Fig.2 Effect of pre-stretching permanent deformation on hardness

2.3 金相组织检测结果

不同预拉伸永久变形量对高纯2024合金挤压型材显微组织的影响如图3所示。图中，(a)为固溶后未进行预拉伸料样的晶粒组织，(b)(c)(d)的预拉伸永久变形量分别为0.5% ～ 1%、1.5 %～2%、2.5%～3%；其晶粒度等级均为6级，且均为挤压纤维状组织。

图3 高倍组织Fig.3 High magnification tissue

2.4 超声波检测结果

超声波检测试验方法按照ASTM B 594，检测结果皆满足A级要求。

3 分析与讨论

拉伸永久形变量在0%～3%时，高纯2024合金挤压型材的屈服强度随着永久形变量的增加呈现上升趋势，抗拉强度虽也有上升趋势但并不明显，断后延伸率随着永久变形量的增加不断降低。这说明对于高纯2024合金挤压型材来说，决定材料屈服强度的是其冷加工变形程度，而决定材料抗拉强度特性的则与材料本身的组织结构及化学成分有直接关系。冷加工增大了高纯2024合金挤压型材固溶组织中的位错密度，使脱溶相形核更为广泛和均匀，有利于合金强度的提高[6]。预拉伸对于高纯2024合金强度的提升在于位错密度的变化。2xxx系合金主要依靠过渡相沉淀强化，过渡相由于其较大的形核功，会优先在位错线和晶界上形核析出，而塑性形变在合金内部产生的大量位错就对过渡相的形成产生了强烈的推动作用[7]。因此，预拉伸会提高高纯2024合金挤压型材的强度，但是塑性会有所降低。随着预拉伸形变量的提高，高纯2024合金挤压型材的屈服强度和洛氏硬度都在不断升高，且屈服强度及洛氏硬度都与预拉伸形变量具有一定的线性关系，由此可推断洛氏硬度以及屈服强度之间也存在着一定的线性关系(图4)，将二者数据进行拟合，其结果为，σ0.2=HRB×39.05-2625；σ0.2为屈服强度，MPa；HRB为洛氏硬度。

图4 洛氏硬度与屈服强度的关系Fig.4 Relationship between rockwell hardness and yield strength

通过金相组织可以看出，产品经固溶处理后仍保持挤压型材特有的纤维状组织，且具有较高的晶粒度。这是由于采用单动等温反挤压工艺技术，与传统单动正向挤压相比，其减少了铸锭与筒壁之间的摩擦，进而减少了型材表层的畸变程度，减少了再结晶长大的驱动力。

从探伤结果看，型材经过挤压-固溶-预拉伸的工艺条件，在大拉伸量的条件下，组织无沿长度方向细微裂纹等缺陷。这是由于2xxx合金固溶后，其在一定时间内仍保持固溶态性能，具有强度低、塑性好等特点。因此，产品内部组织良好。

4 结论

(1)高纯2024合金挤压型材的屈服强度及硬度皆随着预拉伸永久形变量的增加而增加；断后延伸率随着预拉伸永久形变量的增加而减小；抗拉强度基本无影响；

(2)高纯2024合金挤压型材的屈服强度、洛氏硬度与预拉伸形变量之间具有线性关系，通过线性关系可对预拉伸装备选择和工艺设定具有指导作用；同时，对产品质量具有一定预判作用；

(3)由探伤结果可知，在固溶后1.5h以内进行预拉伸，可保证材料内部无缺陷。