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摘要：针对轧制工艺对2219铝合金板材力学性能的影响加以分析，以2219铝合金轧制板材的显微组织观察和力学性能测试的方式，明确其轧制工艺对其板材显微组织和力学性能的影响，保证其应用的效果与作用价值。
关键词：轧制工艺；2219铝合金板材；力学性能
2219铝合金属于Al-Cu系可热处理强化铝合金，是美国20世纪50年代后期研制的一种铝合金。因其高的强度，优良的焊接性能，高的断裂韧性，超好的耐低温性能（可在-270～300℃服役）使其从问世不久便投入到航天生产中，主要应用于航天火箭焊接氧化剂槽，飞机蒙皮及其结构零件等，比如我国大型运载火箭及相关型号的航天器推进剂贮存箱的瓜瓣件等，加强其力学性能的研究对相关工艺技术发展能够产生重要影响。
1试验材料和方法
试验铸锭是将99.9%高纯铝以及工业纯铜和锰剂等中间合金按一定的比例熔炼，采用电磁搅拌凝固技术浇注而成。试验所用2219铝合金的化学成分和标准要求成分如图1所示。
图1 2219铝合金实验铸锭及标准要求的化学成分
将铸锭在530℃均匀化处理10h后随炉冷却，再进行切割处理，然后铣面至15mm厚的板坯。板材分3批进行轧制试验,试验采用先热轧再冷轧的轧制工艺，3种工艺的总压下率相同但道次压下率不同[1]。热轧前先将3批板材均置于保温炉内在480℃下预热2h，进行轧制。每个道次热轧后在480℃保温12～15min，轧至5mm或4mm后在水中冷却到室温再进行冷轧，最终轧至1mm厚。冷轧后的板材均在415℃下进行再结晶退火2h，最后进行T87热处理（545℃×30min固溶＋水淬＋180℃×18h人工时效）[2]。
热处理后板材沿轧制方向取样，经镶样、粗磨、精磨、抛光后用keller试剂腐蚀10～15s，运用OLYMPOS-DSX500光学显微镜进行金相显微组织观察[3]。采用配有能谱分析系统的Sirion200型场发射扫描电子显微镜观察分析合金的拉伸断口形貌[4]。拉伸试样按照GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》来制备，试验依据GB/T228.1- 2010《金属拉伸试验方法》进行。在计算机控制的CRIMS-DDL100电子万能试样机上进行拉伸，加载速率为2mm/min，试样的原始标距为25mm，对应试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率采用3个试样的数据平均值来确定。用华银HV-5型小负荷维氏硬度计对各组板材进行测量，每个试样在测量时取五个点，最后得到硬度平均值。
2试验结果
2.1 2219铝合金板材的显微组织
2219铝合金板材经3种不同工艺轧制并进行相同后续热处理的显微组织如图2所示。由图2可以看出，热处理后3种不同轧制工艺下板材的显微组织明显不同。图2（a）中，A板晶粒平均尺寸粗大且大小异常不均匀，晶粒尺寸最大达200μm以上，大部分存在异常长大现象。第二相粒子明显不均匀地分布在晶粒内，同时大部分晶界轮廓分明，说明晶界上存在大量第二相团聚现象；图2（b）中，B板晶粒虽然较A板晶粒细小，尺寸最大为150μm左右，但还是不均匀分布，部分有异常长大现象。另外，第二相粒子分布较A板均匀一些，但仍存在不均匀现象，特别是在局部晶界上仍然存在第二相团聚现象；而图2（c）中，C板的晶粒比A、B板晶粒细小得多，最大晶粒尺寸仅70μm，且分布非常均匀多呈等轴晶。金相图中晶粒内第二相粒子表征不明显，尺寸明显细小得多，大多数晶界轮廓不分明且其上第二相团聚现象较少。
图2 3种2219铝合金轧制板材热处理后的显微组织
2.2 2219铝合金板材力学性能
2219铝合金板材经3种不同工艺轧制并相同后续热处理的力学性能也会所差异。2219铝合金板材在C板轧制工艺下具备最好的综合力学性能，在拥有高强度高硬度的同时，还能够保持较好的塑性。
3分析与讨论
在3种不同道次压下率的轧制工艺下，虽然总压下率和后续热处理相同，但是板材的显微组织和力学性能都存在显著差异，C板晶粒较A、B板晶粒明显细小（见图2）。根据Hall-Petch关系，平均晶粒尺寸越细小，相应的晶界越多，晶界总面积越大，对位错的滑移阻力越大，位错在晶界处聚集的也越多，从而使材料的屈服强度越高。
此外晶粒越细小，单位面积内晶粒数量越多，拉伸时同样的形变量可分散到更多的晶粒中，产生的形变也更均匀，这样不会使晶粒内局部应力过度集中而引起裂纹的过早产生与发展；同时晶粒越细小，单位体积内晶界面积越大，形状越曲折，越不利于裂纹的扩展，从而提高材料塑性。因此，轧制过程中道次压下率的增加会使板材晶粒更加细小均匀，提升材料的强度和塑性，同时轧制过程中会引入大量的位错，位错密度的增加和在大面积晶界处的聚集又会进一步提升合金强度，但是位错的继续塞积会导致微裂纹尖端的应力集中，降低材料的塑性。
另外，轧制道次压下率不同，第二相粒子的破碎程度也不同，因此，3种轧制工艺下第二相粒子的大小和分布存在很大差异。2219铝合金中的主要强化相为θ（CuAl2）相，其具有很高的时效硬化能力和热稳定性。经热处理后，A、B板（见图2（a）、（b））的第二相粒子较C态粗大且晶界上有第二相粒子团聚现象，说明道次压下率的增加使得析出的第二相粒子更细小、密集，细小密集的θ（CuAl2）相会增加合金的强度。相反，粗大的θ（CuAl2）相会在合金晶粒内特别是晶界上成为裂纹源，引起局部较大应力的集中，从而在变形过程中优先开裂，导致合金的强度下降。而C板θ（CuAl2）相粒子非常细小且基本分布在晶界内（见图1（c）），变形过程中能很好地阻碍位错的移动，对合金有很好的强化作用，从而使合金的力学性能提高。
总之，2219合金板材的强度和塑性主要与晶粒的尺寸及第二相粒子的尺寸和分布有关，即板材晶粒尺寸越小越均匀，第二相粒子尺寸越细小且分布越均匀，其综合力学性能越好。因此，大的轧制道次压下率轧制的板材塑性提高是细晶的结果，强度提高则是形变强化、细晶强化和析出相强化综合作用的结果。
4结论
（1）经不同道次压下率轧制的2219铝合金板材显微组织存在显著差异。先进行道次压下率为40%、22%、28%的热轧，再进行道次压下率为20%、25%、35%、23%的冷轧板材的晶粒最为细小，第二相粒子更加细小，且分布更加均匀。其综合力学性能最好，抗拉强度为406.4MPa，屈服强度为312.2MPa，伸长率为13.4%，硬度为169.6HV。
（2）2219铝合金板材的力学性能主要与晶粒及第二相粒子的尺寸和分布有关，即板材晶粒尺寸和第二相粒子尺寸越细小且分布越均匀，其综合力学性能越好。
（3）轧制过程中大道次压下率的板材综合力学性能的提高是形变强化、细晶强化和析出相强化综合作用的结果。
参考文献
[1]黄元春,刘翔,刘宇,等.轧制工艺对2219铝合金板材力学性能的影响[J].热加工工艺,2016,45(21):1-4.
[2]刘静,赵迪.基于云计算的铝合金宽幅板材轧制工艺优化[J].热加工工艺,2015,44(13):133-136.
[3]陈建,高云.汽车用高强5754铝合金的轧制工艺[J].锻压技术,2014,39(05):78-81.
[4]张宏亮,王海滨,徐克宇,等.一种7×××铝合金板材大铸锭顺向轧制工艺研究[J].有色金属加工,2012,41(05):23-25.
论文作者:熊幸,刘爽,许洋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/29
标签：晶粒论文; 板材论文; 铝合金论文; 粒子论文; 细小论文; 工艺论文; 合金论文; 《防护工程》2018年第4期论文;