兩種2026-T3511鋁合金型材力學(xué)性能對(duì)比

李 東

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 材料工程部，上海 201210)

2026鋁合金作為替代2024和2224鋁合金的新型鋁合金，具有比2024和2224鋁合金更更低的Fe、Si含量，更高的強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能，更佳的服役性能，是一種應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的先進(jìn)鋁合金結(jié)構(gòu)材料[1-4]。

孫有政，曹善鵬等研究了影響2026鋁合金型材粗晶環(huán)的因素[5]。蔣鼎邦, 潘清林研究了均勻化處理對(duì) 2026 鋁合金微觀組織的影響[6]。目前針對(duì)組織和強(qiáng)化相對(duì)2026鋁合金型材力學(xué)性能的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道,因此本文作者對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，旨在對(duì)2026鋁合金型材的自主可控研制及其建立飛機(jī)用疲勞設(shè)計(jì)值提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用2026-T3511鋁合金型材來(lái)源于兩家不同的供應(yīng)商，分別代稱A公司的和B公司的，兩家公司均生產(chǎn)如圖1所示滿足AMS4338材料規(guī)范的2026-T3511鋁合金T字形型材。對(duì)兩家公司的型材進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測(cè)。成分分析按照ASTM E1251的要求進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)按照ASTM B557 的要求分別測(cè)量縱向和長(zhǎng)橫向試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率。采用AXIO IMAGER.M2m型金相顯微鏡在型材中心區(qū)域進(jìn)行金相組織觀察。在2026-T3511鋁合金型材頭端(如圖1)寬41 mm表面位置向下5 mm截面處取樣，將樣片手工磨至厚度約40 μm～50 μm時(shí)，通過(guò)沖孔機(jī)得到Φ3 mm圓片，將沖下圓片在雙噴儀減薄至穿孔。采用JEM-2100F型透射電鏡對(duì)試樣減薄區(qū)進(jìn)行顯微組織觀察。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E466《金屬材料力控制軸向等幅疲勞試驗(yàn)實(shí)施規(guī)程》的試驗(yàn)方法對(duì)兩家2026-T3511 鋁合金型材進(jìn)行了高周疲勞試驗(yàn)。高周疲勞試樣所用試樣如圖2所示。取樣位于圖1型材27.5 mm厚度的1/2厚度處，應(yīng)力集中因子Kt=2.5，三種應(yīng)力比R分別為-1、0.06、0.5。

圖1 試驗(yàn)用2026鋁合金型材截面圖Fig.1 The cross section of 2026 extrusion for testing

圖2 中心開(kāi)孔試樣Fig.2 Specimen with the central hole

1)用成組法測(cè)定S-N曲線

對(duì)于中壽命區(qū)(疲勞壽命為104～106次)，采用成組試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定3個(gè)應(yīng)力水平下(應(yīng)力水平使中值疲勞壽命分別為5×104、1×105、5×105次左右)的疲勞壽命，每個(gè)應(yīng)力水平至少3根試樣，計(jì)算變異因子，應(yīng)滿足95%置信度的要求，否則應(yīng)繼續(xù)試驗(yàn)，但每個(gè)應(yīng)力水平下的有效試樣數(shù)最多不超過(guò)6根。用三參數(shù)模型采用非線性模型進(jìn)行S-N曲線擬合。

2)用升降法測(cè)定材料的疲勞極限

采用升降法測(cè)定107次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，4個(gè)升降對(duì)，4級(jí)左右應(yīng)力水平，有效試樣數(shù)至少10根。根據(jù)成組法試驗(yàn)最后一級(jí)的應(yīng)力水平適當(dāng)減小后，作為升降法第一根試樣進(jìn)行升降法試驗(yàn)。升降法中應(yīng)力水平增量大約為預(yù)計(jì)疲勞極限值的3%～6%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)測(cè)2026-T3511鋁合金型材的化學(xué)成分如表1所示。力學(xué)性能如表2所示。由表1可知，B公司的2026-T3511鋁合金型材中Fe、Si和Zn三種雜質(zhì)元素含量比A公司的低，而Cu、Mg含量較高，Ti、Zr含量則相當(dāng)。

表1 2026-T3511鋁合金型材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 2026-T3511 Al alloy profiles(wt/%)

由表2可見(jiàn)，A公司的2026-T3511鋁合金型材的縱向強(qiáng)度略高于B公司的。B公司型材的縱向/長(zhǎng)橫向的屈服強(qiáng)度比為1.16，抗拉強(qiáng)度比為1.12；A公司型材的縱向/長(zhǎng)橫向的屈服強(qiáng)度比為1.30，抗拉強(qiáng)度比為1.22。說(shuō)明A公司型材的各向異性更強(qiáng)，B公司的型材更趨近于各向同性。

表2 2026-T3511鋁合金型材室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile testing result of 2026-T3511 Al alloy extrusion at room temperature

圖3為2026-T3511鋁合金型材中心區(qū)域金相組織。由圖3可見(jiàn)，B公司和A 公司的型材橫截面組織均為等軸晶；B公司的型材橫截面的等軸晶尺寸更大，且已部分發(fā)生再結(jié)晶；A公司的型材晶粒比B公司的更加細(xì)小均勻。按照AMS4338規(guī)范，兩者的熱處理工藝都采用AMS2772進(jìn)行熱處理，兩者最大不同在于擠壓和預(yù)拉伸工藝(A公司和B公司相比，采用更大擠壓筒直徑和更大擠壓比，同時(shí)預(yù)拉伸范圍值也高于B公司的)，最終擠壓和預(yù)拉伸生產(chǎn)工藝的不同以及和熱處理工藝的匹配使A公司的型材縱向性能更好，長(zhǎng)橫向性能相當(dāng)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度差距不大。

圖3 型材橫截面的金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructures of profile cross section

圖4為2026-T3511鋁合金型材透射電鏡照片。由圖4可見(jiàn)，T3511狀態(tài)的2026鋁合金在固溶淬火后自然時(shí)效前經(jīng)過(guò)較大變形量的拉伸，會(huì)產(chǎn)生較多的位錯(cuò)線與位錯(cuò)環(huán)。自然時(shí)效過(guò)程中，時(shí)效相優(yōu)先在位錯(cuò)線和位錯(cuò)環(huán)上析出，形成線狀或環(huán)狀的析出強(qiáng)化相。與文獻(xiàn)[7-8]中的2×××系鋁合金的析出強(qiáng)化相的投射電鏡照片類似，時(shí)效析出相以θ(Al2Cu)和 S(CuMgAl2)為主。對(duì)比圖3透射電鏡照片，A公司的型材組織中沿位錯(cuò)線析出的強(qiáng)化相多于B公司型材的，印證了A公司的型材縱向力學(xué)性能略高于B公司的。

圖4 2026-T3511鋁合金型材透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM images of 2026-T3511 Al alloy profiles

2026-T3511鋁合金型材的S-N曲線如圖5所示。表3為兩個(gè)公司的2026-T3511鋁合金型材的疲勞極限對(duì)比。

圖5 2026-T3511鋁合金型材的疲勞S-N曲線Fig.5 The fatigue S-N curves of 2026-T3511 aluminum alloy profiles

表3 兩種2026-T3511鋁合金型材的疲勞極限對(duì)比Table 3 The comparative table of fatigue limits of2026-T3511 aluminum alloy profiles

由圖5和表3表明，應(yīng)力比R=Smin/Smax越小，疲勞極限越低。同樣Kt=2.5的試樣，A公司2026-T3511鋁合金型材的疲勞極限都要稍大于B公司型材的，應(yīng)力比R對(duì)疲勞壽命的影響和對(duì)疲勞極限的影響相同。主要原因有三個(gè)：一是A公司型材擁有更高的屈服極限，使其疲勞極限門(mén)檻更高；第二是A公司型材有更多的時(shí)效強(qiáng)化相，更多的時(shí)效強(qiáng)化相S相(CuMgAl2)對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程中起到了阻礙作用，位錯(cuò)在細(xì)小強(qiáng)化相附近被釘扎，裂紋需要繞開(kāi)更多的強(qiáng)化相進(jìn)行擴(kuò)展；三是B公司型材中Fe、Si含量更低，使Fe、Si化合物脆性相較少，有利于部分改善疲勞性能，這也是兩個(gè)公司型材的疲勞極限大體相當(dāng)?shù)脑颉?/p>

3 結(jié) 論

1)細(xì)小均勻的晶粒，以及未產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶的等軸晶組織有利于2026-T3511鋁合金型材縱向拉伸性能的提高，更多的析出強(qiáng)化相也會(huì)提高合金強(qiáng)度，使A公司2026-T3511鋁合金型材具有更好的力學(xué)性能。

2)當(dāng)應(yīng)力集中因子相同時(shí),2026-T3511鋁合金型材疲勞極限隨著應(yīng)力比的增大而升高。更多時(shí)效析出強(qiáng)化相能夠更強(qiáng)烈地釘扎位錯(cuò)并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，A公司型材的疲勞極限都要大于B公司型材的； 但Fe、Si雜質(zhì)元素含量越低越有利于改善2026-T3511鋁合金的疲勞性能，最終A公司型材的疲勞極限并不顯著大于B公司型材的。