EP0731185B1 - Aluminium-Kupfer-Magnesiumbleche mit niedrigen Restspannungen - Google Patents

Aluminium-Kupfer-Magnesiumbleche mit niedrigen Restspannungen Download PDF

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EP0731185B1
EP0731185B1 EP19960420077 EP96420077A EP0731185B1 EP 0731185 B1 EP0731185 B1 EP 0731185B1 EP 19960420077 EP19960420077 EP 19960420077 EP 96420077 A EP96420077 A EP 96420077A EP 0731185 B1 EP0731185 B1 EP 0731185B1
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quenched
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Fabrice Heymes
Philippe Lequeu
Guy-Michel Raynaud
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Constellium Issoire SAS
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Pechiney Rhenalu SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium

Definitions

  • the invention relates to heavy plates (thickness> 12 mm), medium (thickness between 3 and 12 mm) or thin (thickness between 0.5 and 3 mm) made of aluminum alloy
  • High strength Al-Cu-Mg belonging to the 2000 series according to the designations of the Aluminum Association of the USA, presenting after quenching a low level of residual stress, everything keeping static mechanical characteristics (breaking strength, elastic limit and elongation) high, very good damage tolerance, low crack propagation speed and good resistance to fatigue, this set of properties being particularly suitable for their use in aeronautical construction.
  • Document US-A-3826688 discloses, for example, an Al alloy sheet with 4.15% Cu, 1.09% Mg, 0.05% Si, 0.06% Fe and 0.27% Mn. These sheets can be used bare or plated with a other aluminum alloy having, for example, better resistance to corrosion.
  • each alloy has a critical quenching speed; if it cools less quickly than this critical speed, there is a decomposition of the solid solution resulting in a significant drop in the final mechanical characteristics as well as in the tolerance for damage. It is therefore necessary to soak faster than this critical speed, but there is no point in going much further, because we know that the more intense the cooling, the higher the internal stresses. There is thus a compromise to be found to optimize the quenching of the sheets with cooling which avoids any reduction in the final mechanical characteristics and minimizes the internal stresses.
  • the object of the invention is to obtain, on sheets of alloy with structural hardening of the Al-Cu-Mg type, a reduced level of residual stresses after quenching, while maintaining static mechanical characteristics (resistance to breaking, elastic limit and elongation) and fatigue as high as that of current alloys, and in improving, for heavy plates, the tenacity in the different directions and the cracking speed in them long-through (L-T) and cross-long (T-L) directions, with nothing change however to commonly used procedures for quenching and stress relieving.
  • Heavy plates of thickness> 20 mm made of an alloy with less than 0.2% Fe have, in the quenched and drawn state, tenacities measured by the critical stress intensity factor in plane deformation K 1c in the directions LT and TL respectively greater than 35 and 32 MPa m , and preferably greater than 40 and 35 MPa m .
  • these tenacities are respectively greater than 28 and 25 MPa m , and preferably greater than 32 and 28 MPa m .
  • the toughness measured in the S-L direction for sheets > 35 mm thick are greater than 22, and preferably 24 MPavm, in the quenched, tracted state, and greater than 18, and preferably 20 MPavm, in the quenched, drawn and tempered state.
  • Sheets with a thickness of less than 20 mm have a tenacity measured by the critical stress intensity factor in plane stress K cb , in the TL direction, greater than 110 MPavm. It is measured on a test piece 405 mm wide, with a notch length of 100 mm, and a thickness equal to that of the sheet up to 6 mm and 6 mm beyond, this thickness being obtained after surfacing symmetrical.
  • the inventors Unlike the lines of research of the prior art, the inventors have sought stress reduction residual at metallurgical parameters intervening upstream of the quenching.
  • compositions according to the invention By adjusting the hot rolling outlet temperature, obtains with the compositions according to the invention a largely recrystallized microstructure, with a rate of recrystallization always greater than 50% and a gradient of recrystallization between the surface and the core of the sheet always less than 35%. This is particularly remarkable for thick sheets which, at mid-thickness, a clearly more recrystallized structure than the sheets of the prior art of the same composition in elements major.
  • the inventors have found a positive influence of the composition according to the invention on the transverse elongation of the sheet, contrary to the generally accepted idea of an effect favorable for the high contents of Mn and Fe on this elongation, since the fine manganese precipitates allow to homogenize the deformation by limiting the formation of deformation bands. Likewise, it was generally accepted by metallurgists that, for thin or medium sheets, a highly recrystallized and fine-grained structure, recognized as being beneficial to elongation, was rather obtained with high Mn and Fe contents.
  • the drop in the Mn - 2Fe content below the threshold of 0.2% duct not only to a reduction of stresses residuals resulting in better machining stability, but also to a set of job properties particularly interesting for construction aeronautics.
  • This deflection is measured in the following manner.
  • two bars one called bar direction L, of length b in the direction of the length of the sheet (direction L), width 25 mm across the width of the sheet (direction TL) and thickness e according to the full thickness of sheet metal (TC direction); the other, called TL sense bar, having 25 mm in the L direction, b in the TL direction and e in the TC direction.
  • the length b of the bars is 5th + 20 mm. Machining is a progressive mechanical machining with passes of approximately 2 mm.
  • the length b of the bar is 400 mm and the length l used to measure the arrow is fixed at 300 mm.
  • the machining is a machining mechanical with 1 mm passes. Below 8 mm, the machining is chemical in a soda bath. One of the faces of the bar is protected with a flexible plastic mask deposited before the test. The sample is taken out of the bath attack and its thickness is checked every 15 min.
  • the method is slightly different.
  • the deflection measurement is performed with the bar placed on the edge (length, half thickness) on a sheet of graph paper, itself placed on a horizontal surface, which allows the deflection to be measured at 0.5 mm, removing the influence of the self-weight of the bar and the force of the comparator on the arrow at mid-length.
  • the arrows measured on the bars in the long direction and in the cross direction of the rolling are such that: (arrow direction L) ⁇ 1.5 (arrow direction TL)
  • the invention also applies to alloy products aluminum other than sheets, for example products spun, forged or stamped.
  • the thickness e of the bar is the local thickness of the part, and, if this thickness is not constant, surfacing can be used to have a bar of constant thickness for the measurement of the arrow.
  • Figures 1 to 10 show the comparative results mentioned in the 3 examples so as to show the properties improvements brought by the sheets according to the invention.
  • Figures 1 and 2 show the improvement in stability at machining in the long direction (L) and in the cross-long direction (TL) for heavy plates.
  • Figure 3 shows for these sheets the improvement in the isotropy of the machining stability between directions L and TL.
  • Figures 4, 5 and 6 show for these same sheets improving the tenacity in the L-T, T-L and S-L directions.
  • FIG. 7 illustrates the results of fatigue resistance.
  • Figure 8 shows the improvement in speed cracking.
  • Figure 9 shows the improvement in elongation in the TL direction on thin sheets.
  • Figure 10 shows improvement in machining stability for thin sheets.
  • Figures 11 and 12 illustrate the results for the machining stability and cracking rates for medium sheets.
  • compositions of the cast alloys were as follows: Alloy Yes Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr A1 0.11 0.23 4.32 0.63 1.43 0.022 0.11 0.02 0.014 A2 0.08 0.17 4.52 0.52 1.40 0.008 0.10 0.02 0.002 A3 0.08 0.16 4.48 0.51 1.41 0.007 0.08 0.02 0.002 A4 0.08 0.15 4.32 0.37 1.29 0.005 0.05 0.02 0.001 AT 5 0.08 0.16 4.44 0.54 1.30 0.008 0.08 0.02 0.002
  • 2024 type alloy plates were poured semi-continuously that we've been subjected to a classic transformation range of thin clad sheets, namely: reheating, co-laminating hot with 2 cover sheets in 1070 alloy, cooling, cold rolling, dissolving, quenching cold water, finishing by leveling and controlled traction, maturing at room temperature. Sheets are thus obtained 1.6 mm thick in T351 state, with, on each side, a plating thickness representing 5% of the thickness of the sheet metal.
  • compositions of the 2024 alloy were as follows: Alloy Yes Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr A6 0.09 0.19 4.38 0.63 1.50 0.013 0.10 0.024 0.014 A7 0.079 0.17 4.36 0.52 1.30 0.012 0.013 0.022

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Claims (35)

  1. Aluminium-Kupfer-Magnesiumblech AlCuMg, behandelt durch Lösungsglühen, Abschrecken, kontrolliertem Recken, Kaltauslagerung und eventueller Warmauslagerung, mit einer Dicke von > 0,5 mm, zusammengesetzt aus (% in Gewicht) :
    3,5 < Cu < 5,0
    1,0 < Mg < 2,0
    Si < 0,25
    Fe < 0,25
    Mn < 0,55
    andere Elemente, insgesamt : < 0,25
    mit 0 < Mn - 2 Fe < 0,2
    Rest Al
       eventuell mit einer anderen Aluminiumlegierung plattiert, wobei die Gesamtdicke der Plattierung höchstens 12 % der Gesamtdicke des plattierten Bleches beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass es an jeder Stelle eine Rekristallierungsrate von > 50 % und eine Abweichung von dieser Rate zwischen der Oberfläche und der halben Dicke von < 35 % aufweist, sowie eine Durchbiegung nach Bearbeitung auf halber Dicke eines auf 2 nach einer Länge l beabstandenden Trägern ruhenden Stabs wie :
    fe < 0,14 l2
       wobei f die in Mikronen ausgedrückte Durchbiegung, e die Dicke des Bleches in mm und l die Länge des Stabs in mm ist.
  2. Blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass fe < 0,09 l2.
  3. Blech nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass :
    fe < 0,06 l2.
  4. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem Fe < 0,20.
  5. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem Si < 0,17.
  6. Blech nach Anspruch 5, in dem Si < 0,10.
  7. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem Cu < 4,0.
  8. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem Mg < 1,5.
  9. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mn < 0,4.
  10. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das zwischen den auf mittlerer Dicke in den Richtungen L und TL bearbeiteten Stäben folgende Isotropie der Durchbiegungen nach Bearbeitung aufweist : (Durchbiegung Stab L) < 1,5 x (Durchbiegung Stab TL).
  11. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es im abgeschreckten und gereckten Zustand eine Dehngrenze in Richtung TL von > 290 MPa aufweist.
  12. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 10,das im abgeschreckten, gereckten und warmausgelagerten Zustand eine Dehngrenze in Richtung TL von > 400 MPa aufweist.
  13. Plattiertes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 10,das im abgeschreckten und gereckten Zustand eine Dehngrenze in Richtung TL von > 270 MPa aufweist.
  14. Plattiertes Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das im abgeschreckten, gereckten und vergüten Zustand eine Dehngrenze von > 380 MPa aufweist.
  15. Blech nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer derartigen Ermüdungsfestigkeit, dass die pro einem gegebenen Zyklus akzeptierbaren maximalen Spannungen jeweils höher sind als :
    295 MPa bei 104 Zyklen
    160 MPa bei 105 Zyklen
    100 MPa bei 106 Zyklen
    100 MPa bei 107 Zyklen
  16. Blech mit einer Dicke von > 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das im abgeschreckten gereckten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung L-T von > 35 Mpa√m aufweist.
  17. Blech mit einer Dicke von > 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das im abgeschreckten gereckten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung T-L von > 32 Mpa√m aufweist.
  18. Blech nach Anspruch 16, das im abgeschreckten gereckten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung L-T von > 40 Mpa√m aufweist.
  19. Blech nach Anspruch 17, das im abgeschreckten gereckten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung T-L von > 35 Mpa√m aufweist.
  20. Blech mit einer Dicke von > 35 mm nach einem der Ansprüche 16 bis 19, das eine Zähigkeit K1c in Richtung S-L von > 22 Mpa√m aufweist.
  21. Blech nach Anspruch 20, das eine Zähigkeit in Richtung S-L von > 24 Mpa√m aufweist.
  22. Blech mit einer Dicke von > 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das im abgeschreckten, gereckten und warmausgelagerten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung L-T von über 28 Mpa√m aufweist.
  23. Blech mit einer Dicke von > 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das im abgeschreckten, gereckten und warmausgelagerten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung T-L von > 25 Mpa√m aufweist.
  24. Blech nach Anspruch 22, das eine Zähigkeit K1c in Richtung L-T von > 32 Mpa√m aufweist.
  25. Blech nach Anspruch 23, das eine Zähigkeit K1c in Richtung T-L von > 28 Mpa√m aufweist.
  26. Blech mit einer Dicke von > 35 mm nach den Ansprüchen 22 bis 25, das im abgeschreckten, gereckten und warmausgelagerten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung S-L von > 18 Mpa√m aufweist.
  27. Blech nach Anspruch 26, das im abgeschreckten, gereckten und warmausgelagerten Zustand eine Zähigkeit K1c in Richtung S-L von > 20 Mpa√m aufweist.
  28. Blech mit einer Dicke von > 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einer Rissbildungsgeschwindigkeit da/dn von weniger als :
    5 10-5 mm/Zyklus bei ΔK = 10 Mpa√m
    10-4 mm/Zyklus bei ΔK = 15 Mpa√m
    6 10-4 mm/Zyklus bei ΔK = 20 Mpa√m
    2 10-3 mm/Zyklus bei ΔK = 25 Mpa√m
  29. Blech mit einer Dicke von < 20 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das eine Zähigkeit Kcb in Richtung T-L von > 110 Mpa√m aufweist.
  30. Blech mit einer Dicke von < 12 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das eine Rauheit Ra nach chemischer Bearbeitung von < 6 Mikron aufweist.
  31. Blech mit einer Dicke von < 4 mm nach Anspruch 30, das eine Rauheit nach chemischer Bearbeitung von < 3 Mikron aufweist.
  32. Dünnes Blech mit einer Dicke zwischen 0,5 und 3 mm nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass :
    fe < 0,04 l2
  33. Gezogenes, geschmiedetes oder geprägtes Produkt aus Aluminiumlegierung AlCuMg zusammengesetzt aus ( % in Gewicht ):
    3,5 < Cu < 5,0
    1,0 < Mg < 2,0
    Si < 0,25
    Fe < 0,25
    Mn < 0,55
    andere Elemente, insgesamt : < 0,25
    mit 0 < Mn - 2 Fe < 0,2
    Rest Al
       behandelt durch Lösungsglühen, Abschrecken, kontrolliertem Recken, Kaltauslagerung und eventueller Warmauslagerung, dadurch gekennzeichnet, dass es an jeder Stelle eine Rekristallierungsrate von > 50 % und eine Abweichung von dieser Rate zwischen der Oberfläche und der halben Dicke von < 35 % aufweist, sowie eine Durchbiegung f nach Bearbeitung auf halber Dicke eines auf zwei nach einer Länge 1 beabstandenden Trägern ruhenden Stabs wie :
    fe < 0,14 l2 und vorzugsweise :
    fe < 0,09 l2
       wobei f in Mikron gemessen, e die lokale durchschnittliche Dicke des Produkts am Messpunkt und l ebenfalls in mm gemessen ist.
  34. Produkt nach Anspruch 33, das im abgeschreckten entspannten Zustand eine Dehngrenze von R0,2 > 290 MPa aufweist.
  35. Produkt nach Anspruch 33, das im abgeschreckten, entspannten und warmausgelagerten Zustand eine Dehngrenze von > 400 MPa aufweist.
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