7B04鋁合金超塑性變形行為

張 寧，王耀奇，侯紅亮，張艷苓，董曉萌，李志強

(1 北京航空制造工程研究所，北京 100024；2 塑性成形技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024；3 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點實驗室，北京 100024；4 北京科技大學(xué)，北京 100083)

7B04鋁合金超塑性變形行為

張 寧1,2,3，王耀奇1,2,3，侯紅亮1,2,3，張艷苓1,2,3，董曉萌4，李志強1

(1 北京航空制造工程研究所，北京 100024；2 塑性成形技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024；3 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點實驗室，北京 100024；4 北京科技大學(xué)，北京 100083)

針對7B04鋁合金開展了變形溫度為470～530℃，應(yīng)變速率為0.0003～0.01s-1的高溫超塑性拉伸實驗，研究了材料的超塑性變形行為和變形機制。結(jié)果表明，7B04鋁合金的流動應(yīng)力隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而逐漸減小，伸長率隨之增加；在變形溫度為530℃，應(yīng)變速率為0.0003s-1時，7B04鋁合金的伸長率達到最大1105%，超塑性能最佳；應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值均大于0.3，且隨變形溫度的升高而增加；在500～530℃的變形溫度范圍內(nèi)，m值大于0.5，表明7B04鋁合金超塑性變形以晶界滑動為主要變形機制；變形激活能Q為190kJ/mol，表明7B04鋁合金的超塑性變形主要受晶內(nèi)擴散控制；7B04鋁合金超塑性變形中在晶界附近有液相產(chǎn)生，且適量的液相有利于提高材料的超塑性能。

7B04鋁合金；超塑性；變形行為；變形機制

7XXX系(Al-Zn-Mg-Cu系)合金屬于超高強變形鋁合金，具有比重小、強度高、熱加工性能好以及良好的斷裂韌度和耐腐蝕性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，尤其在航空工業(yè)中占有非常重要的地位，是飛機的主體結(jié)構(gòu)材料之一[1-3]。目前，A380飛機、空客A320、波音B777客機等世界先進飛機上的許多機體結(jié)構(gòu)(如機翼蒙皮、機翼梁、機身隔框、主框架附件等)已普遍采用7050，7010，7475，7055等高純高強高韌鋁合金材料[3-5]。

7B04鋁合金(美國牌號7475鋁合金)是我國在7A04鋁合金基礎(chǔ)上經(jīng)過改進而成的一種高純高強鋁合金，屬于Al-Zn-Mg-Cu系，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[6,7]。相關(guān)研究表明，7475鋁合金具有比其他7XXX系合金更加優(yōu)良的超塑性能[8]，各國學(xué)者對7475鋁合金的超塑性進行了大量的研究[8-13]。在美國利用7475合金的超塑性已成功制成T-39前機身隔柜、B-lB轟炸機襟翼翼肋和機身構(gòu)件；洛克韋爾國際公司則用7475合金成形Apache直升機艙板；諾斯洛普用7475改型合金超塑成形F-5E 型戰(zhàn)斗機前部控制系統(tǒng)的下艙板[13]。然而目前針對國產(chǎn)7B04，我國學(xué)者主要開展了材料的制備、熱處理和蠕變時效工藝研究[14-19]，對于該材料的超塑成形工藝研究較少，還不能采用超塑成形工藝制造7B04鋁合金復(fù)雜構(gòu)件，嚴(yán)重制約了該合金在我國飛機制造業(yè)中的應(yīng)用。

本工作通過高溫超塑性拉伸實驗對7B04鋁合金開展超塑性變形行為研究，分析變形溫度和應(yīng)變速率對材料超塑性能的影響規(guī)律，獲得材料的最佳超塑性成形工藝參數(shù)；根據(jù)實驗結(jié)果，利用理論計算求解應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m和變形激活能Q值，同時結(jié)合斷口形貌，研究7B04鋁合金的超塑性變形機制。

1 實驗材料與方法

實驗所采用的材料是由中南大學(xué)提供的7B04鋁合金細(xì)晶板材，板材厚度為2.0mm，合金主要化學(xué)成分如表1所示。7B04鋁合金細(xì)晶板材的制備工藝：首先將25mm厚的熱軋板經(jīng)460～485℃固溶4h后水淬，然后在300～400℃，8～48h條件下進行時效處理，經(jīng)300℃預(yù)熱1～2h后軋制，且經(jīng)多道次軋制得到2.0mm厚板，最后在480℃，30min條件下再結(jié)晶退火，從而得到平均晶粒尺寸為10μm的細(xì)晶板材，如圖1所示。

表1 7B04鋁合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

7B04鋁合金的高溫超塑性拉伸實驗在LETRYDL-20T型電子萬能拉伸試驗機上進行，實驗變形溫度為470，485，500，515，530℃，應(yīng)變速率為0.0003，0.001，0.003，0.01s-1，拉伸過程中保持夾頭的速度恒定不變。拉伸試樣尺寸示意圖如圖2所示，拉斷后快速水淬，以保留其高溫變形組織，并采用掃描電鏡(SEM)對拉斷后試樣的斷口形貌進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 超塑性變形行為

2.1.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1 7B04鋁合金板材微觀組織Fig.1 Microstructure of 7B04 Al alloy sheet

圖2 超塑性拉伸試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of dimensions of tensile specimen

圖3所示為 7B04 鋁合金試樣超塑性拉伸變形前后的宏觀形貌?？梢?，7B04鋁合金超塑性拉伸之后基本沒有縮頸現(xiàn)象產(chǎn)生，變形相對比較均勻，這說明7B04鋁合金具有較好的超塑性，超塑性的均勻變形有效抑制了頸縮的出現(xiàn)。對比圖3中7B04鋁合金在不同變形條件下拉伸后的試樣尺寸，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)變形溫度為530℃，應(yīng)變速率為0.0003s-1時，材料的伸長率達到最大，為1105%，說明在此變形條件下材料具有最佳超塑性。

圖3 不同變形條件下超塑性拉伸后試樣宏觀形貌；；；Fig.3 Elongated specimens under different deformation =0.0003s-1；=0.001s-1；=0.003s-1；=0.01s-1

圖4 7B04鋁合金在不同變形條件下超塑性拉伸后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線 (a)470℃；(b)485℃；(c)500℃；(d)515℃；(e)530℃Fig.4 True stress-true strain curves of 7B04 Al alloy after superplastic tensile deformation under different deformation parameters(a)470℃；(b)485℃；(c)500℃；(d)515℃；(e)530℃

7B04鋁合金在不同變形條件下超塑性拉伸后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖4所示，從圖中可以看出，在不同變形條件下，7B04鋁合金超塑性變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本相同：變形初期，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而迅速升高，表現(xiàn)出明顯的硬化效應(yīng)；隨著變形的進行，由于應(yīng)變軟化效應(yīng)，應(yīng)力緩慢增加，進入穩(wěn)態(tài)流動階段，且應(yīng)變速率越低，穩(wěn)態(tài)流動階段越長；最后，當(dāng)斷裂發(fā)生時應(yīng)力急劇下降。

2.1.2 變形參數(shù)對超塑性的影響

7B04鋁合金超塑性變形過程中峰值應(yīng)力隨變形溫度的變化如圖5所示，從圖中可以看出，在相同應(yīng)變速率下，材料的峰值應(yīng)力隨著變形溫度的升高而減小，這是因為升高變形溫度，提高了原子的平均動能，促進了位錯的運動，使晶界滑移易于發(fā)生，降低了變形過程中的流動應(yīng)力；同時高溫下動態(tài)回復(fù)產(chǎn)生一定的軟化作用使材料的流動應(yīng)力減小。

圖5 7B04鋁合金超塑性變形過程中峰值應(yīng)力與變形溫度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between peak stress and temperature of 7B04 Al alloy during superplastic deformation

圖6是7B04鋁合金伸長率隨變形溫度的變化曲線，當(dāng)應(yīng)變速率在0.0003s-1和0.001s-1之間時，相同應(yīng)變速率下，隨著變形溫度逐漸上升，伸長率呈陡峭上升趨勢，且當(dāng)變形溫度為530℃時，伸長率達到最大值1105%，說明在此變形條件下，升高變形溫度能夠顯著提高材料的超塑性能；當(dāng)應(yīng)變速率為0.003s-1時，伸長率隨變形溫度的升高而緩慢增加，但變化范圍較小，在210%～370%之間，說明在此應(yīng)變速率下，變形溫度對材料的超塑性能影響較?。划?dāng)應(yīng)變速率為0.01s-1時，伸長率隨著變形溫度的升高而先增加后減小，但波動不大，在130%～240%之間，說明此時材料的超塑性能較差，且對變形溫度的變化不敏感。

圖6 7B04鋁合金伸長率-變形溫度曲線Fig.6 Elongation-deformation temperature curves of 7B04 Al alloy

7B04鋁合金超塑性變形過程中峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的變化如圖7所示，可見，在相同溫度下，材料的峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的提高而逐漸增加，這是由于在高應(yīng)變速率下，位錯密度迅速增加，導(dǎo)致位錯塞積，而變形過程中需要擴散蠕變和位錯滑移來調(diào)節(jié)晶界的滑移，所以此時晶界滑移受阻，易于在三角晶界處、晶內(nèi)的析出相周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使拉伸過程中的流動應(yīng)力增加。圖8是7B04鋁合金伸長率隨應(yīng)變速率變化的曲線圖?？梢?，相同變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，材料的伸長率逐漸減小；當(dāng)應(yīng)變速率在0.0003s-1和0.001s-1之間時，相同溫度下， 材料的伸長率變化緩慢，且均具有較高的數(shù)值，說明在此變形條件下，材料具有較好的超塑性；當(dāng)應(yīng)變速率為0.003s-1時，伸長率急速下降，但其最小值為210%，仍有超塑性；當(dāng)應(yīng)變速率為0.01s-1時，不同變形溫度下的伸長率均較小，且相差不大，說明應(yīng)變速率升高到一定程度后，材料的超塑性變差。因此，7B04鋁合金的超塑性變形應(yīng)變速率應(yīng)小于0.01s-1。

圖7 7B04鋁合金峰值應(yīng)力-應(yīng)變速率曲線Fig.7 Peak stress-strain rate curves of 7B04 Al alloy

圖8 7B04鋁合金伸長率-應(yīng)變速率曲線Fig.8 Elongation-strain rate curves of 7B04 Al alloy

2.2 應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值和變形激活能Q值

鋁合金在高溫超塑性變形過程中流動應(yīng)力一般較低，穩(wěn)態(tài)流動階段應(yīng)變速率與流動應(yīng)力之間的關(guān)系可采用Arrhenius關(guān)系式[20]來描述：

(1)

式中：A為材料常數(shù)；n為應(yīng)力指數(shù)，n=1/m，m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)；Q為變形激活能；R為氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，即絕對溫度。

對式(1)兩邊取自然對數(shù)，得出：

(2)

在一定的變形溫度和應(yīng)變下，式(2)中l(wèi)nA-Q/RT可視為一常數(shù)Km，則m值可通過下式求解：

(3)

圖9 7B04鋁合金在不同變形溫度下的lnσ 曲線Fig.9 lnσ curves of 7B04 Al alloy at different deformation temperatures

相關(guān)文獻指出[21]，晶界滑動對變形總量的貢獻越大，應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值也越大，而且當(dāng)m值達到0.5時，超塑性變形的主要機制便是晶界滑動。因此，由圖9可知，當(dāng)變形溫度為470℃時，m值僅為0.3，說明此時晶界滑動對變形總量的貢獻較小，可能存在其他變形協(xié)調(diào)機制；當(dāng)變形溫度從470℃上升到500℃時，m值增加，晶界滑動對變形總量的貢獻逐漸增大，直至變形溫度大于500℃時，晶界滑動成了主要的變形機制，對變形總量的貢獻最大。

(4)

(5)

繪制lnσ-1/T曲線，并進行線性擬合，其結(jié)果如圖10所示。根據(jù)式(5)求取各應(yīng)變速率下的變形激活能，m值取不同變形溫度下的平均值，從而獲得材料的超塑性變形激活能為190kJ/mol，高于純鋁的晶格自擴散激活能142kJ/mol，這說明7B04鋁合金在超塑變形中的晶界滑動主要受晶內(nèi)擴散控制[19]。

圖10 7B04鋁合金lnσ -1/T擬合曲線Fig.10 lnσ -1/Tfitting curves of 7B04 Al alloy

2.3 斷口形貌

圖11是7B04鋁合金在同一應(yīng)變速率0.0003s-1，不同變形溫度470℃和485℃下超塑性拉伸變形后斷口的掃描電鏡照片，從圖中可以看出斷口處存在一些須狀物，說明材料在低應(yīng)變速率下變形時晶界附近有液相產(chǎn)生；對比圖11(a)，(b)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度為485℃時，須狀物的數(shù)量有所增加，且較密集。

圖11 7B04鋁合金在同一應(yīng)變速率0.0003s-1不同變形溫度下拉伸斷口的SEM照片 (a)470℃；(b)485℃Fig.11 SEM images of fracture of 7B04 Al alloy at the strain rate of 0.0003s-1 at different deformation temperatures (a)470℃；(b)485℃

圖12 7B04鋁合金在同一變形溫度530℃不同應(yīng)變速率下拉伸斷口的SEM照片 (a)0.0003s-1；(b)0.001s-1Fig.12 SEM images of fracture of 7B04 Al alloy at the deformation temperature of 530℃ at different strain rates (a)0.0003s-1；(b)0.001s-1

7B04鋁合金在同一變形溫度530℃，不同應(yīng)變速率0.0003s-1和0.001s-1下超塑性變形后斷口的掃描電鏡照片如圖12所示，可以看出，在高應(yīng)變速率下，只有部分區(qū)域存在須狀物，且少而短。

上述現(xiàn)象說明7B04鋁合金在超塑性變形過程中，晶界處的低熔點相會熔化形成須狀物[9,22]；且隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，須狀物的數(shù)量和長度都有所增加，說明須狀物的數(shù)量和形貌與變形溫度和應(yīng)變速率有關(guān)。由于須狀物的存在能夠在一定程度上提高晶界的結(jié)合強度、促進應(yīng)力集中的釋放[12,23,24]，從而使晶界易于滑動，說明在高溫和低速下，7B04鋁合金超塑變形過程中存在液相協(xié)調(diào)機制，提高了材料的超塑性。但相關(guān)研究表明[23,24]，液相過多時，晶界、界面由于失去了結(jié)合力，材料的超塑性能會有所降低。因此，只有適量的液相才能起到協(xié)調(diào)晶界滑動的作用，從而在一定程度上提高7B04鋁合金的超塑性能，過多過少都不利于超塑變形。

3 結(jié)論

(1)7B04鋁合金在超塑性變形中，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，峰值應(yīng)力逐漸減小，而伸長率逐漸增加；當(dāng)應(yīng)變速率在0.0003s-1和0.001s-1之間時，升高變形溫度能夠顯著提高材料的超塑性能；在高應(yīng)變速率下，材料的超塑性能較差；7B04鋁合金的超塑性變形溫度范圍為470～530℃，應(yīng)變速率要小于0.01s-1；當(dāng)變形溫度為530℃，應(yīng)變速率為0.0003s-1時，材料具有最佳的超塑性能。

(2)7B04鋁合金的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值均大于0.3，且隨著變形溫度的升高而逐漸增加，說明低溫下晶界滑動對超塑變形總量的貢獻較少，存在其他超塑性變形機制，而當(dāng)變形溫度高于500℃時，晶界滑動為主要的變形機制。變形激活能Q=190kJ/mol，高于純鋁的晶格自擴散激活能，表明7B04鋁合金超塑性變形主要受晶內(nèi)擴散控制；7B04鋁合金超塑性拉伸后的斷口處有須狀物存在，說明變形過程中晶界附近有液相產(chǎn)生，且一定的液相有助于調(diào)節(jié)晶界的滑動，從而提高材料的超塑性能。

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(本文責(zé)編：齊書涵)

Superplastic Deformation Behavior of 7B04 Al Alloy

ZHANG Ning1,2,3，WANG Yao-qi1,2,3，HOU Hong-liang1,2,3，ZHANG Yan-ling1,2,3，DONG Xiao-meng4，LI Zhi-qiang1

(1 Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China；2 Aeronautical Key Laboratory for Plastic Forming Technology，Beijing 100024，China；3 Beijing Key Laboratory of Digital Plasticity Forming Technology and Equipment，Beijing 100024，China；4 University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

The superplastic tensile tests were carried out for 7B04 Al alloy under a temperature range of 470-530℃ at a strain rate range of 0.0003-0.01s-1. Then,the superplastic deformation behavior and deformation mechanism of the material were investigated. The results show that with the increase of temperature and decrease of strain rate, the flow stress of 7B04 Al alloy is decreased and the elongation is increased.When the deformation temperature is at 530℃ and the strain rate is 0.0003s-1, the elongation reaches the maximum value of 1105%, which indicates that at this process parameter the optimal superplasticity is obtained; the strain rate sensitivity indexmvalue is above 0.3 and increases as the temperature going up; when the deformation temperature is at the range of 500-530℃, themvalue is above 0.5,the superplastic deformation mechanism of 7B04 Al alloy predominated by grain boundary sliding; the superplastic deformation activation energyQvalue is 190kJ/mol which indicates that the superplastic deformation is significantly controlled by the intercrystalline diffusion; the liquid phase will be produced along the grain boundaries of 7B04 Al alloy during superplastic deformation,which can enhance the superplasticity with a moderate amount.

7B04 Al alloy；superplasticity；deformation behavior；deformation mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000686

TG135.3；TG146.2

A

1001-4381(2017)04-0027-07

國家自然科學(xué)基金項目(51334006,51405457); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2011CB012803)

2016-06-05;

2017-01-03

侯紅亮(1963-)，男，研究員，主要從事鈦合金、鋁合金等先進航空材料鈑金成形技術(shù)研究工作，聯(lián)系地址：北京市340信箱106分箱(100024)，E-mail: hou_ll@163.com