基于熱成形- 淬火一體化工藝的7075- T4鋁合金板材的高溫流變及斷裂行為研究

顧瑞瑩 王武榮 韋習(xí)成

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

7075鋁合金為Al- Zn- Mg- Cu系超高強(qiáng)合金，與目前應(yīng)用廣泛的5000系和6000系鋁合金相比，其熱處理強(qiáng)化效果更明顯，具有更高的比強(qiáng)度及抗沖撞性能，已經(jīng)逐漸成為汽車、航空航天等領(lǐng)域的重要研究對象。然而，經(jīng)時(shí)效處理的7075鋁合金由于自身塑性的局限，難以實(shí)現(xiàn)大變形工件及復(fù)雜形狀產(chǎn)品的冷加工成形，因此改善7075鋁合金板材的成形性能顯得十分重要。2005年，英國帝國理工大學(xué)的林建國教授提出了一種熱成形—淬火(hot forming- quenching, HFQ)一體化技術(shù)[1]，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)7075鋁合金板材成形性與強(qiáng)度性能的雙重提升，對于推動(dòng)高強(qiáng)鋁合金的廣泛應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

熱成形—淬火一體化工藝是一種針對復(fù)雜沖壓成形的高強(qiáng)度鋁合金板材的先進(jìn)生產(chǎn)工藝，具體工藝流程如下：首先將板材加熱至最佳固溶溫度，保溫足夠的時(shí)間使溶質(zhì)原子充分溶入鋁基體中；隨后板材被迅速轉(zhuǎn)移至通水冷模中沖壓成形，零件沖壓完畢后不立刻取出，而是在模具中保壓淬火一段時(shí)間；最后根據(jù)鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制選用效率較高的時(shí)效方法，提高零件的力學(xué)性能。

盡管目前已經(jīng)取得了許多鋁合金HFQ工藝成形方面的研究成果，但對其高溫流變行為的研究大多采用傳統(tǒng)的高溫拉伸試驗(yàn)方法，即一方面，在7075鋁合金的高溫拉伸過程中僅保溫5 min后進(jìn)行拉伸，由于保溫時(shí)間較短，試樣固溶不充分，獲得的高溫流變曲線可能無法真正體現(xiàn)HFQ工藝處理的合金力學(xué)性能。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，為了保證粗大第二相能夠完全溶入基體，熱成形—淬火一體化處理7075- T4鋁合金板材的優(yōu)選固溶參數(shù)為固溶溫度510 ℃，固溶時(shí)間30 min，此后自然時(shí)效析出的第二相能夠最大限度地回溶到鋁合金基體中，時(shí)效后合金的強(qiáng)度可高達(dá)538 MPa[2]。另一方面，凡曉波等研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金板材經(jīng)固溶處理后必須快速冷卻，避免次生相在緩慢冷卻過程中析出，致使過飽和度下降最終影響時(shí)效強(qiáng)化的效果[3- 4]，因此在冷卻至拉伸溫度及拉伸過程中需實(shí)現(xiàn)對板材的快速冷卻。針對上述研究的不足，本文將基于熱成形- 淬火一體化工藝的7075- T4鋁合金板材的高溫拉伸試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：在510 ℃固溶保溫30 min后，空冷15 s，以模擬板材轉(zhuǎn)移至壓邊圈的過程，然后通過高壓氣淬實(shí)現(xiàn)板材的快速冷卻，并進(jìn)行同步拉伸，以確保高溫拉伸試驗(yàn)?zāi)軌虮M量接近HFQ工藝流程。此外，零件的凸臺、定位孔等微小特征通常在主要特征形成后才開始變形，但是由于模內(nèi)淬火，這些特征的初始變形溫度會顯著低于零件整體的初始變形溫度，目前高溫拉伸試驗(yàn)的研究中均未對此現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和研究。

此外，各向異性影響合金板料熱沖壓過程的應(yīng)變分布、壁厚減薄以及成形性能[5]。本文通過高溫拉伸試驗(yàn)獲得了沿軋制方向不同角度的各向異性值，提供了補(bǔ)充數(shù)據(jù)。最后，通過掃描電鏡觀察并判定高溫拉伸試驗(yàn)中7075- T4鋁合金板材的斷裂行為，為進(jìn)一步開展7075- T4鋁合金板材基于熱成形- 淬火一體化的熱力耦合仿真模擬和成形工藝參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用西南鋁業(yè)提供的厚度為2 mm的T4態(tài)7075鋁合金板材，其化學(xué)成分見表1。為了保證7075- T4鋁合金板材成形件的強(qiáng)度高于原始T4態(tài)板材，采用課題組前期研究的優(yōu)選固溶處理工藝參數(shù)，即7075- T4鋁板經(jīng)過固溶處理(510 ℃保溫30 min)，以保證第二相最大限度地溶入鋁板基體中，得到高過飽和度的固溶體。拉伸試樣尺寸如圖1所示，采用MTS C45.305E電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。試樣隨爐升溫至510 ℃后保溫30 min。試樣溫度通過兩根高精度R型熱電偶和控溫器進(jìn)行反饋控制，試樣標(biāo)距內(nèi)的變形由高溫引伸計(jì)采集。為了模擬實(shí)際沖壓過程中板材轉(zhuǎn)移和定位的過程，固溶處理后，打開加熱爐將試樣暴露在空氣中自然冷卻15 s。然后將試樣在高壓氣槍提供的高壓氣體中淬火到目標(biāo)溫度，分別為25、100、200、300、400和440 ℃，淬火冷速達(dá)到30 ℃/s，分別在這6個(gè)溫度進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.01 s-1；在溫度440 ℃、應(yīng)變速率分別為0.001、0.01和0.1 s-1下進(jìn)行拉伸；在溫度440 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1下，沿軋制方向(RD)及與軋制方向成45°(DD)和90°(TD)角的方向進(jìn)行拉伸， 每組拉伸試驗(yàn)均重復(fù)3次，具體工藝流程如圖2所示。測定厚向異性系數(shù)r值時(shí)，先將試樣標(biāo)距分成3等份，測量每段的長度和寬度，在試樣產(chǎn)生一定均勻塑性變形后停止拉伸，測量變形后的長度和寬度，計(jì)算r值。

為了進(jìn)一步研究試樣的高溫拉伸斷裂機(jī)制，將斷口沿拉伸方向切下長度5 mm的一段，并置于酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗。最后在掃描電鏡下觀察試樣的斷口形貌。

表1 7075- T4鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the 7075- T4 aluminum alloy (mass fraction) %

圖1 拉伸試樣尺寸圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen

圖2 基于HFQ工藝的高溫拉伸試驗(yàn)流程Fig.2 Experimental program for high- temperature tensile test based on HFQ process

2 流變應(yīng)力及力學(xué)性能

圖3采集了模擬空冷轉(zhuǎn)移后不同時(shí)長高壓氣淬的7075- T4鋁合金板材在不同初始溫度下拉伸的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線及力學(xué)性能?？梢?075- T4鋁合金板材在初始變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變迅速增加。這是由于在拉伸過程中：一方面位錯(cuò)增殖導(dǎo)致位錯(cuò)密度急劇增加，位錯(cuò)互相作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力急劇上升；另一方面則由于高溫塑性變形過程中通過熱激活產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)回復(fù)所導(dǎo)致的軟化，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消不了位錯(cuò)增殖引起的硬化效應(yīng)，因此曲線的初始階段均呈強(qiáng)化特征。初始變形階段之后，當(dāng)初始拉伸溫度低于300 ℃時(shí)，強(qiáng)化效應(yīng)明顯占主導(dǎo)地位，曲線呈單調(diào)遞增趨勢；當(dāng)初始拉伸溫度高于300 ℃時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)軟化作用越來越明顯，軟化與硬化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，其應(yīng)力- 應(yīng)變曲線幾乎可以看作一條直線，呈穩(wěn)態(tài)流變的特征。校文超等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1，初始拉伸溫度高于300 ℃時(shí)，7075- T4鋁合金板材發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且隨著溫度的升高，晶粒平均尺寸減小[6]。

圖3 7075- T4鋁合金板材在不同溫度下的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果(0°,0.01 s-1)Fig.3 High temperature tensile test results of the 7075- T4 aluminum alloy sheets at different temperatures (specimen orientation∶0°, strain rate∶0.01 s-1)

7075- T4鋁合金板材以不同應(yīng)變速率高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢姰?dāng)應(yīng)變速率由0.01 s-1提高至0.1 s-1時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度由68.3 MPa升高至92.2 MPa，與應(yīng)變速率成正比例關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，高溫流變應(yīng)力曲線在初始拉伸階段就達(dá)到了峰值應(yīng)力，且明顯高于其他應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力。這是由于較高的應(yīng)變速率使位錯(cuò)來不及運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生塞積，降低了板材的塑性所致[7]。然而，該曲線經(jīng)過峰值應(yīng)力后出現(xiàn)了明顯的軟化特征，主要原因是在較高的應(yīng)變速率下，拉伸變形的溫度區(qū)間也高于0.01和0.001 s-1的溫度區(qū)間，當(dāng)試樣達(dá)到臨界變形量時(shí)，試樣內(nèi)部發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，引起的軟化效應(yīng)超過了加工硬化所產(chǎn)生的硬化效應(yīng)，導(dǎo)致其流變應(yīng)力曲線呈下降的趨勢。當(dāng)應(yīng)變速率由0.001 s-1提高至0.01 s-1時(shí)，抗拉強(qiáng)度由80.7 MPa降低至68.3 MPa，與應(yīng)變速率成反比例關(guān)系。這是由于在低應(yīng)變速率0.001 s-1下，板材在各應(yīng)變量下的變形溫度均低于0.01 s-1下的變形溫度，從而解釋了應(yīng)變速率增大時(shí)7075- T4鋁合金板材塑性反而提高的原因。

各向異性影響板材成形過程的應(yīng)變分布、壁厚減薄和成形性能，對正確選用屈服準(zhǔn)則進(jìn)行板材成形的有限元分析有著重要的指導(dǎo)作用。如圖5所示，在初始溫度為440 ℃、應(yīng)變速率為0.001 s-1的條件下，7075- T4鋁合金板材沿軋制方向(RD)拉伸的力學(xué)性能均優(yōu)于沿與軋制方向成45°(DD)和90°角的(TD)方向拉伸的，而垂直于軋制方向拉伸時(shí)板材的力學(xué)性能最差。這是由于板材在制造過程中經(jīng)歷了軋制，使板材形成了織構(gòu)組織，在宏觀上表現(xiàn)為各向異性，軋制方向的力學(xué)性能得到了很大改善。

進(jìn)一步測得7075- T4鋁合金板材在不同方向上的厚向異性系數(shù)r值如表2所示?？梢娫诔跏紲囟葹?40 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1的條件下，7075- T4鋁合金板材在TD方向上的r值最高(1.784)，RD方向上的r值最低(1.132)，這與周國偉等[8]發(fā)現(xiàn)的7075- T6鋁合金板材的r值在溫度達(dá)到250 ℃時(shí)大于1的結(jié)果相符，說明7075- T4鋁合金板材在高溫成形時(shí)平面方向較厚度方向更容易變形，即板材不易變薄或變厚。

圖4 7075- T4鋁合金板材在不同應(yīng)變速率下的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果(0°,440 ℃)Fig.4 High temperature tensile test results of the 7075- T4 aluminum alloy sheets at different strain rates (specimen orientation∶0°,initial temperature:440 ℃)

圖5 7075- T4鋁合金板材沿不同方向拉伸的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果(0.01 s-1,440 ℃)Fig.5 High temperature tensile test results of the 7075- T4 aluminum alloy sheets in different tensile directions (strain rate∶0.01 s-1, initial temperature:440 ℃)

表2 7075- T4鋁合金板材在不同方向的r值(440 ℃,0.01 s-1)Table 2 ‘R’ value of 7075- T4 aluminum alloy sheets at different tensile directions (440 ℃,0.01 s-1)

3 斷口分析

7075- T4鋁板拉伸斷口的宏觀形貌如圖6所示，可見當(dāng)初始拉伸溫度在300 ℃以下時(shí)，試樣斷口較為平整，斷口附近無明顯宏觀塑性變形，斷口平面與拉伸軸線大致成45°角，為典型的韌性斷裂；當(dāng)溫度升高至300 ℃以上時(shí)，試樣斷口邊緣呈撕裂狀鋸齒特征，為典型的延性斷裂，與300 ℃以上的高溫流變曲線特征相符。在不同初始溫度拉伸斷裂試樣的截面厚度如表3所示， 可見斷口厚度隨著初始拉伸溫度的降低呈逐漸增厚的規(guī)律，當(dāng)初始拉伸溫度降低至室溫時(shí)試樣的斷口厚度可達(dá)到1.75 mm。進(jìn)一步研究溫度與斷口厚度之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)不同斷裂行為下的斷口厚度與溫度呈線性關(guān)系。通過origin軟件線性擬合獲得25～(300+△t)℃下截面厚度與溫度的關(guān)系式為y=-0.002 5x+1.45，(300+△t)～440 ℃下截面厚度與溫度的關(guān)系式為y=-0.003 56x+1.83，根據(jù)這兩條直線的交點(diǎn)計(jì)算可得7075- T4鋁合金板材高溫變形時(shí)的切向韌性與頸縮延性斷裂轉(zhuǎn)折溫度約為358 ℃。

圖6 7075- T4鋁板拉伸斷口的宏觀形貌Fig.6 Macro- factures of tensile specimens of 7075- T4 aluminum alloy sheet

表3 在不同初始溫度拉伸斷裂試樣的截面厚度Table 3 Section thickness of the specimens tensile tested to fracturing at different initial temperatures

在不同初始溫度拉伸斷裂試樣的斷口低倍和高倍形貌分別如圖7和圖8所示。觀察斷口低倍形貌可見，在室溫拉伸斷裂的試樣斷口平坦光亮，存在輕微臺階，基本上無宏觀塑性，表面分布有少量小孔，經(jīng)測量孔徑約7～8 μm(見圖7a)；隨著初始拉伸溫度的升高，斷口形貌均為等軸韌窩(見圖7c、7d中方框區(qū)域)，斷口邊緣為拋物線韌窩(見圖7c、7d中圓框區(qū)域)，說明斷口邊緣受到撕裂應(yīng)力的作用。斷口表面的小孔數(shù)量明顯增多，平均韌窩尺寸也逐漸增加至300 ℃時(shí)的17 μm，因此可以推斷,358 ℃以下的斷裂形式為切向韌性斷裂而非脆性斷裂。當(dāng)在初始溫度400～440 ℃拉伸時(shí)，試樣斷口附近出現(xiàn)明顯的頸縮，韌窩的平均尺寸也增加至25 μm。因此，韌窩的尺寸和深度與材料的韌性相關(guān)，隨著初始拉伸溫度的提高，斷口越來越窄，斷口中心的韌窩加深。產(chǎn)生這種斷裂微觀形貌的主要原因是在拉伸過程中，位錯(cuò)環(huán)被推向第二相粒子，當(dāng)位錯(cuò)環(huán)被推到粒子與基體界面處后，第二相在斷裂時(shí)形成微孔；另一方面新的位錯(cuò)環(huán)被不斷地推向微孔，導(dǎo)致微孔迅速擴(kuò)展。這表明7075- T4鋁合金板材的斷裂機(jī)制為微孔聚集斷裂。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)初始拉伸溫度從室溫升高至440 ℃時(shí)，7075- T4鋁合金板材的抗拉強(qiáng)度從淬火態(tài)的397.0 MPa下降到了68.3 MPa；斷后伸長率則隨溫度的升高呈緩慢增長的趨勢， 從淬火態(tài)的15%提高到了440 ℃時(shí)的26.1%，提高了74%。

圖7 在不同初始溫度拉伸試樣的低倍斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of specimens tensile tested at different initial temperatures

(2)在應(yīng)變速率和溫度的共同作用下，當(dāng)應(yīng)變速率由0.01 s-1增加到0.1 s-1時(shí)，7075- T4鋁合金板材的抗拉強(qiáng)度從68.3 MPa升高至92.2 MPa，斷后伸長率從26.1%降低至18.5%；當(dāng)應(yīng)變速率由0.001 s-1增加至0.1 s-1時(shí)，抗拉強(qiáng)度從80.7 MPa降低至68.3 MPa，斷后伸長率由24.1%提高至26.1%。

(3)在初始溫度440 ℃拉伸時(shí)，7075- T4鋁合金板材在RD方向的力學(xué)性能高于DD和TD方向的力學(xué)性能。板材的厚向異性系數(shù)為1.495，Δr的絕對值較小，說明板材的拉延性能較好。

(4)當(dāng)初始拉伸溫度降低至300 ℃以下時(shí)，試樣的斷口均為切向韌性斷口，說明塑性不足；當(dāng)初始拉伸溫度提高至300 ℃以上時(shí)，斷口均為頸縮延性斷口，斷口附近有明顯的頸縮，說明板材的塑性大幅度提高。

(5)7075- T4鋁合金板材的切向韌性與頸縮延性斷裂轉(zhuǎn)折溫度約為358℃，斷裂機(jī)制為微孔聚集型斷裂。

圖8 在不同初始溫度拉伸試樣的高倍斷口形貌Fig.8 High power morphologies of fractures of specimens tensile tested at different initial temperatures