預變形對超高強鋁合金擠壓材組織與性能的影響作用分析

劉金輝，譚日純，黃和鑾，梁前進

（1.廣東興發(fā)精密制造有限公司，廣東 佛山 528137；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137）

在工業(yè)不斷進步與發(fā)展的背景條件下，對鋁合金這一主體結構材料性能提出更高更嚴格要求。當前備受關注的研究課題就是研制出具有更高抗拉強度、更優(yōu)越性能的超高強鋁合金。本文將固溶處理后的鋁合金作為研究對象，研究預變形工藝對其組織和性能的影響作用。

1 分析預變形對超高強鋁合金影響作用的意義

鋁合金材料應用十分廣泛，能夠將堅實基礎奠定出來，有利于促進道路建設、建筑、武器制造等方面的進一步發(fā)展。因此，有關機構在深入研討鋁合金工藝前提下，將超高強鋁合金定義提出來，從而拓寬其應用范圍?，F(xiàn)階段，超高強鋁合金已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)領域不可缺少的材料，究其原因，主要是其優(yōu)勢明顯，較低材質密度為再加工提供方便，較高力度與密度比重，較低生產(chǎn)材料成本，融合其他材料的良好效果等。因此，對于相關研發(fā)機構而言，想要使超高強鋁合金使用功能得以提升，需保證現(xiàn)有技術應用的優(yōu)越性，在此前提下，全面分析預變形對鋁合金產(chǎn)生的影響，為工業(yè)領域持續(xù)、健康發(fā)展提供保證[1]。

將預變形試驗應用于鋁合金材料中時，想要保持超高強鋁合金自身功能特性，如不會對材料密度、稱重、塑性等方面產(chǎn)生影響，通常情況下，實驗人員首先借助冷加工法，加速變形鋁合金材料，然后在低溫環(huán)境中運用熱處理法，將此種處理方式應用于超高強鋁合金材料性能中，可以減少溫度對其產(chǎn)生的影響。固溶鋁合金材料之后，在對其開展預變形處理工作時，必須高度重視時效性問題，保證超高強鋁合金在標準范圍內(nèi)的變形量。通常情況下，合金變形量需小于30%，這樣才能保證人為預變形位錯符合相關標準要求，滿足對應條件。通過這種人為合金材料，將位錯引進來，能夠實現(xiàn)研究使用過程中合金材料的性能應用外力干預超高強鋁合金材料的析出，對提高超高強鋁合金使用性能具有積極促進作用[2]。

2 超高強鋁合金預變形實驗程序

2.1 實驗對象

通過分析可知預變形工藝影響鋁合金材料功能，主要影響表現(xiàn)在以下方面：比如將預變形工藝加工應用于某一型號鋁合金材料中，可以在短時間內(nèi)使超高強鋁合金材料達到最高強度。并且針對固溶后材料，在時效范圍內(nèi)實施加工處理操作，可以削弱加工過程中殘留在材料內(nèi)部的應力，通過預變形的應用，在其中引進人工位錯，大幅度提高超高強合金運用性能。相應合金材料及變形工藝在個別情況也會對合金性能產(chǎn)生不利影響，例如將預變形加工應用于某些合金材料中，增加鋁合金局部腐蝕的嚴重程度，造成產(chǎn)生晶間腐蝕情況。這篇文章以原材料為Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sr的鋁合金為例子，進行有關研討試驗。試驗過程中，針對原材料開展熔煉工作，一般情況下將熔煉工具選定為800℃的電阻爐，之后在準備好的鑄鐵模中澆注熔煉后的原材料，促進鑄錠的形成[3]。

2.2 實驗程序

將準備工作做好之后再進行試驗，對原材料成分進行細致分析，將鋁合金材料放置在能譜儀器中，對鋁合金材料中各種元素類型、含量進行高效分析，這個分析成果可以將原料中實測成分表示出來。將兩種模式加工處理方式應用于實驗對象鋁合金的鑄錠中，主要包括：應用多級鋁合金均質化處理工藝，有四部分包含在均質化退火處理中，400℃是起始溫度，以后每一級增加溫度20℃，6h是前三部分退火時間，12h是最后一部分退火時間；鑄錠擠壓處理工藝是第二種處理方式，將12：1的鑄錠比作為標準處理鑄錠，擠壓原材料，使其成為棒形，35mm是棒料的直徑標準。將強化鋁合金材料固溶處理工藝作為預變形的實驗固溶制度，針對實驗對象，開展固溶處理工作后，必須在最短時間內(nèi)實施水淬操作，確保不會對實驗綜合成效造成影響。通過對水淬處理法的應用，工作人員還需在鋁合金中使用T6時效加工處理法，再針對上述樣品開展編排號碼工作，分類樣品為一號、二號。對于二號樣品而言，完成固溶處理后，開展預變形加工工作，對其變形范圍進行控制，將預變形操作落實之后，必須第一時間對鋁合金時效進行處理[4]。

2.3 測試標準

將拉伸性能試驗操作應用于樣品中時，需將實驗標準確定為GB/T228—2002，處理樣品時應用WDW—200G型微機高溫電子萬能試驗機。實施顯微觀察操作時應用Nikon EPIPHOH 300型光學顯微鏡。針對此合金分析譜中的顏色分和其半高峰寬，測定時應用D8ADVANCE型X射線衍射儀，掃描范圍是30度至120度，0.15406nm是其波長。掃描觀察時需應用Zeiss Supra 55型SEM。將Graff Sargent試劑作為金相試樣的腐蝕試劑。腐蝕簡化試驗參考下面標準：GB7998-2005標準、ASTM G110-1992標準。剝落腐蝕試驗參照GB/T22639-2008標準和ASTM G34-2001標準進行，觀察其整體宏觀形貌時應用數(shù)碼相機。測試其硬度時應用HV-1000型顯微硬度測試儀，測試電導率時應用7501型渦流導電儀[5]。

3 分析實驗結果

3.1 分析鋁合金晶間腐蝕性能的實驗結果

測試鋁合金晶間腐蝕性能時，借助觀察應用不同熱處理工藝的樣品研究可知，對比未處理的合金，應用預變形工藝處理的樣品，其抗腐蝕性能更高。實驗結果表明經(jīng)過預變形工藝處理之后，超高強鋁合金一定程度上提升了其抗腐蝕性能，能夠對鋁合金的使用性能進行有效改善。究其原因，主要是變窄的PFZ影響，經(jīng)過預變形處理之后，材料中GBP不均勻分布，使腐蝕范圍降低，促進鋁合金抗晶間腐蝕性能的提高[6]。

分析合金一和二擠壓材在固溶-T6和固溶-預變形-T6時效工藝下剝落腐蝕形貌。觀察圖片可知，有大量腐蝕坑存在于兩種工藝下的試樣表面，并且分層比較嚴重，未發(fā)生金屬剝落的區(qū)域只有零星呈現(xiàn)灰色的區(qū)域表層，剝落腐蝕級別已經(jīng)達到EC級，這表明預變形處理不能顯著改善合金抗剝落腐蝕性能。

3.2 分析功能拉伸試驗成果

對于超高強鋁合金而言，其功能拉伸試驗成果內(nèi)容的組成參數(shù)有三個，具體是：樣品抗拉強度、強度屈服、拉伸鋁合金效率。通過觀察試驗成果資料能夠得出結論，與樣品一相比，實施預變形處理工藝后的樣品二，其拉伸強度提高45Mpa，上升屈服強度15Mpa，延伸率提高一個百分比，從整體角度看，大大提高鋁合金性能。

除此之外，通過仔細觀察樣品一、二的斷口處可知，對于未經(jīng)過預變形工藝處理的合金樣品而言，其具有復雜斷裂模式，具有明顯斷口沿晶特點，與此同時，在合金斷口處有較高比例的穿晶剪切斷裂，有微裂痕現(xiàn)象出現(xiàn)在局部。與之對應的合金材料，通過預變形處理法后，其斷口裂紋方式十分簡單，且分布比較均勻，同時具有斷裂的韌窩，對比未經(jīng)變形工藝處理的合金樣品，其具有較低穿晶剪切斷裂比例[7]。

3.3 分析鋁合金XRD實驗結果

將固溶-T6時效與固溶-預變形-T6時效分別應用于合金一二中，分析處理后的CRD結果可知，明顯的析出相衍射峰出現(xiàn)在合金掃描角度為38至—46度之間，借助MDJade5.0軟件對實驗數(shù)據(jù)開展處理工作，再通過對定性物相分析法的應用，觀察到該衍射峰與Al2CuMg相特征峰基本保持一致，并且其中不包括其他項，顯示對合金實施加工操作時，除了Al基體之外，還有較少數(shù)量的S相從中析出，考慮S相的溶解溫度十分高，通常情況在固溶中不能被消除。開展預變形處理工作之后，存在合金晶面的衍射峰最為強大，對比之下，晶粒數(shù)量也最多；強度變?nèi)跻来问蔷?00、晶面222，具有明顯變化的強度比率，其晶體取向特征也越來越明顯，顯示預變形處理可以增大合金晶體取向；完成預變形處理工作后，合金CRD半高峰寬大幅度增加[8]。

通過分析數(shù)據(jù)可知，預變形處理工藝增加之后，顯著減小合金相干尺寸，對應提高合金晶格畸變和位錯密度，這表明預變形能夠使位錯引入得以實現(xiàn)，同時位錯還能對強度做出突出貢獻，使其達到58.7MPa。位錯數(shù)量的引入密切聯(lián)系合金變形程度，如果逐漸減小變形量，就會形成相對較少的位錯，對比位錯作為晶格缺陷促進平衡相析出導致的弱化效果，位錯強化效果更高一些，這也大大提高其強度。經(jīng)過固溶處理后的合金，如果第一時間開展2%-3%的預變形處理工作，能夠使淬火作用導致的局部集中大應力不斷削弱，進而對分布在合金內(nèi)部淬火殘余應力進行改善；此外，預變形促進合金位錯密度的大幅度提高，實現(xiàn)提高鋁基體晶格畸變程度。

3.4 分析鋁合金硬度和導電率的實驗結果

將不同熱處理方式應用于樣品一、二中，有差異存在于其材料的導電率和強硬度中，通過對預變形處理后樣品二的充分利用可知，大大提高其功能特性。應用經(jīng)過變形處理的樣品二，其性能明顯比樣品一高。針對超高強鋁合金的硬度實施測驗操作后，可以高效檢驗材料屈服強度，合金材料具有越強硬度，鋁合金具有越高屈服強度，二者是正比關系。并且測試材料電導率，還能評定合金材料抗腐蝕性能，一般情況下，合金具有越高抗腐蝕性能，也具有更高電導率ICAS百分率。對于硬度和導電率能力，預變形實驗均能開展檢測工作，有利于促進合金抗腐蝕性能與屈服強度評測目的的實現(xiàn)，將有效參考數(shù)據(jù)提供出來，有利于提高超高強鋁合金性能。

觀察合金一和二擠壓材拉伸試樣斷口形貌。經(jīng)過研究分析可知固溶-T6工藝下，合金具有較為復雜的斷裂形式，其中分布有少量不均勻的韌窩斷裂，其中沿斷裂具有顯著特點，并且包括具有較高比例的穿晶剪切斷裂。此外，還分布很多長而深的微裂紋；經(jīng)過預變形處理后，形成相對簡單的合金斷裂形式，主要包括數(shù)量眾多均勻分布的韌窩斷裂，而存在的穿晶剪切斷裂數(shù)量則非常少。

3.5 分析顯微組織

實施預變形處理操作之后，實驗合金部分晶粒具有較大尺寸，究其原因，主要是預變形時效后，有回復現(xiàn)象發(fā)生于合金中，二次結晶就會增大晶粒尺寸。

通過掃描合金元素面之后可以發(fā)現(xiàn)，實施預變形處理操作后，明顯減小氣孔，導致晶粒大小不均勻分布，一些區(qū)域具有偏大晶粒，進而增大平均晶粒尺寸，如下圖所示。將能譜分析法應用于分析部分區(qū)域中，研究表明：Fe元素富集在沒有經(jīng)過預變形處理的合金局部位置，其中含鐵相則源于熔鑄凝固過程，只有很少量存在于超高強鋁合金中。后續(xù)加工和熱處理都不會消除含鐵相，僅僅會促進其改變（主要轉變形貌，完成轉變后，仍然是含鐵相）和破碎。經(jīng)過預變形處理操作后，鑄錠組織分布十分均勻，主要構成要素包括Cu、Zn、Al、Mg，對比之下，鋁機體含有的Mg、Cu、Zn元素比較少，可以忽略不計，從實驗中可以得出結論，經(jīng)過固溶時效后的合金中仍然殘存一些Al、Zn、Mg、Cu，想要具體說明相成分，還需經(jīng)過后續(xù)XRD的說明驗證。

圖1 高強鋁合金實施預變形處理操作后內(nèi)部組織圖

兩個鋁合金擠壓材一和二在不同熱處理工藝下，其EBSD組織、晶粒尺寸、晶界角度分布都會有一定差異。通過研究分析可知，經(jīng)過預變形處理后，合金晶粒呈現(xiàn)日益增大趨勢，并且存在較大晶粒。通過對合金平均晶粒尺寸、高及低角度晶界角度平均值、高及低角度晶界百分比的分析可知，實施與變形處理后，合金平均晶粒尺寸持續(xù)增大，平均晶界角度有所下降，低角度晶界比例和平均角度有所提高，然而，角度平均值卻沒有發(fā)生明顯變化。上述研究證明，在對合金晶粒尺寸進行細化方面，預變形沒有發(fā)揮出來顯著作用和價值，然而，卻可以促進合金低角度晶界百分比的提高。

4 預變形對超高強鋁合金的影響

4.1 預變形影響合金強化機理

通過研究相關圖表可知，實施預變形處理操作可以使合金位錯強化、高角度晶界強化、低角度晶界強化的總強化得以提高。依據(jù)性能拉伸試驗數(shù)據(jù)材料，促進合金屈服強度的提高，保證其在標準誤差范圍中，使實驗值符合理論值，充分表明合金晶粒內(nèi)部位錯強化可以提高合金強度[9]。

4.2 預變形對合金抗腐蝕能力的影響

對于合金而言，完成預變形處理工作后，會有一些問題和缺陷出現(xiàn)在晶體中，包括錯位、空位等，這些缺陷會產(chǎn)生高能量，從而變窄PFZ，使存在于晶體內(nèi)、晶界的點位差不斷變小，最終使電位差導致的電化學反應程度持續(xù)減弱。腐蝕剝落作為一種特殊形式，仍然屬于晶間腐蝕范疇，腐蝕剝落源于一種電化學腐蝕物，位于合金表面晶界中，匯集大量腐蝕剝落后，會使體積迅速膨大，膨大的匯集物使經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)應力增加，促進點蝕、爆皮等現(xiàn)象發(fā)生于合金表面，抗晶間腐蝕和晶粒形貌是其主要影響因素。在多種因素影響和制約下，通過預變形處理后的合金，并沒有顯著改善其剝落腐蝕性能。此外，合金組織中低角度晶界的占比也會影響合金抗腐蝕性能，主要原因是低角度晶界的晶界能量比較低，因此，其狀態(tài)非常穩(wěn)定，這就增加其在腐蝕條件中被腐蝕的難度。

5 結語

綜上所述，預變形處理工藝對鋁合金拉伸性能、抗晶間腐蝕性能、密度等都具有積極促進作用。將科學合理的預變形工藝應用于超高強鋁合金中，可以使其使用性能得到進一步提升，有利于保障鋁合金在建筑、航天等領域的廣泛應用。