退火和冷變形工藝對7075T73鋁合金線材組織性能的影響

李 偉,周澤宇,肖 翔,林 茂,張秋錦,劉 成

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司,北京 102209; 2.西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司, 隴西 748111)

作為機(jī)械基礎(chǔ)零件,緊固件與主機(jī)和部件共同承擔(dān)溫度、載荷、交變振動、剪切扭轉(zhuǎn)、腐蝕等工況條件。在緊固件連接中,主要的力學(xué)參數(shù)有鎖緊力矩、擰斷力矩以及預(yù)緊力,其中鎖緊力矩是緊固件自鎖及防松性能的重要指標(biāo),鎖緊力矩達(dá)不到要求會對飛機(jī)的安全造成嚴(yán)重的影響[1-2]。7075T73鋁合金緊固件制造過程中的關(guān)鍵工序決定了緊固件的鎖緊力矩;7075T73鋁合金線材需要具備一定的塑性變形能力,滿足鋁合金緊固件的制造工藝和服役性能要求。

目前國內(nèi)航空標(biāo)準(zhǔn)件制造企業(yè)采用國外7075T73鋁合金線材,在螺母制造過程中出現(xiàn)開裂,成品率較低。國產(chǎn)高強(qiáng)鋁合金線材也存在相同的問題。因此需要分析鋁合金緊固件成形開裂行為,研究制備工藝對高強(qiáng)鋁合金線材組織性能的影響,優(yōu)化高強(qiáng)鋁合金線材的成形性能,滿足緊固件企業(yè)的制造需求。

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同退火和冷變形工藝對7075T73鋁合金線材晶粒組織的影響,評價(jià)不同晶粒形貌下合金的彎曲變形性能,探究合金晶粒形貌對線材變形開裂性能的影響,旨在為7075T73鋁合金工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的材料為工業(yè)化生產(chǎn)的φ8 mm的7075鋁合金擠壓態(tài)線材,在試驗(yàn)條件下進(jìn)行不同工藝的退火和冷軋制備,然后進(jìn)行473 ℃1 h固溶和107 ℃8 h+177 ℃8 h時(shí)效的T73處理,其工藝制度見表1。對不同退火和冷軋工藝的試樣浸蝕后進(jìn)行金相觀測。

表1 7075T73鋁合金φ8 mm線材退火和冷變形工藝參數(shù)

試驗(yàn)選擇不同變形工藝的φ8 mm的7075T73鋁合金線材,其工藝制度見表2,對不同工藝的線材浸蝕后進(jìn)行金相觀察和彎曲性能測試。

表2 不同7075T73鋁合金線材的變形工藝

試樣經(jīng)過280#～2000#機(jī)械打磨和粗精拋光,經(jīng)過Graff試劑(1 mL HF,16 mL HNO3,83 mL H2O,3 g CrO3)浸蝕試樣表面2 min,采用Carl Zeiss光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣組織形貌。從線材上取2 mm厚彎曲性能試樣(見圖1),彎曲方向?yàn)榇怪陛S線方向。

圖1 線材彎曲性能的取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 退火和冷變形對7075T73鋁合金線材晶粒形貌的影響

2.1.1 未退火工藝

圖2為未退火工藝下7075T73鋁合金線材不同冷變形量的晶粒形貌。7075T73鋁合金線材由灰白色長條狀和黑色條帶晶粒組成,黑色條帶狀晶粒為回復(fù)亞晶晶粒,而白亮長條狀晶粒為再結(jié)晶晶粒。由圖2可知,在無退火工藝和不同冷軋工藝下,7075T73鋁合金晶粒以再結(jié)晶晶粒為主,存在少量回復(fù)亞晶晶粒;隨著冷變形量的增加,合金的再結(jié)晶程度增大,且再結(jié)晶晶粒尺寸隨之減小。

圖2 未退火7075-T73鋁合金線材不同冷變形量的晶粒形貌

2.1.2 410 ℃退火工藝

圖3為410 ℃1 h退火后7075T73鋁合金線材經(jīng)不同冷軋變形量的晶粒形貌。由圖3可知,在410 ℃1 h退火后經(jīng)不同冷軋變形的7075T73鋁合金晶粒以再結(jié)晶晶粒為主,存在少量回復(fù)亞晶晶粒;隨著冷軋變形量的增加,合金中的再結(jié)晶晶粒含量增加;冷軋變形量到30%時(shí),7075鋁合金基本為完全再結(jié)晶組織。

2.1.3 不同退火溫度

圖4為不同退火工藝下7075T73鋁合金線材經(jīng)35%冷軋變形量的晶粒形貌。

由圖4可知,在35%冷軋工藝下,無退火的7075T73鋁合金的回復(fù)亞晶含量最高,增加退火工藝的7075T73鋁合金基本上為完全再結(jié)晶的晶粒形貌,隨著退火溫度升高,回復(fù)亞晶含量略微降低;在35%冷軋工藝下,無退火的7075T73鋁合金的再結(jié)晶晶粒尺寸最小,而退火溫度越低,7075T73鋁合金再結(jié)晶晶粒尺寸越小。

2.1.4 不同退火工藝晶粒對比

圖5為不同退火工藝和冷變形量的7075T73鋁合金線材的晶粒尺寸及亞晶含量。由圖5可知,在冷軋變形量為35%的條件下,退火合金的回復(fù)亞晶含量明顯低于未退火的,退火溫度越高,合金的回復(fù)亞晶含量越低,350 ℃、375 ℃和410 ℃溫度保溫1 h退火后合金的回復(fù)亞晶含量分別為1.4%、1.1%和0.7%,明顯低于無退火工藝6.5%的;而退火后合金的晶粒尺寸明顯較大,退火溫度越高,合金的晶粒尺寸越大,350 ℃、375 ℃和410 ℃溫度保溫1 h退火合金的晶粒尺寸(等效圓直徑)分別為15.2 μm、16.4 μm和17.8 μm,明顯大于無退火工藝14.4 μm的。

圖5 不同退火工藝和冷軋變形量的7075T73鋁合金線材的晶粒情況

2.2 晶粒形貌對合金彎曲性能的影響

圖6為不同7075T73鋁合金的金相組織。擠壓+大變形拉拔后7075T73鋁合金組織為帶狀細(xì)小的完全再結(jié)晶組織,晶粒長軸平均尺寸約112 μm,短軸尺寸為29 μm;擠壓后的合金晶粒為完全回復(fù)亞晶的晶粒形貌,晶粒為沿徑向分層的層狀形貌;擠壓+小變形拉拔后的合金組織為再結(jié)晶晶粒和回復(fù)亞晶的混合晶粒,以回復(fù)亞晶為主,且再結(jié)晶沿?cái)D壓方向拉長。因此,不同拉撥變形量的7075T73鋁合金晶粒形貌存在顯著差異。

圖6 不同7075T73鋁合金線材的晶粒金相組織

圖7和表3為不同拉撥變形量的7075T73鋁合金線材彎曲性能評價(jià)。在3種不同晶粒形貌的7075T73鋁合金線材中,完全再結(jié)晶合金的抗彎強(qiáng)度和彎曲位移最大,在最高點(diǎn)處彎曲曲線較為光滑,沒有顯著突然下降,說明其缺口敏感性較低;完全回復(fù)亞晶和混合晶粒的合金抗彎強(qiáng)度和彎曲位移較低,且最高點(diǎn)處曲線尖銳。因此,完全再結(jié)晶組織的7075T73鋁合金線材的性能優(yōu)于層狀變形晶粒和長條混合晶粒組織的性能。

圖7 不同7075T73鋁合金線材的抗彎強(qiáng)度-位移曲線

表3 不同7075T73鋁合金線材的抗彎強(qiáng)度和最大應(yīng)力處位移

3 分析討論

7075T73鋁合金線材的退火和冷變形工藝研究結(jié)果表明,與未退火合金線材相比,退火后合金線材具有更大的再結(jié)晶分?jǐn)?shù),且退火溫度越高,合金線材的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)越大。原因是經(jīng)過退火后7075鋁合金中析出微米級顆粒第二相,成為7075鋁合金PSN再結(jié)晶形核的核心,促進(jìn)了合金的再結(jié)晶行為,提高了合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。與未退火合金線材相比,退火后的合金線材具有更大的再結(jié)晶晶粒尺寸,且退火溫度越高,合金線材的再結(jié)晶晶粒尺寸越大。主要是經(jīng)過退火后,合金的擠壓熱變形位錯(cuò)能量部分回復(fù),導(dǎo)致再結(jié)晶驅(qū)動力降低,再結(jié)晶核心減少再結(jié)晶晶粒較大。

增加合金線材的冷變形量,合金線材的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)提高且晶粒尺寸減小,主要是增加冷變形量后,增加了合金的冷變形位錯(cuò)密度和再結(jié)晶驅(qū)動力,促進(jìn)了合金的再結(jié)晶形核數(shù)量,提高了合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和細(xì)化了晶粒。

緊固件用線材的成形能力與7075T73鋁合金的晶粒組織有顯著的相關(guān)性,長條狀的回復(fù)亞晶和混合晶粒形貌容易發(fā)生沿晶間斷裂,而完全再結(jié)晶組織不容易形成裂紋。緊固件在成形過程應(yīng)力作用下,裂紋容易在長條晶粒形貌的層狀晶界處開裂,且長條晶界難以阻擋裂紋的擴(kuò)展;而完全再結(jié)晶組織可以引起裂紋分叉,分散裂紋能量和降低開裂動力。

4 結(jié) 論

本文通過開展7075T73鋁合金線材不同工藝下的晶粒組織和性能評價(jià),研究了退火和冷變形工藝對7075T73鋁合金線材的晶粒組織,及晶粒對線材成形性能的影響,可以得出以下結(jié)論:

1)增加退火工藝和冷變形量,有效促進(jìn)7075T73鋁合金線材的再結(jié)晶行為,提高合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù);而采用未退火工藝和增加冷變形量,細(xì)化了合金的再結(jié)晶晶粒尺寸。

2)7075T73鋁合金的晶粒形貌對緊固件成形開裂有顯著影響,等軸晶粒形貌有效提高合金的塑性變形能力和缺口敏感性,抑制成形過程的裂紋開裂和擴(kuò)展。采用退火+大變形冷拉拔工藝路線,有效地提高合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和細(xì)化晶粒尺寸,提升了7075T73鋁合金線材的成形性能。