熱加工對(duì)鋁合金組織和性能影響的研究現(xiàn)狀

林雨溦

（重慶科技大學(xué)冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）

0 前言

鋁在地殼中的含量豐富，僅次于氧和硅。目前，鋁是最常用的有色金屬。純鋁的強(qiáng)度較低，其抗拉強(qiáng)度約50 MPa，限制了鋁的應(yīng)用。在純鋁中添加其他合金元素，可制造出滿足各種性能、功能和用途的鋁合金材料。根據(jù)添加合金元素的種類、含量及合金的性能，將鋁合金分為兩大類：變形鋁合金和鑄造鋁合金。按合金成分和性能的特點(diǎn)，可將變形鋁合金分為不能熱處理強(qiáng)化鋁合金和可熱處理強(qiáng)化鋁合金兩大類，見圖1[1]。

圖1 鋁合金的分類示意圖

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車輕量化、3C 電子、體育器械、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。表1為變形鋁合金系列的命名[2]。圖2簡(jiǎn)要說明了變形鋁合金的主要合金元素及合金化的關(guān)系[3]。

表1 變形鋁合金系列的命名

圖2 典型變形鋁合金的合金化關(guān)系

一般來說，變形鋁合金產(chǎn)品（鑄軋鋁合金除外）制備的生產(chǎn)工藝流程是：熔煉鑄造（制坯）→均勻化熱處理（均質(zhì)）→熱加工（熱軋/熱擠壓/熱鍛造等）→冷加工（冷軋/冷擠壓、室溫軋制、冷拉拔/冷鍛等） →熱處理（退火/固溶淬火/時(shí)效等）→產(chǎn)品性能檢測(cè)（化學(xué)成分/力學(xué)性能/腐蝕性能/組織等）→包裝入庫(kù)。

本文重點(diǎn)綜述變形鋁合金的常規(guī)熱加工（即熱擠壓、熱軋制、熱鍛壓）過程中合金組織的演變，以及對(duì)合金力學(xué)性能和斷裂韌性等的影響，并針對(duì)目前存在的問題及與國(guó)外先進(jìn)熱加工技術(shù)的差距，提出了今后的發(fā)展方向。

1 熱加工過程中的組織演變

工業(yè)生產(chǎn)鋁合金制品時(shí)，目前最常用的方法是采用直接水冷半連續(xù)鑄造（DC）制備鋁合金錠坯。不同種類的鋁合金具有不同的組織形貌和組織特征，但由于半連續(xù)鑄造的方式及凝固特點(diǎn)，鑄造過程中強(qiáng)烈的冷卻作用引起的濃度過冷和溫度過冷，使合金凝固后的鑄態(tài)組織偏離平衡狀態(tài)，鋁合金鑄錠又有相同或類似的組織特征。圖3是7449鋁合金鑄態(tài)的典型組織形貌[4]。

圖3 Al-Zn-Mg-Cu 合金（7449合金）鑄態(tài)組織形貌

鋁合金鑄態(tài)組織特征表明，合金鑄態(tài)時(shí)（鑄軋鋁合金不在此列）的強(qiáng)度低、塑性差，耐腐蝕性能也差，這極大地限制了鋁合金的實(shí)際應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，采用塑性變形和熱處理等加工方式，改變合金組織結(jié)構(gòu)，調(diào)控合金顯微組織特征，以獲得期望的綜合性能。

塑性變形主要是熱加工和冷加工。熱加工是鋁合金生產(chǎn)制備的重要工序之一。鋁合金的熱加工是指鋁及鋁合金錠坯在再結(jié)晶溫度以上所完成的塑性成形過程[5]。但實(shí)際生產(chǎn)中的熱加工變形溫度可低于該合金的再結(jié)晶溫度，一般根據(jù)合金的熱塑性溫度范圍選擇熱加工溫度。

熱加工變形能有效地改變鋁及鋁合金的鑄態(tài)組織。一是熱加工變形使鑄態(tài)組織中粗大的柱狀晶粒破碎，經(jīng)過多次反復(fù)變形，使合金的組織成為較均勻細(xì)小的等軸晶粒，同時(shí)，還能愈合合金組織內(nèi)部的部分微裂紋；二是在外力的作用下，可促進(jìn)鑄態(tài)組織中存在的氣泡焊合，縮孔壓實(shí)，疏松壓密，合金材料變?yōu)檩^致密的組織結(jié)構(gòu)；三是由于高溫原子熱運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，在壓應(yīng)力的作用下，借助原子的自由擴(kuò)散，可降低合金的微觀偏析程度，提高合金鑄錠化學(xué)成分的均勻性。圖4為7085合金鑄態(tài)和加工態(tài)的顯微組織，從圖中比較可以看出，變形加工后固溶處理比均勻化處理后的鑄態(tài)晶粒尺寸更細(xì)小[5-6]。

圖4 7085合金的鑄態(tài)和變形加工后固溶淬火態(tài)顯微組織

常見的鋁合金熱加工方法有熱擠壓、熱軋制、熱鍛壓、熱頂鍛、液態(tài)模鍛、半固態(tài)成形、連續(xù)鑄軋、連鑄連軋、連鑄連擠等。熱加工時(shí)，錠坯的塑性較高而變形抗力較低，可以用加工能力較小的設(shè)備生產(chǎn)變形量較大的產(chǎn)品。為了保證產(chǎn)品的組織性能，應(yīng)嚴(yán)格控制工件的加熱溫度、變形溫度、變形程度以及變形終了溫度和變形后的冷卻速度。

1.1 熱加工變形溫度對(duì)合金組織的影響

熱加工過程中，變形溫度對(duì)材料的機(jī)械性能影響最大，它直接影響到變形組織、位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)、第二相析出速度、析出物大小和形狀以及后來的轉(zhuǎn)變。變形溫度對(duì)位錯(cuò)密度的影響十分顯著，位錯(cuò)密度隨變形溫度的升高而呈下降趨勢(shì)。在變形初期，隨著變形量的增大，合金內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸堆積，位錯(cuò)密度逐漸增加。位錯(cuò)與位錯(cuò)之間，以及位錯(cuò)與第二相之間的交互作用使位錯(cuò)被限制在一定區(qū)域內(nèi)，形成胞狀組織[7]（見圖5）。如果變形溫度較高，原子的可動(dòng)性增強(qiáng)，位錯(cuò)可通過交滑移和攀移，造成異號(hào)位錯(cuò)湮沒，同號(hào)位錯(cuò)重組，并發(fā)生多邊化。這種過程使變形晶粒的能量降低，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象，變形從加工硬化階段逐漸向穩(wěn)態(tài)階段轉(zhuǎn)變。當(dāng)變形溫度較低時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶沒有足夠的驅(qū)動(dòng)力，合金主要發(fā)生一定程度的動(dòng)態(tài)回復(fù)，微觀組織表現(xiàn)為典型的亞晶結(jié)構(gòu)[8]（見圖6），但是，變形所導(dǎo)致的位錯(cuò)增殖和塞積程度大于動(dòng)態(tài)回復(fù)所湮沒的位錯(cuò)，所以位錯(cuò)密度仍然較高；當(dāng)變形溫度較高時(shí)，位錯(cuò)的遷移能力變強(qiáng)，局部區(qū)域形成的高密度位錯(cuò)促使合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度下降[9]。

圖5 鋁及鋁合金位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)演變示意圖

圖6 鋁合金熱加工過程中典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)組織（TEM）

1.2 熱加工變形程度對(duì)合金組織的影響

隨著變形程度的增加，亞晶不斷吞并長(zhǎng)大，慢慢形成再結(jié)晶晶粒，即發(fā)生了連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，合金中的亞晶界逐漸消失，晶界變得清晰，位錯(cuò)密度減小。研究表明，較大變形程度對(duì)合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的充分進(jìn)行有利。因?yàn)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力來自于軋制過程中的應(yīng)變能，當(dāng)變形程度較小時(shí)，應(yīng)變能不足以滿足所有晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的能量，除熱量耗散外，材料吸收的大部分應(yīng)變能通過動(dòng)態(tài)回復(fù)釋放，不出現(xiàn)或者發(fā)生少量不完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著變形程度的增加，晶粒變形嚴(yán)重，儲(chǔ)存能增加，再結(jié)晶晶粒的形核率和長(zhǎng)大速度均得到提高，應(yīng)變產(chǎn)生的大量空位使位錯(cuò)快速攀移，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可以在合金中充分進(jìn)行。

陳高紅[10]等針對(duì)不同熱軋工藝制備的7B50-T7751 鋁合金厚板，通過金相顯微鏡、EBSD 等方法對(duì)合金的組織特征進(jìn)行了表征與分析，并對(duì)比分析了不同熱軋工藝制備的板材的室溫拉伸性能和斷裂韌性。結(jié)果表明，軋制過程使板材織構(gòu)呈不均勻分布，板材1/4厚度位置主要是變形織構(gòu)，1/2厚度位置主要是再結(jié)晶織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度較1/4 厚度位置的弱。通過減少軋制道次、提高道次變形量、提高終軋溫度可以使板材在熱軋過程中充分回復(fù)，釋放變形儲(chǔ)能，在后續(xù)熱處理后不同厚度位置均保留變形織構(gòu)（見圖7）。變形織構(gòu)可以有效提高合金的斷裂韌性和拉伸性能，同時(shí)也增加了厚板的各向異性。

圖7 7B50合金厚板在不同熱加工變形程度下的顯微組織

1.3 熱加工變形速率對(duì)合金組織的影響

單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)變形量稱為變形速率，即相對(duì)變形量對(duì)時(shí)間的變化率。變形速率較低時(shí)，材料變形時(shí)間長(zhǎng)，位錯(cuò)可以通過攀移和滑移進(jìn)行對(duì)消，位錯(cuò)反應(yīng)充分，晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度較低。充分的變形時(shí)間為再結(jié)晶晶粒的形核提供了很好的結(jié)構(gòu)條件，但合金儲(chǔ)存能較少，應(yīng)變能提供動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的驅(qū)動(dòng)力較低，所以只能在具有能量起伏的局部區(qū)域率先形核，再結(jié)晶形核率較低，但動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核有充分的時(shí)間繼續(xù)長(zhǎng)大。當(dāng)變形速率增大時(shí)，材料單位應(yīng)變熱激活能增大，位錯(cuò)活性增強(qiáng)，易于擴(kuò)散和增殖，但材料變形時(shí)間短，位錯(cuò)來不及攀移，變形儲(chǔ)存能沒有時(shí)間釋放，位錯(cuò)塞積現(xiàn)象嚴(yán)重，位錯(cuò)密度較高。此時(shí)，再結(jié)晶形核位置多，且來不及長(zhǎng)大，晶粒細(xì)化[11-13]。同時(shí)，位錯(cuò)可動(dòng)性增強(qiáng)也使亞晶界應(yīng)力場(chǎng)影響范圍擴(kuò)大，亞晶界之間的距離變大，亞晶尺寸變小[14-15]。

郭端路[16]研究了6016 鋁合金在熱拉伸溫度為500 ℃時(shí)不同應(yīng)變速率下變形后的顯微組織形貌，見圖8。比較發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率0.01s-1下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶結(jié)果最好，晶粒為等軸晶，相比較原始晶粒更細(xì)小，圓整度更好，而且尺寸更均勻。研究表明，應(yīng)變速率影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的機(jī)制主要體現(xiàn)在：應(yīng)變速率的降低延長(zhǎng)了變形時(shí)間，一旦發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核，則晶核就有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大。相反，在高應(yīng)變速率下材料的變形時(shí)間很短，晶核來不及長(zhǎng)大，所以常在被拉長(zhǎng)晶粒晶界周邊發(fā)現(xiàn)許多很細(xì)小的晶粒組織。

圖8 不同應(yīng)變速率下的6016鋁合金顯微組織（熱加工溫度為500 ℃）

1.4 合金元素對(duì)合金熱加工后組織的影響

低層錯(cuò)能的合金元素可以改變熱加工過程中的動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制。在達(dá)到臨界應(yīng)變后，降低堆垛層錯(cuò)能的鎂元素含量元素不足時(shí)會(huì)降低動(dòng)態(tài)回復(fù)的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。一般來說，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶似乎不會(huì)發(fā)生在含有少于4% Mg 的鋁合金中。含Cu、Zr 等溶質(zhì)的鋁合金不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在這些合金中，析出相粒子的存在降低了晶界的流動(dòng)性，甚至降低了靜態(tài)再結(jié)晶的形成速率。

2 熱加工對(duì)合金性能的影響

合金的組織決定了合金的性能，不同合金的性能對(duì)應(yīng)不同的合金組織。合金鑄態(tài)組織在晶界和枝晶界存在有大量的非平衡共晶，嚴(yán)重影響合金在鑄態(tài)時(shí)的強(qiáng)度與塑性。表2為2024鋁合金鑄態(tài)時(shí)不同部位的力學(xué)性能。同一根圓鑄錠，由于鑄錠不同位置的晶粒大小不同，不同部位的性能也有差異，如表2、圖9[17]所示?？傮w來說，合金鑄態(tài)的強(qiáng)度較低，其塑性尤其差，極大地限制了合金的應(yīng)用。

表2 2024合金圓鑄錠鑄態(tài)時(shí)不同部位的力學(xué)性能

圖9 2024合金鑄錠不同部位的晶粒組織

工業(yè)生產(chǎn)中采用熱加工變形等加工方式，破碎鑄態(tài)組織中粗大的柱狀晶粒，盡可能消除鑄態(tài)組織中的疏松、微孔等缺陷，獲得較均勻細(xì)小的等軸晶粒的合金組織，從而明顯改善合金的性能，實(shí)現(xiàn)合金的強(qiáng)韌性配合。

表3為2024鋁合金熱擠壓加工及固溶時(shí)效熱處理后的力學(xué)性能[18]，與合金鑄態(tài)時(shí)的力學(xué)性能比較，熱加工后的合金材料，其力學(xué)性能及塑性獲得了極大的提升，這與合金的顯微組織相對(duì)應(yīng)，如圖10 所示。由于美鋁2024 合金在熱擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得材料軟化，硬度和強(qiáng)度均有所降低。

表3 2024合金擠壓型材的力學(xué)性能

圖10 2024合金擠壓型材縱截面顯微組織

昌江郁[19]等研究了厚度為20 mm7056鋁合金板在厚度方向的組織、織構(gòu)、性能以及軋制變形規(guī)律，重點(diǎn)揭示厚度方向1/4 處軋制變形與織構(gòu)和性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明：從厚板表層到心部再結(jié)晶程度逐漸增加；板材強(qiáng)度沿厚度方向呈“W”型分布，在厚度方向1/4 處強(qiáng)度最低（見圖11）。其主要原因是軋制過程中厚板1/4 層的剪切應(yīng)力顯著比表層與心部的大，且該層的應(yīng)變、應(yīng)變速度和金屬流動(dòng)速度比表層的高，引起軋制變形不均勻。

圖11 7056合金軋板厚度方向上不同位置的力學(xué)性能

圖11可以看出，從板材表層到心部，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均呈先降低后升高的趨勢(shì)，在厚度方向1/4 處附近抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度達(dá)到最低值。其表層抗拉強(qiáng)度為625 MPa，屈服強(qiáng)度為612 MPa；心部的抗拉強(qiáng)度為603 MPa，屈服強(qiáng)度為589 MPa；最低點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度為592 MPa，屈服強(qiáng)度為568 MPa。研究認(rèn)為，軋制期間鋁合金軋板沿厚度方向上1/4 處的剪切應(yīng)力、軋向應(yīng)變、軋向應(yīng)變速度與軋向金屬流動(dòng)速度比表層大，引起軋制加工的變形不均勻，即熱軋制加工不同的變形程度導(dǎo)致合金呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。

袁鴿成[20]等采用正向擠壓法，研究了擠壓溫度和擠壓速度對(duì)7075 鋁合金擠壓性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)加熱溫度為340～420 ℃時(shí)，7075 合金的擠壓流出速度可控制在2～6 m ?min-1范圍內(nèi)；隨加熱溫度的增加，突破擠壓力降低，但合金的擠壓成形性能明顯變差，許可擠壓速度減少；隨加熱溫度的降低，擠壓成形性能提高，但突破擠壓力增大，可能造成悶車現(xiàn)象；加熱溫度及擠壓速度對(duì)合金擠壓變形后的微觀組織及硬度無明顯影響，合金均將發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或部分再結(jié)晶。

張新[21]等采用擠壓鑄造成形工藝制備7055高強(qiáng)鋁合金，研究了熱擠壓參數(shù)對(duì)合金力學(xué)性能及微觀組織的影響。結(jié)果表明，熱擠壓態(tài)下的7055 鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能均優(yōu)于鑄態(tài)，并且晶粒隨著比壓的增加趨于細(xì)化，抗拉強(qiáng)度隨著比壓的增加趨于提高。當(dāng)比壓為75 MPa時(shí)，在730 ℃溫度下進(jìn)行擠壓澆注，經(jīng)過雙級(jí)固溶處理和時(shí)效后，合金的晶粒明顯細(xì)化，抗拉強(qiáng)度達(dá)到681.4 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到7.14%。

在熱軋變形加工過程中，通過減少軋制道次、提高道次變形量、提高終軋溫度，可以使7B50-T7751鋁合金板材在熱軋過程中充分回復(fù)，釋放變形儲(chǔ)能，在后續(xù)熱處理后由于變形儲(chǔ)能小而抑制再結(jié)晶，不同厚度位置均保留了大量的變形織構(gòu)。變形織構(gòu)可以有效提高7B50-T7751 鋁合金的斷裂韌性和拉伸性能（見表4），同時(shí)也增加了各向異性[10]。

表4 7B50-T7751合金80 mm厚板的斷裂韌性

熱軋制、熱擠壓和熱鍛造等熱加工變形，均是將鑄態(tài)的合金錠坯在合金具有較好的熱塑性的高溫溫度范圍內(nèi)加工變形，合金由鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織，以獲得不同形狀、不同尺寸和不同性能的鋁合金材料。熱變形加工方式不同，獲得的合金材料組織也不相同，其性能也各有差異。對(duì)同一種鋁合金來說，熱擠壓時(shí)合金材料三向受力變形，晶粒相對(duì)最為細(xì)小，抗拉強(qiáng)度最高；熱軋制時(shí)合金材料兩向受力變形，合金強(qiáng)度次之；熱鍛造時(shí)合金材料的變形程度相對(duì)較小且組織不均，其強(qiáng)度相對(duì)最低。

3 結(jié)論

目前，鋁合金熱加工技術(shù)與前三十年相比，并無根本改變和明顯進(jìn)步，但近些年，隨著熱加工裝備的發(fā)展和對(duì)鋁合金加工基礎(chǔ)特性研究工作的重視，尤其是近年來鋁加工模擬仿真技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)材料微觀組織的調(diào)控精度在不斷提高，并通過實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)化生產(chǎn)的大量數(shù)據(jù)積累，在合金的均勻化熱處理、熱加工變形溫度-終了溫度的控制以及變形程度與變形速度的控制等方面，已經(jīng)形成了較完善穩(wěn)定的工藝技術(shù)文件和規(guī)范的操作規(guī)程。但仍然與國(guó)外先進(jìn)的鋁合金熱加工技術(shù)存在明顯的差距，主要表現(xiàn)在鋁合金厚板和鋁合金鍛件的組織、性能均勻性和穩(wěn)定生產(chǎn)等方面。

鋁合金熱加工變形是制備鋁合金產(chǎn)品重要的工序之一。應(yīng)強(qiáng)化鋁合金加工變形基礎(chǔ)特性研究，借助先進(jìn)的加工設(shè)備、組織表征及性能檢測(cè)和模擬仿真技術(shù)，精確控制熱加工過程中合金的第二相的溶解與析出、數(shù)量、形貌以及分布，掌握熱加工變形程度的大小對(duì)合金變形畸變能、殘余應(yīng)力、疏松組織焊合以及后續(xù)熱處理合金再結(jié)晶程度的影響機(jī)理，探明熱加工溫度場(chǎng)、加工變形率及變形速率等對(duì)合金組織及性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)熱加工變形對(duì)鋁合金組織的精確調(diào)控，從而獲得組織均勻、性能穩(wěn)定的鋁合金加工產(chǎn)品。