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 韋習成

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

7075鋁合金為Al- Zn- Mg- Cu系超高強合金，與目前應用廣泛的5000系和6000系鋁合金相比，其熱處理強化效果更明顯，具有更高的比強度及抗沖撞性能，已經逐漸成為汽車、航空航天等領域的重要研究對象。然而，經時效處理的7075鋁合金由于自身塑性的局限，難以實現大變形工件及復雜形狀產品的冷加工成形，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[1]，該工藝能夠實現7075鋁合金板材成形性與強度性能的雙重提升，對于推動高強鋁合金的廣泛應用具有重要的指導意義。

熱成形—淬火一體化工藝是一種針對復雜沖壓成形的高強度鋁合金板材的先進生產工藝，具體工藝流程如下：首先將板材加熱至最佳固溶溫度，保溫足夠的時間使溶質原子充分溶入鋁基體中；隨后板材被迅速轉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間；最后根據鋁合金的強化機制選用效率較高的時效方法，提高零件的力學性能。

盡管目前已經取得了許多鋁合金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的高溫拉伸試驗方法，即一方面，在7075鋁合金的高溫拉伸過程中僅保溫5 min后進行拉伸，由于保溫時間較短，試樣固溶不充分，獲得的高溫流變曲線可能無法真正體現HFQ工藝處理的合金力學性能。本課題組前期研究發現，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鋁合金板材的優選固溶參數為固溶溫度510 ℃，固溶時間30 min，此后自然時效析出的第二相能夠最大限度地回溶到鋁合金基體中，時效后合金的強度可高達538 MPa[2]。另一方面，凡曉波等研究發現，鋁合金板材經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效強化的效果[3- 4]，因此在冷卻至拉伸溫度及拉伸過程中需實現對板材的快速冷卻。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方案設計為：在510 ℃固溶保溫30 min后，空冷15 s，以模擬板材轉移至壓邊圈的過程，然后通過高壓氣淬實現板材的快速冷卻，并進行同步拉伸，以確保高溫拉伸試驗能夠盡量接近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，目前高溫拉伸試驗的研究中均未對此現象進行相應的設計和研究。

此外，各向異性影響合金板料熱沖壓過程的應變分布、壁厚減薄以及成形性能[5]。本文通過高溫拉伸試驗獲得了沿軋制方向不同角度的各向異性值，提供了補充數據。最后，通過掃描電鏡觀察并判定高溫拉伸試驗中7075- T4鋁合金板材的斷裂行為，為進一步開展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優化提供可靠依據。

1 試驗材料及方法

試驗采用西南鋁業提供的厚度為2 mm的T4態7075鋁合金板材，其化學成分見表1。為了保證7075- T4鋁合金板材成形件的強度高于原始T4態板材，采用課題組前期研究的優選固溶處理工藝參數，即7075- T4鋁板經過固溶處理(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電子萬能材料試驗機進行高溫拉伸試驗。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行反饋控制，試樣標距內的變形由高溫引伸計采集。為了模擬實際沖壓過程中板材轉移和定位的過程，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溫度，分別為25、100、200、300、400和440 ℃，淬火冷速達到30 ℃/s，分別在這6個溫度進行高溫拉伸試驗，應變速率為0.01 s-1；在溫度440 ℃、應變速率分別為0.001、0.01和0.1 s-1下進行拉伸；在溫度440 ℃、應變速率為0.01 s-1下，沿軋制方向(RD)及與軋制方向成45°(DD)和90°(TD)角的方向進行拉伸， 每組拉伸試驗均重復3次，具體工藝流程如圖2所示。測定厚向異性系數r值時，先將試樣標距分成3等份，測量每段的長度和寬度，在試樣產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，計算r值。

為了進一步研究試樣的高溫拉伸斷裂機制，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鋁合金的化學成分(質量分數)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流程Fig.2 Experimental program for high- temperature tensile test based on HFQ process

2 流變應力及力學性能

圖3采集了模擬空冷轉移后不同時長高壓氣淬的7075- T4鋁合金板材在不同初始溫度下拉伸的應力- 應變曲線及力學性能。可見7075- T4鋁合金板材在初始變形階段，應力隨應變迅速增加。這是由于在拉伸過程中：一方面位錯增殖導致位錯密度急劇增加，位錯互相作用，阻礙了位錯的運動，宏觀表現為應力急劇上升；另一方面則由于高溫塑性變形過程中通過熱激活產生的動態回復所導致的軟化，但遠遠抵消不了位錯增殖引起的硬化效應，因此曲線的初始階段均呈強化特征。初始變形階段之后，當初始拉伸溫度低于300 ℃時，強化效應明顯占主導地位，曲線呈單調遞增趨勢；當初始拉伸溫度高于300 ℃時，合金的動態軟化作用越來越明顯，軟化與硬化達到動態平衡，其應力- 應變曲線幾乎可以看作一條直線，呈穩態流變的特征。校文超等研究發現，當應變速率為0.01 s-1，初始拉伸溫度高于300 ℃時，7075- T4鋁合金板材發生了明顯的動態再結晶，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結果(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變速率高溫拉伸試驗結果如圖4所示。可見當應變速率由0.01 s-1提高至0.1 s-1時，合金的抗拉強度由68.3 MPa升高至92.2 MPa，與應變速率成正比例關系。當應變速率為0.1 s-1時，高溫流變應力曲線在初始拉伸階段就達到了峰值應力，且明顯高于其他應變速率下的峰值應力。這是由于較高的應變速率使位錯來不及運動而產生塞積，降低了板材的塑性所致[7]。然而，該曲線經過峰值應力后出現了明顯的軟化特征，主要原因是在較高的應變速率下，拉伸變形的溫度區間也高于0.01和0.001 s-1的溫度區間，當試樣達到臨界變形量時，試樣內部發生了動態再結晶，引起的軟化效應超過了加工硬化所產生的硬化效應，導致其流變應力曲線呈下降的趨勢。當應變速率由0.001 s-1提高至0.01 s-1時，抗拉強度由80.7 MPa降低至68.3 MPa，與應變速率成反比例關系。這是由于在低應變速率0.001 s-1下，板材在各應變量下的變形溫度均低于0.01 s-1下的變形溫度，從而解釋了應變速率增大時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變分布、壁厚減薄和成形性能，對正確選用屈服準則進行板材成形的有限元分析有著重要的指導作用。如圖5所示，在初始溫度為440 ℃、應變速率為0.001 s-1的條件下，7075- T4鋁合金板材沿軋制方向(RD)拉伸的力學性能均優于沿與軋制方向成45°(DD)和90°角的(TD)方向拉伸的，而垂直于軋制方向拉伸時板材的力學性能最差。這是由于板材在制造過程中經歷了軋制，使板材形成了織構組織，在宏觀上表現為各向異性，軋制方向的力學性能得到了很大改善。

進一步測得7075- T4鋁合金板材在不同方向上的厚向異性系數r值如表2所示。可見在初始溫度為440 ℃、應變速率為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]發現的7075- T6鋁合金板材的r值在溫度達到250 ℃時大于1的結果相符，說明7075- T4鋁合金板材在高溫成形時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變速率下的高溫拉伸試驗結果(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結果(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，可見當初始拉伸溫度在300 ℃以下時，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；當溫度升高至300 ℃以上時，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律，當初始拉伸溫度降低至室溫時試樣的斷口厚度可達到1.75 mm。進一步研究溫度與斷口厚度之間的關系，可以發現不同斷裂行為下的斷口厚度與溫度呈線性關系。通過origin軟件線性擬合獲得25～(300+△t)℃下截面厚度與溫度的關系式為y=-0.002 5x+1.45，(300+△t)～440 ℃下截面厚度與溫度的關系式為y=-0.003 56x+1.83，根據這兩條直線的交點計算可得7075- T4鋁合金板材高溫變形時的切向韌性與頸縮延性斷裂轉折溫度約為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中方框區域)，斷口邊緣為拋物線韌窩(見圖7c、7d中圓框區域)，說明斷口邊緣受到撕裂應力的作用。斷口表面的小孔數量明顯增多，平均韌窩尺寸也逐漸增加至300 ℃時的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。當在初始溫度400～440 ℃拉伸時，試樣斷口附近出現明顯的頸縮，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，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。產生這種斷裂微觀形貌的主要原因是在拉伸過程中，位錯環被推向第二相粒子，當位錯環被推到粒子與基體界面處后，第二相在斷裂時形成微孔；另一方面新的位錯環被不斷地推向微孔，導致微孔迅速擴展。這表明7075- T4鋁合金板材的斷裂機制為微孔聚集斷裂。

4 結論

(1)當初始拉伸溫度從室溫升高至440 ℃時，7075- T4鋁合金板材的抗拉強度從淬火態的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， 從淬火態的15%提高到了440 ℃時的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)在應變速率和溫度的共同作用下，當應變速率由0.01 s-1增加到0.1 s-1時，7075- T4鋁合金板材的抗拉強度從68.3 MPa升高至92.2 MPa，斷后伸長率從26.1%降低至18.5%；當應變速率由0.001 s-1增加至0.1 s-1時，抗拉強度從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，7075- T4鋁合金板材在RD方向的力學性能高于DD和TD方向的力學性能。板材的厚向異性系數為1.495，Δr的絕對值較小，說明板材的拉延性能較好。

(4)當初始拉伸溫度降低至300 ℃以下時，試樣的斷口均為切向韌性斷口，說明塑性不足；當初始拉伸溫度提高至300 ℃以上時，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折溫度約為358℃，斷裂機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