劉金輝，譚日純，黃和鑾，梁前進(jìn)

（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(jìn)步與發(fā)展的背景條件下，對(duì)鋁合金這一主體結(jié)構(gòu)材料性能提出更高更嚴(yán)格要求。當(dāng)前備受關(guān)注的研究課題就是研制出具有更高抗拉強(qiáng)度、更優(yōu)越性能的超高強(qiáng)鋁合金。本文將固溶處理后的鋁合金作為研究對(duì)象，研究預(yù)變形工藝對(duì)其組織和性能的影響作用。

1 分析預(yù)變形對(duì)超高強(qiáng)鋁合金影響作用的意義

鋁合金材料應(yīng)用十分廣泛，能夠?qū)?jiān)實(shí)基礎(chǔ)奠定出來(lái)，有利于促進(jìn)道路建設(shè)、建筑、武器制造等方面的進(jìn)一步發(fā)展。因此，有關(guān)機(jī)構(gòu)在深入研討鋁合金工藝前提下，將超高強(qiáng)鋁合金定義提出來(lái)，從而拓寬其應(yīng)用范圍。現(xiàn)階段，超高強(qiáng)鋁合金已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的材料，究其原因，主要是其優(yōu)勢(shì)明顯，較低材質(zhì)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(duì)于相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)而言，想要使超高強(qiáng)鋁合金使用功能得以提升，需保證現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性，在此前提下，全面分析預(yù)變形對(duì)鋁合金產(chǎn)生的影響，為工業(yè)領(lǐng)域持續(xù)、健康發(fā)展提供保證[1]。

將預(yù)變形試驗(yàn)應(yīng)用于鋁合金材料中時(shí)，想要保持超高強(qiáng)鋁合金自身功能特性，如不會(huì)對(duì)材料密度、稱(chēng)重、塑性等方面產(chǎn)生影響，通常情況下，實(shí)驗(yàn)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(yùn)用熱處理法，將此種處理方式應(yīng)用于超高強(qiáng)鋁合金材料性能中，可以減少溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響。固溶鋁合金材料之后，在對(duì)其開(kāi)展預(yù)變形處理工作時(shí)，必須高度重視時(shí)效性問(wèn)題，保證超高強(qiáng)鋁合金在標(biāo)準(zhǔn)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(yù)變形位錯(cuò)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)條件。通過(guò)這種人為合金材料，將位錯(cuò)引進(jìn)來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)研究使用過(guò)程中合金材料的性能應(yīng)用外力干預(yù)超高強(qiáng)鋁合金材料的析出，對(duì)提高超高強(qiáng)鋁合金使用性能具有積極促進(jìn)作用[2]。

2 超高強(qiáng)鋁合金預(yù)變形實(shí)驗(yàn)程序

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

通過(guò)分析可知預(yù)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(yù)變形工藝加工應(yīng)用于某一型號(hào)鋁合金材料中，可以在短時(shí)間內(nèi)使超高強(qiáng)鋁合金材料達(dá)到最高強(qiáng)度。并且針對(duì)固溶后材料，在時(shí)效范圍內(nèi)實(shí)施加工處理操作，可以削弱加工過(guò)程中殘留在材料內(nèi)部的應(yīng)力，通過(guò)預(yù)變形的應(yīng)用，在其中引進(jìn)人工位錯(cuò)，大幅度提高超高強(qiáng)合金運(yùn)用性能。相應(yīng)合金材料及變形工藝在個(gè)別情況也會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生不利影響，例如將預(yù)變形加工應(yīng)用于某些合金材料中，增加鋁合金局部腐蝕的嚴(yán)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(jìn)行有關(guān)研討試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)原材料開(kāi)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(zhǔn)備好的鑄鐵模中澆注熔煉后的原材料，促進(jìn)鑄錠的形成[3]。

2.2 實(shí)驗(yàn)程序

將準(zhǔn)備工作做好之后再進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)原材料成分進(jìn)行細(xì)致分析，將鋁合金材料放置在能譜儀器中，對(duì)鋁合金材料中各種元素類(lèi)型、含量進(jìn)行高效分析，這個(gè)分析成果可以將原料中實(shí)測(cè)成分表示出來(lái)。將兩種模式加工處理方式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)對(duì)象鋁合金的鑄錠中，主要包括：應(yīng)用多級(jí)鋁合金均質(zhì)化處理工藝，有四部分包含在均質(zhì)化退火處理中，400℃是起始溫度，以后每一級(jí)增加溫度20℃，6h是前三部分退火時(shí)間，12h是最后一部分退火時(shí)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(biāo)準(zhǔn)處理鑄錠，擠壓原材料，使其成為棒形，35mm是棒料的直徑標(biāo)準(zhǔn)。將強(qiáng)化鋁合金材料固溶處理工藝作為預(yù)變形的實(shí)驗(yàn)固溶制度，針對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展固溶處理工作后，必須在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)施水淬操作，確保不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)綜合成效造成影響。通過(guò)對(duì)水淬處理法的應(yīng)用，工作人員還需在鋁合金中使用T6時(shí)效加工處理法，再針對(duì)上述樣品開(kāi)展編排號(hào)碼工作，分類(lèi)樣品為一號(hào)、二號(hào)。對(duì)于二號(hào)樣品而言，完成固溶處理后，開(kāi)展預(yù)變形加工工作，對(duì)其變形范圍進(jìn)行控制，將預(yù)變形操作落實(shí)之后，必須第一時(shí)間對(duì)鋁合金時(shí)效進(jìn)行處理[4]。

2.3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

將拉伸性能試驗(yàn)操作應(yīng)用于樣品中時(shí)，需將實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定為GB/T228—2002，處理樣品時(shí)應(yīng)用WDW—200G型微機(jī)高溫電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。實(shí)施顯微觀察操作時(shí)應(yīng)用Nikon EPIPHOH 300型光學(xué)顯微鏡。針對(duì)此合金分析譜中的顏色分和其半高峰寬，測(cè)定時(shí)應(yīng)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(zhǎng)。掃描觀察時(shí)需應(yīng)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(jiǎn)化試驗(yàn)參考下面標(biāo)準(zhǔn)：GB7998-2005標(biāo)準(zhǔn)、ASTM G110-1992標(biāo)準(zhǔn)。剝落腐蝕試驗(yàn)參照GB/T22639-2008標(biāo)準(zhǔn)和ASTM G34-2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，觀察其整體宏觀形貌時(shí)應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)。測(cè)試其硬度時(shí)應(yīng)用HV-1000型顯微硬度測(cè)試儀，測(cè)試電導(dǎo)率時(shí)應(yīng)用7501型渦流導(dǎo)電儀[5]。

3 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 分析鋁合金晶間腐蝕性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試鋁合金晶間腐蝕性能時(shí)，借助觀察應(yīng)用不同熱處理工藝的樣品研究可知，對(duì)比未處理的合金，應(yīng)用預(yù)變形工藝處理的樣品，其抗腐蝕性能更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)預(yù)變形工藝處理之后，超高強(qiáng)鋁合金一定程度上提升了其抗腐蝕性能，能夠?qū)︿X合金的使用性能進(jìn)行有效改善。究其原因，主要是變窄的PFZ影響，經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理之后，材料中GBP不均勻分布，使腐蝕范圍降低，促進(jìn)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(yù)變形-T6時(shí)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(yán)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(jí)別已經(jīng)達(dá)到EC級(jí)，這表明預(yù)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(yàn)成果

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

除此之外，通過(guò)仔細(xì)觀察樣品一、二的斷口處可知，對(duì)于未經(jīng)過(guò)預(yù)變形工藝處理的合金樣品而言，其具有復(fù)雜斷裂模式，具有明顯斷口沿晶特點(diǎn)，與此同時(shí)，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(duì)應(yīng)的合金材料，通過(guò)預(yù)變形處理法后，其斷口裂紋方式十分簡(jiǎn)單，且分布比較均勻，同時(shí)具有斷裂的韌窩，對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

將固溶-T6時(shí)效與固溶-預(yù)變形-T6時(shí)效分別應(yīng)用于合金一二中，分析處理后的CRD結(jié)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展處理工作，再通過(guò)對(duì)定性物相分析法的應(yīng)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(xiàng)，顯示對(duì)合金實(shí)施加工操作時(shí)，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(kāi)展預(yù)變形處理工作之后，存在合金晶面的衍射峰最為強(qiáng)大，對(duì)比之下，晶粒數(shù)量也最多；強(qiáng)度變?nèi)跻来问蔷?00、晶面222，具有明顯變化的強(qiáng)度比率，其晶體取向特征也越來(lái)越明顯，顯示預(yù)變形處理可以增大合金晶體取向；完成預(yù)變形處理工作后，合金CRD半高峰寬大幅度增加[8]。

通過(guò)分析數(shù)據(jù)可知，預(yù)變形處理工藝增加之后，顯著減小合金相干尺寸，對(duì)應(yīng)提高合金晶格畸變和位錯(cuò)密度，這表明預(yù)變形能夠使位錯(cuò)引入得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)位錯(cuò)還能對(duì)強(qiáng)度做出突出貢獻(xiàn)，使其達(dá)到58.7MPa。位錯(cuò)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(huì)形成相對(duì)較少的位錯(cuò)，對(duì)比位錯(cuò)作為晶格缺陷促進(jìn)平衡相析出導(dǎo)致的弱化效果，位錯(cuò)強(qiáng)化效果更高一些，這也大大提高其強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)固溶處理后的合金，如果第一時(shí)間開(kāi)展2%-3%的預(yù)變形處理工作，能夠使淬火作用導(dǎo)致的局部集中大應(yīng)力不斷削弱，進(jìn)而對(duì)分布在合金內(nèi)部淬火殘余應(yīng)力進(jìn)行改善；此外，預(yù)變形促進(jìn)合金位錯(cuò)密度的大幅度提高，實(shí)現(xiàn)提高鋁基體晶格畸變程度。

3.4 分析鋁合金硬度和導(dǎo)電率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將不同熱處理方式應(yīng)用于樣品一、二中，有差異存在于其材料的導(dǎo)電率和強(qiáng)硬度中，通過(guò)對(duì)預(yù)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(yīng)用經(jīng)過(guò)變形處理的樣品二，其性能明顯比樣品一高。針對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的硬度實(shí)施測(cè)驗(yàn)操作后，可以高效檢驗(yàn)材料屈服強(qiáng)度，合金材料具有越強(qiáng)硬度，鋁合金具有越高屈服強(qiáng)度，二者是正比關(guān)系。并且測(cè)試材料電導(dǎo)率，還能評(píng)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(dǎo)率ICAS百分率。對(duì)于硬度和導(dǎo)電率能力，預(yù)變形實(shí)驗(yàn)均能開(kāi)展檢測(cè)工作，有利于促進(jìn)合金抗腐蝕性能與屈服強(qiáng)度評(píng)測(cè)目的的實(shí)現(xiàn)，將有效參考數(shù)據(jù)提供出來(lái)，有利于提高超高強(qiáng)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(guò)研究分析可知固溶-T6工藝下，合金具有較為復(fù)雜的斷裂形式，其中分布有少量不均勻的韌窩斷裂，其中沿?cái)嗔丫哂酗@著特點(diǎn)，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(zhǎng)而深的微裂紋；經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理后，形成相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)施預(yù)變形處理操作之后，實(shí)驗(yàn)合金部分晶粒具有較大尺寸，究其原因，主要是預(yù)變形時(shí)效后，有回復(fù)現(xiàn)象發(fā)生于合金中，二次結(jié)晶就會(huì)增大晶粒尺寸。

通過(guò)掃描合金元素面之后可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施預(yù)變形處理操作后，明顯減小氣孔，導(dǎo)致晶粒大小不均勻分布，一些區(qū)域具有偏大晶粒，進(jìn)而增大平均晶粒尺寸，如下圖所示。將能譜分析法應(yīng)用于分析部分區(qū)域中，研究表明：Fe元素富集在沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理的合金局部位置，其中含鐵相則源于熔鑄凝固過(guò)程，只有很少量存在于超高強(qiáng)鋁合金中。后續(xù)加工和熱處理都不會(huì)消除含鐵相，僅僅會(huì)促進(jìn)其改變（主要轉(zhuǎn)變形貌，完成轉(zhuǎn)變后，仍然是含鐵相）和破碎。經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理操作后，鑄錠組織分布十分均勻，主要構(gòu)成要素包括Cu、Zn、Al、Mg，對(duì)比之下，鋁機(jī)體含有的Mg、Cu、Zn元素比較少，可以忽略不計(jì)，從實(shí)驗(yàn)中可以得出結(jié)論，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效后的合金中仍然殘存一些Al、Zn、Mg、Cu，想要具體說(shuō)明相成分，還需經(jīng)過(guò)后續(xù)XRD的說(shuō)明驗(yàn)證。

圖1 高強(qiáng)鋁合金實(shí)施預(yù)變形處理操作后內(nèi)部組織圖

兩個(gè)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(huì)有一定差異。通過(guò)研究分析可知，經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理后，合金晶粒呈現(xiàn)日益增大趨勢(shì)，并且存在較大晶粒。通過(guò)對(duì)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(shí)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(méi)有發(fā)生明顯變化。上述研究證明，在對(duì)合金晶粒尺寸進(jìn)行細(xì)化方面，預(yù)變形沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)顯著作用和價(jià)值，然而，卻可以促進(jìn)合金低角度晶界百分比的提高。

4 預(yù)變形對(duì)超高強(qiáng)鋁合金的影響

4.1 預(yù)變形影響合金強(qiáng)化機(jī)理

通過(guò)研究相關(guān)圖表可知，實(shí)施預(yù)變形處理操作可以使合金位錯(cuò)強(qiáng)化、高角度晶界強(qiáng)化、低角度晶界強(qiáng)化的總強(qiáng)化得以提高。依據(jù)性能拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)材料，促進(jìn)合金屈服強(qiáng)度的提高，保證其在標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍中，使實(shí)驗(yàn)值符合理論值，充分表明合金晶粒內(nèi)部位錯(cuò)強(qiáng)化可以提高合金強(qiáng)度[9]。

4.2 預(yù)變形對(duì)合金抗腐蝕能力的影響

對(duì)于合金而言，完成預(yù)變形處理工作后，會(huì)有一些問(wèn)題和缺陷出現(xiàn)在晶體中，包括錯(cuò)位、空位等，這些缺陷會(huì)產(chǎn)生高能量，從而變窄PFZ，使存在于晶體內(nèi)、晶界的點(diǎn)位差不斷變小，最終使電位差導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)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(xué)腐蝕物，位于合金表面晶界中，匯集大量腐蝕剝落后，會(huì)使體積迅速膨大，膨大的匯集物使經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力增加，促進(jìn)點(diǎn)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(guò)預(yù)變形處理后的合金，并沒(méi)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(huì)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(jié)語(yǔ)

綜上所述，預(yù)變形處理工藝對(duì)鋁合金拉伸性能、抗晶間腐蝕性能、密度等都具有積極促進(jìn)作用。將科學(xué)合理的預(yù)變形工藝應(yīng)用于超高強(qiáng)鋁合金中，可以使其使用性能得到進(jìn)一步提升，有利于保障鋁合金在建筑、航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。