鄭曉靜

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

7xxx 系（Al-Zn-Mg-Cu）超高強(qiáng)鋁合金，具有高比強(qiáng)、高韌、良好加工性、和耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域作為主要承力結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，伴隨著某些先進(jìn)機(jī)型研制，合金由原來(lái)的高強(qiáng)鋁合金變?yōu)榱顺邚?qiáng)鋁合金， 需要在韌性不變的情況下，進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，以適應(yīng)更高應(yīng)力及壽命需求。

7 系鋁合金由于強(qiáng)度高的特點(diǎn)，劇烈的變形使位錯(cuò)密度提高，且這些位錯(cuò)在隨后的熱處理過(guò)程中不能完全消除，產(chǎn)生位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)。在強(qiáng)化過(guò)程中，合金元素成分含量越高， 則在變形過(guò)程遇到的阻力也就越大，合理的變形溫度和合適的變形量是保障樣品不在加工過(guò)程中開(kāi)裂的基礎(chǔ)，提高了加工合格率是一個(gè)合金能否得到工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)，同時(shí)，合理的變形工藝才能得到組織良好的樣品，為后續(xù)產(chǎn)品成型，產(chǎn)品使用性能實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)控制合金變形量，獲得合金最合理的變形溫度范圍，以及在溫度下的變形量， 用于改善最終產(chǎn)品的性能和組織，提高產(chǎn)品使用性能和使用壽命。

本次實(shí)驗(yàn)合金是一種新型的超高強(qiáng)鋁合金，其Zn 含量超過(guò)11%，突破傳統(tǒng)7 系鋁合金極限，在傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造工藝下，該成分合金在國(guó)內(nèi)外均無(wú)相關(guān)報(bào)道，為了在實(shí)際成型過(guò)程中，為了追求更高的成型性能，需要更加充分利用該合金變形強(qiáng)化能力。 實(shí)驗(yàn)采用壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬合金變形工藝，變形方向是壓縮變形，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，跟蹤合金在溫度及不同變形量下的開(kāi)裂情況， 分析合金在不同溫度下組織性能變化，用于該合金在工業(yè)應(yīng)用下的變形工藝確定。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的材料為均勻化處理的半連鑄坯，化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 壓縮試驗(yàn)設(shè)備及裝具

本試驗(yàn)依靠壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)多次墩粗。

控制變形量鋼模:鋼模為方形，不同高度的內(nèi)孔放置樣品，用于控制變形量，為了便于計(jì)算，內(nèi)孔外徑控制在100 mm，內(nèi)孔高度為6～16 mm，高度間隔差為2 mm。

加熱爐為0～500℃高溫箱式電阻爐， 溫度偏差小于±5℃

1.2.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)DSC 及固溶熱處理試驗(yàn)分析， 在研合金過(guò)燒點(diǎn)為475℃， 因此制定的溫度點(diǎn)為270～480℃，每30℃一個(gè)間隔點(diǎn)， 變形量設(shè)計(jì)為30%～80%， 每增加10%變形量為一組間隔點(diǎn)。 具體步驟如下：

（1） 試樣機(jī)加工成尺寸為Φ20 mm×20 mm 的圓柱試樣若干塊；

表1 合金成分表

（2）試樣置于加熱爐內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在第一組溫度點(diǎn)（300℃）后，保溫30 min；

（3）壓力試驗(yàn)機(jī)上夾頭升至固定高度，放入模具，試樣放入鋼模具的中心孔， 設(shè)置上夾頭移動(dòng)速度，使其速度為定值（不同試驗(yàn)機(jī)設(shè)置速度不同），壓下后保持10min，完成一次實(shí)驗(yàn)；

（4）升起上夾頭，觀察試樣是否出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，并拍照，同一種實(shí)驗(yàn)重復(fù)至少33 次，以便于避免模擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差；若試樣有微小裂紋（1 級(jí)），則需要重復(fù)同一參數(shù)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)驗(yàn)證次數(shù)大于3 次，若試樣沒(méi)有裂紋（0 級(jí)），則開(kāi)展另一組變形量實(shí)驗(yàn)，直至出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋；

（5）完成第一組（300℃）所有變形量實(shí)驗(yàn)后，溫度升高，至下一個(gè)溫度點(diǎn)，重復(fù)上述保溫及不同變形量實(shí)驗(yàn)，直至所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.2.3 組織分析方法

（1）金相組織觀察。

金相組織觀察在英國(guó)產(chǎn)ZISS 100 的金相顯微鏡上進(jìn)行，試樣的制備是通過(guò)截取金相試樣，采用Keller試劑腐蝕后。

（2）透射電鏡（TEM）分析。

透射電鏡分析在EOL JEM-2010 型分析電鏡上進(jìn)行，觀察時(shí)效態(tài)鍛件晶內(nèi)和晶界沉淀相的析出情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金變形量

從變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，合金在≤300℃時(shí)，出現(xiàn)小裂紋（1 級(jí)別裂紋）的變形量臨界點(diǎn)是40%，出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋（2 級(jí)別裂紋）的變形量臨界點(diǎn)是50%；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高， 合金呈現(xiàn)出塑型先升高后下降的趨勢(shì)，合金在（410±10）℃時(shí)，開(kāi)裂臨界點(diǎn)變形量80%，溫度繼續(xù)升高，至480℃，變形臨界點(diǎn)呈現(xiàn)明顯下降，為50%，可見(jiàn)此時(shí)合金的塑型也出現(xiàn)了明顯下降。

2.3 高倍組織

2.3.1 試樣各部位對(duì)組織影響

為了觀察試樣內(nèi)外變形組織是否均勻，將試樣沿縱向剖開(kāi)，觀察由內(nèi)至外，由上至下的組織變化情況。從結(jié)果可以看出來(lái)，試樣心部，均表現(xiàn)為晶粒被拉長(zhǎng)，呈現(xiàn)明顯的纖維組織，而心部左右兩邊表現(xiàn)為羽毛狀放射型組織，且越近邊部，放射向外延伸，晶粒尺寸就越大，而試樣上邊部及下邊部表現(xiàn)為晶粒破碎，完全沒(méi)有纖維組織出現(xiàn)，也就是說(shuō)晶粒沒(méi)有被拉長(zhǎng)。

2.3.2 變形工藝對(duì)組織影響

由于同試樣不同位置組織差異較大，評(píng)價(jià)不同變形工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該選取最具有典型性的部位進(jìn)行對(duì)比，本次實(shí)驗(yàn)選取心部進(jìn)行觀察。圖2 為典型圖片。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，當(dāng)合金變形溫度比較低時(shí)，合金變形量小，沿著變形方向拉伸效果不明顯，未達(dá)到明顯的纖維組織，晶粒有明顯拉伸紋理，但當(dāng)溫度升高，變形量達(dá)到50%時(shí)，呈現(xiàn)明顯的拉伸纖維組織，晶粒尺寸細(xì)??；當(dāng)變形溫度進(jìn)一步提高，至500℃時(shí)，晶粒尺寸變大，對(duì)其進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，可獲得晶粒變大臨界溫度是450℃。

圖1 不同變形量組織（200X）

圖2 不同變形工藝組織（200X）

3 合理的變形工藝制定

臨界變形量與溫度密切相關(guān)， 合金初始變形時(shí)，隨著變形量的增加，合金位錯(cuò)密度也在增加，此時(shí)，合金組織呈現(xiàn)晶粒沿著拉伸方向被拉長(zhǎng)、 甚至破碎，直至形成亞晶；但隨著溫度上升，合金層錯(cuò)能進(jìn)一步升高，合金內(nèi)部發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，此時(shí)合金位錯(cuò)密密度減小，合金變形能力提高；但當(dāng)進(jìn)一步提高變形溫度，該溫度一旦超過(guò)合金過(guò)燒點(diǎn)，此時(shí)合金組織已經(jīng)嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)過(guò)燒組織，導(dǎo)致合金的強(qiáng)塑性均明顯下降。對(duì)于該在研超高強(qiáng)鋁合金來(lái)說(shuō)，其最終用途除了高強(qiáng)外，還有高韌性長(zhǎng)壽命的要求，同時(shí)還需要考慮其加工性能，因此變形工藝更嚴(yán)格。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，綜合分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)變形溫度為≤300℃時(shí)，由于溫度較低，合金的塑性差，合金極限變形量為小于40%時(shí)，通過(guò)顯微鏡下觀察，變形量為40%時(shí)無(wú)裂紋，當(dāng)變形量到50%時(shí)，顯微鏡下觀察裂紋，發(fā)現(xiàn)主裂紋長(zhǎng)度約為2 mm，沿著主裂紋，周邊萌生較多的次生裂紋，將這些次生裂紋放大可以發(fā)現(xiàn)， 這些裂紋均是沿著晶界發(fā)展而來(lái)，并沿著晶界生長(zhǎng)，表現(xiàn)為明顯的沿晶斷裂模式，說(shuō)明此時(shí)合金塑型較差；當(dāng)溫度升高，由于受位錯(cuò)效應(yīng)影響，合金變形能力提高，晶粒間滑移系增多，活性增加，由于晶粒間協(xié)調(diào)性增加，提高了合金塑型，因此活性增加，該溫度臨界點(diǎn)是（410±10）℃，此時(shí)變形量為70%；溫度進(jìn)一步提高，合金變形的活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，至480℃，合金已經(jīng)過(guò)燒，強(qiáng)度和塑性都顯著下降。此時(shí)合金的變形量下降到40%。

通過(guò)觀察不同變形量下不同部位顯微組織發(fā)現(xiàn)，變形溫度為390℃，變形量為70%，此時(shí)合金晶粒呈現(xiàn)明顯的纖維組織，當(dāng)溫度達(dá)到420℃，晶粒尺寸反而增大，可見(jiàn)該溫度已經(jīng)影響了合金綜合性能。綜上，合金最佳變形溫度應(yīng)該盡量靠近但低于420℃。

通過(guò)以上分析， 綜合考慮實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的波動(dòng)，該合金工程應(yīng)用最佳溫度建議為（400±10）℃，該溫度即可以獲得最大變形量， 保證良好的綜合性能，又可以避免晶粒長(zhǎng)大及再結(jié)晶組織的出現(xiàn)，影響性能。

4 結(jié)論

（1） 試驗(yàn)采用壓縮變形試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定新型高Zn含量的Al-Zn-Mg-Cu 合金的最佳變形溫度區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果表明：合金的極限變形量為70%，極限變形溫度為420℃。

（2）試驗(yàn)分析了合金在不同溫度不同變形量下組織變化情況， 工程應(yīng)用時(shí)， 該合金最佳變形溫度為（400±10）℃。