挤压态7A85铝合金高温热变形显微组织演变*

张显峰，陆政，赵钊，高文理，仇琍丽，杜振涛

(1.北京航空材料研究院，北京 100095； 2.南京大学 现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210093； 3.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082)



挤压态7A85铝合金高温热变形显微组织演变*

张显峰1†，陆政1，赵钊2，高文理3，仇琍丽3，杜振涛3

(1.北京航空材料研究院，北京 100095； 2.南京大学 现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210093； 3.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082)

7A85铝合金密度小、强度高、热加工性能好、焊接性能优良，而且具有较好的耐腐蚀性和较高的韧性，广泛应用于航空和航天中的受力结构件.本文通过挤压态7A85铝合金的单向等温热压缩实验，利用光学显微镜、透射电镜研究了合金在变形温度为300 ℃，350 ℃，400 ℃，450 ℃，应变速率为0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1，10 s-1时的高温流变行为和显微组织演变.结果表明：变形温度和应变速率对挤压态7A85铝合金热压缩后的组织有重要影响.随着变形温度的升高和应变速率的降低(lnZ减小)，组织中亚晶长大，位错密度逐渐降低，析出相数量减少，再结晶晶粒长大，动态软化机制由动态回复转变为动态再结晶；挤压态7A85铝合金热压缩后组织中大量的析出相弥散分布在基体内或沿晶界分布，抑制了动态再结晶的发生.

7A85铝合金；热压缩；显微组织演变；动态再结晶

7系Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金是航空、航天、军事装备等领域的重要结构材料，工业生产中常通过挤压、锻造等热变形工艺使合金获得优良性能[1-3].热模拟实验能够模拟工业锻造及轧制等热加工工艺，因此研究金属热变形时微观组织演变对优化金属的热加工工艺及控制热变形后的组织具有重要意义.Taleghani等[4]研究了粉末冶金7075铝合金的热压缩流变行为，其热变形激活能Q随生坯密度增大而增大，为157～192 kJ/mol；ZHANG等[5]对比了7056和7150铝合金的流变行为，结果表明在相同变形条件下，7150铝合金的变形激活能(229.75 kJ/mol)比7056铝合金(244.64 kJ/mol)低，但峰值流变应力高，因为7150铝合金中更多细小的亚结构和高密度析出相强化了合金；陈学海等[6-7]、CHEN等[8]研究了7085铝合金热变形行为、加工图、组织演变和动态再结晶模型等，对7085铝合金的热变形进行了较为全面、系统的研究.

(1)

贾逢博等采用线性回归方法获得其流变应力本构方程；罗国云等[10]研究了模具温度对7A85铝合金大规格锻件多向锻造成形均匀性的影响，利用Deform3D有限元软件对锻造成形进行数值模拟.在工业生产中，除了直接对铸态的金属和合金进行热加工，也常常对已经过塑性变形的合金再次进行热加工，以得到晶粒细小的高性能组织.故本文采用等温热压缩试验，研究不同热变形条件下挤压态7A85铝合金的流变应力行为和显微组织演变规律，分析激活能与显微组织的关系.

1 实验材料及方法

本实验运用线性回归方法建立7A85铝合金动态再结晶模型；利用Zeiss金相显微镜观察变形后的金相组织，观察部位为与压缩方向平行的纵截面；利用JEM-3010高分辨透射电子显微镜观察变形后组织中的亚结构和第二相的数量、分布情况.

2 结果与讨论

图1为挤压态7A85铝合金在不同热压缩条件下的显微组织.由图可见，热压缩后试样大变形区的组织已经没有明显的沿轴向的纤维状组织.当lnZ为最大值50.47时，晶粒被压缩，沿径向拉长(见图1(a))，从轴向拉长的纤维组织到沿径向拉长的晶粒，晶粒的变形程度很大.在该变形条件下，析出相数量很多，由于应变速率很大，析出相没有溶解，在质点周围形成位错塞积，引起晶粒内部位错密度增加，使合金产生加工硬化，变形抗力显著增加.当lnZ降低至44.30时，变形温度升高，位错牵动和重新排列，同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消，位错可以滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界，发生了“多边化”，晶粒细小，晶界比较模糊，晶粒的形状发生不均匀变形(见图1(b))，为典型的动态回复组织.随着变形温度升高、应变速率降低，即lnZ值降低至38.71时，晶粒大致呈等轴状，晶界清晰，可在大晶粒周围观察到细小的等轴晶(见图1(c))，但是数量较少，说明该变形条件下已经开始发生动态再结晶.当温度继续升高，应变速率降低时，即lnZ降低至33.57时，晶粒逐渐长大，在大晶粒周围有大量细小的等轴晶(见图1(d))，说明发生了动态再结晶.较高的变形温度和较低的应变速率有利于动态再结晶的发生，但是从图中没有观察到可以被压缩接触至将晶粒夹断的锯齿形晶界，说明该变形条件下挤压态7A85铝合金没有发生几何动态再结晶.此时析出相数量减少，因为高温变形时基体固溶度增大，大量的析出相溶解，随着应变的增加，真应力-真应变曲线中有明显的软化现象.

综上所述，挤压态7A85铝合金的位错密度随温度的升高和应变速率的降低而减小，流变应力降低.晶粒尺寸随着lnZ的减小而增大，在高温低速变形时发生动态再结晶，软化机制由动态回复转变为动态再结晶，析出相数量逐渐减少.

(a)lnZ=50.47，T=300 ℃，℃，

(c)lnZ=38.71，T=400 ℃，℃，图1 挤压态7A85铝合金在不同变形条件下的金相图Fig.1 Optical deformed microstrures of extruded 7A85 aluminum alloy under different deformation conditions

图2为挤压态7A85铝合金在不同变形条件下的透射电镜照片.当lnZ为最大值50.47时，由于应变速率很大，变形储存能来不及释放，位错密度很大，位错相互缠结，一部分位错开始通过滑移和攀移排列成位错墙，大量的析出相或弥散分布在晶粒内，或排列在晶界处，弥散分布的析出相钉扎位错使位错相互交割缠结，螺型位错的交滑移及刃型位错的攀移能力较弱，晶界上的析出相阻碍了再结晶晶核界面迁移，提高了再结晶温度.因此在该变形条件下，热压缩的流变应力最大，主要发生动态回复，难以发生动态再结晶.当lnZ降低至44.30时，原子热激活能力增强，可以激活原本不利于变形的滑移系，因此可观察到许多由位错墙形成的亚晶界，说明开始形成亚晶粒.该变形条件下组织中的位错密度略有降低，主要发生动态回复，真应力有所降低，但是析出相数量仍然很多，主要为与基体完全共格的Al3Zr，平均尺寸为10～20 nm.Al3Zr析出相颗粒对位错的钉扎延缓了位错的对消和重新排列，颗粒钉扎亚晶界减慢了亚晶的长大，从而延缓了回复过程，阻碍了动态再结晶的发生，保留了比较大的加工硬化效果，该变形条件下没有发生动态再结晶.当lnZ降低至38.71时，可观察到较大角度的亚晶.由于温度升高、应变速率降低，高温变形时由位错累积和重组形成的亚晶在外加应力的作用下，具有相近取向差的亚晶群通过转动可以合并成一个大的亚晶，在转动过程中，小角度界面取向差逐渐减小，大角度界面取向差增大；扭转和非对称界面取向差减小，倾斜和对称界面取向差增大.亚晶发展成更大角度的晶粒，大量亚晶界消失，该过程为“连续动态再结晶”[11].由于该变形条件温度升高、应变速率降低，很多第二相粒子会溶解于基体中，所以析出相对位错的钉扎减弱，温度的升高和应变速率的降低还会加快位错抵消，位错密度很小.当lnZ为最小值33.57时，位错很少，晶界明晰且锋锐，变形温度升高可促进亚晶发展成大角度晶粒及增强再结晶晶界的迁移能力，应变速率降低可使动态再结晶过程进行得更充分，再结晶晶粒有足够的时间长大，因此可观察到大量的再结晶晶粒，且尺寸增大，说明在该变形条件下主要以动态再结晶为主，此时析出相数量很少.

综上所述，随着lnZ的减小，挤压态7A85铝合金的位错密度降低，析出相数量减少，流变应力降低，晶界越清晰和锋锐，动态软化机制由动态回复转变为动态再结晶，动态再结晶机制主要为连续动态再结晶和不连续动态再结晶.

(a)lnZ=50.47，T=300 ℃，℃，

(c)lnZ=38.71，T=400 ℃，℃，图2 挤压态7A85铝合金在不同lnZ值下的TEM图Fig.2 TEM micrographs of extruded 7A85 aluminum alloy under different lnZ

3 结 论

1)挤压态7A85铝合金在GP区和η’相的共同强化作用下，热压缩变形时的流变应力更大.挤压态7A85铝合金热压缩后组织中析出相数量较多，弥散分布在基体内或沿晶界分布，抑制了动态再结晶的发生.

2)挤压态7A85铝合金在热压缩过程中发生了动态回复和动态再结晶，并且随着lnZ的减小，热压缩后的组织由动态回复组织向动态再结晶组织转变，挤压态7A85铝合金的再结晶机制为连续动态再结晶(CDRX)、不连续动态再结晶(DDRX).

3)随着lnZ的减小，挤压态7A85铝合金热压缩后组织中亚晶长大，位错密度降低，析出相数量减少，再结晶晶粒长大，动态软化机制由动态回复转变为动态再结晶.

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Microstructure Evolution of As-extruded 7A85 AluminumAlloy during High Temperature Deformation

ZHANG Xianfeng1†，LU Zheng1，ZHAO Zhao2，GAO Wenli3，QIU Lili3，DU Zhentao3

(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.College of Engineering and Applied Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China;3.College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

7A85 aluminum alloy，possessing the characteristics of low density，high strength，excellent hot working property，fine weldability，good corrosion resistance and high toughness，has been widely used in aerospace and mechanical structural parts.High temperature rheological behavior and microstructure evolution of as-extruded 7A85 aluminum alloy were investigated by optical microscope(OM)，transmission electron microscope(TEM)and the unidirectional isothermal compression tests conducted at different temperatures(300，350，400 and 450℃)with different strain rates of 0.01，0.1，1 and 10 s-1.It is concluded that the deformation temperature and strain rate have an important effect on the microstructure of the as-extruded 7A85 aluminum alloy after hot compression.With the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate(decreasing of lnZ)，the subgrains and the recrystallization grains grow，the dislocation density and the quantity of precipitates decrease，and the softening mechanism transforms from dynamic recovery to dynamic recrystallization.Plenty of precipitates of as-extruded 7A85 aluminum alloy after hot compression，dispersing in the matrix or along the grain boundaries，inhibit the occurrence of dynamic recrystallization.

7A85 aluminum alloy；hot compression；microstructure evolution；dynamic recrystallization

1674-2974(2017)06-0007-05

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.06.002

2016-03-27

国家自然科学基金资助项目(51271076，51474101)，National Natural Science Foundation of China(51271076，51474101)

张显峰(1975-)，男，内蒙古赤峰人，高级工程师，工学硕士†通迅联系人，E-mail：zhangxf0476@sohu.com

TG146.2

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