预变形对超高强铝合金挤压材组织与性能的影响作用分析

2021-03-08刘金辉谭日纯黄和銮梁前进

中国金属通报 2021年24期

刘金辉，谭日纯，黄和銮，梁前进

（1.广东兴发精密制造有限公司，广东佛山 528137；2.广东兴发铝业有限公司，广东佛山 528137）

在工业不断进步与发展的背景条件下，对铝合金这一主体结构材料性能提出更高更严格要求。当前备受关注的研究课题就是研制出具有更高抗拉强度、更优越性能的超高强铝合金。本文将固溶处理后的铝合金作为研究对象，研究预变形工艺对其组织和性能的影响作用。

1 分析预变形对超高强铝合金影响作用的意义

铝合金材料应用十分广泛，能够将坚实基础奠定出来，有利于促进道路建设、建筑、武器制造等方面的进一步发展。因此，有关机构在深入研讨铝合金工艺前提下，将超高强铝合金定义提出来，从而拓宽其应用范围。现阶段，超高强铝合金已经成为工业生产领域不可缺少的材料，究其原因，主要是其优势明显，较低材质密度为再加工提供方便，较高力度与密度比重，较低生产材料成本，融合其他材料的良好效果等。因此，对于相关研发机构而言，想要使超高强铝合金使用功能得以提升，需保证现有技术应用的优越性，在此前提下，全面分析预变形对铝合金产生的影响，为工业领域持续、健康发展提供保证[1]。

将预变形试验应用于铝合金材料中时，想要保持超高强铝合金自身功能特性，如不会对材料密度、称重、塑性等方面产生影响，通常情况下，实验人员首先借助冷加工法，加速变形铝合金材料，然后在低温环境中运用热处理法，将此种处理方式应用于超高强铝合金材料性能中，可以减少温度对其产生的影响。固溶铝合金材料之后，在对其开展预变形处理工作时，必须高度重视时效性问题，保证超高强铝合金在标准范围内的变形量。通常情况下，合金变形量需小于30%，这样才能保证人为预变形位错符合相关标准要求，满足对应条件。通过这种人为合金材料，将位错引进来，能够实现研究使用过程中合金材料的性能应用外力干预超高强铝合金材料的析出，对提高超高强铝合金使用性能具有积极促进作用[2]。

2 超高强铝合金预变形实验程序

2.1 实验对象

通过分析可知预变形工艺影响铝合金材料功能，主要影响表现在以下方面：比如将预变形工艺加工应用于某一型号铝合金材料中，可以在短时间内使超高强铝合金材料达到最高强度。并且针对固溶后材料，在时效范围内实施加工处理操作，可以削弱加工过程中残留在材料内部的应力，通过预变形的应用，在其中引进人工位错，大幅度提高超高强合金运用性能。相应合金材料及变形工艺在个别情况也会对合金性能产生不利影响，例如将预变形加工应用于某些合金材料中，增加铝合金局部腐蚀的严重程度，造成产生晶间腐蚀情况。这篇文章以原材料为Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sr的铝合金为例子，进行有关研讨试验。试验过程中，针对原材料开展熔炼工作，一般情况下将熔炼工具选定为800℃的电阻炉，之后在准备好的铸铁模中浇注熔炼后的原材料，促进铸锭的形成[3]。

2.2 实验程序

将准备工作做好之后再进行试验，对原材料成分进行细致分析，将铝合金材料放置在能谱仪器中，对铝合金材料中各种元素类型、含量进行高效分析，这个分析成果可以将原料中实测成分表示出来。将两种模式加工处理方式应用于实验对象铝合金的铸锭中，主要包括：应用多级铝合金均质化处理工艺，有四部分包含在均质化退火处理中，400℃是起始温度，以后每一级增加温度20℃，6h是前三部分退火时间，12h是最后一部分退火时间；铸锭挤压处理工艺是第二种处理方式，将12：1的铸锭比作为标准处理铸锭，挤压原材料，使其成为棒形，35mm是棒料的直径标准。将强化铝合金材料固溶处理工艺作为预变形的实验固溶制度，针对实验对象，开展固溶处理工作后，必须在最短时间内实施水淬操作，确保不会对实验综合成效造成影响。通过对水淬处理法的应用，工作人员还需在铝合金中使用T6时效加工处理法，再针对上述样品开展编排号码工作，分类样品为一号、二号。对于二号样品而言，完成固溶处理后，开展预变形加工工作，对其变形范围进行控制，将预变形操作落实之后，必须第一时间对铝合金时效进行处理[4]。

2.3 测试标准

将拉伸性能试验操作应用于样品中时，需将实验标准确定为GB/T228—2002，处理样品时应用WDW—200G型微机高温电子万能试验机。实施显微观察操作时应用Nikon EPIPHOH 300型光学显微镜。针对此合金分析谱中的颜色分和其半高峰宽，测定时应用D8ADVANCE型X射线衍射仪，扫描范围是30度至120度，0.15406nm是其波长。扫描观察时需应用Zeiss Supra 55型SEM。将Graff Sargent试剂作为金相试样的腐蚀试剂。腐蚀简化试验参考下面标准：GB7998-2005标准、ASTM G110-1992标准。剥落腐蚀试验参照GB/T22639-2008标准和ASTM G34-2001标准进行，观察其整体宏观形貌时应用数码相机。测试其硬度时应用HV-1000型显微硬度测试仪，测试电导率时应用7501型涡流导电仪[5]。

3 分析实验结果

3.1 分析铝合金晶间腐蚀性能的实验结果

测试铝合金晶间腐蚀性能时，借助观察应用不同热处理工艺的样品研究可知，对比未处理的合金，应用预变形工艺处理的样品，其抗腐蚀性能更高。实验结果表明经过预变形工艺处理之后，超高强铝合金一定程度上提升了其抗腐蚀性能，能够对铝合金的使用性能进行有效改善。究其原因，主要是变窄的PFZ影响，经过预变形处理之后，材料中GBP不均匀分布，使腐蚀范围降低，促进铝合金抗晶间腐蚀性能的提高[6]。

分析合金一和二挤压材在固溶-T6和固溶-预变形-T6时效工艺下剥落腐蚀形貌。观察图片可知，有大量腐蚀坑存在于两种工艺下的试样表面，并且分层比较严重，未发生金属剥落的区域只有零星呈现灰色的区域表层，剥落腐蚀级别已经达到EC级，这表明预变形处理不能显著改善合金抗剥落腐蚀性能。

3.2 分析功能拉伸试验成果

对于超高强铝合金而言，其功能拉伸试验成果内容的组成参数有三个，具体是：样品抗拉强度、强度屈服、拉伸铝合金效率。通过观察试验成果资料能够得出结论，与样品一相比，实施预变形处理工艺后的样品二，其拉伸强度提高45Mpa，上升屈服强度15Mpa，延伸率提高一个百分比，从整体角度看，大大提高铝合金性能。

除此之外，通过仔细观察样品一、二的断口处可知，对于未经过预变形工艺处理的合金样品而言，其具有复杂断裂模式，具有明显断口沿晶特点，与此同时，在合金断口处有较高比例的穿晶剪切断裂，有微裂痕现象出现在局部。与之对应的合金材料，通过预变形处理法后，其断口裂纹方式十分简单，且分布比较均匀，同时具有断裂的韧窝，对比未经变形工艺处理的合金样品，其具有较低穿晶剪切断裂比例[7]。

3.3 分析铝合金XRD实验结果

将固溶-T6时效与固溶-预变形-T6时效分别应用于合金一二中，分析处理后的CRD结果可知，明显的析出相衍射峰出现在合金扫描角度为38至—46度之间，借助MDJade5.0软件对实验数据开展处理工作，再通过对定性物相分析法的应用，观察到该衍射峰与Al2CuMg相特征峰基本保持一致，并且其中不包括其他项，显示对合金实施加工操作时，除了Al基体之外，还有较少数量的S相从中析出，考虑S相的溶解温度十分高，通常情况在固溶中不能被消除。开展预变形处理工作之后，存在合金晶面的衍射峰最为强大，对比之下，晶粒数量也最多；强度变弱依次是晶面200、晶面222，具有明显变化的强度比率，其晶体取向特征也越来越明显，显示预变形处理可以增大合金晶体取向；完成预变形处理工作后，合金CRD半高峰宽大幅度增加[8]。

通过分析数据可知，预变形处理工艺增加之后，显著减小合金相干尺寸，对应提高合金晶格畸变和位错密度，这表明预变形能够使位错引入得以实现，同时位错还能对强度做出突出贡献，使其达到58.7MPa。位错数量的引入密切联系合金变形程度，如果逐渐减小变形量，就会形成相对较少的位错，对比位错作为晶格缺陷促进平衡相析出导致的弱化效果，位错强化效果更高一些，这也大大提高其强度。经过固溶处理后的合金，如果第一时间开展2%-3%的预变形处理工作，能够使淬火作用导致的局部集中大应力不断削弱，进而对分布在合金内部淬火残余应力进行改善；此外，预变形促进合金位错密度的大幅度提高，实现提高铝基体晶格畸变程度。

3.4 分析铝合金硬度和导电率的实验结果

将不同热处理方式应用于样品一、二中，有差异存在于其材料的导电率和强硬度中，通过对预变形处理后样品二的充分利用可知，大大提高其功能特性。应用经过变形处理的样品二，其性能明显比样品一高。针对超高强铝合金的硬度实施测验操作后，可以高效检验材料屈服强度，合金材料具有越强硬度，铝合金具有越高屈服强度，二者是正比关系。并且测试材料电导率，还能评定合金材料抗腐蚀性能，一般情况下，合金具有越高抗腐蚀性能，也具有更高电导率ICAS百分率。对于硬度和导电率能力，预变形实验均能开展检测工作，有利于促进合金抗腐蚀性能与屈服强度评测目的的实现，将有效参考数据提供出来，有利于提高超高强铝合金性能。

观察合金一和二挤压材拉伸试样断口形貌。经过研究分析可知固溶-T6工艺下，合金具有较为复杂的断裂形式，其中分布有少量不均匀的韧窝断裂，其中沿断裂具有显著特点，并且包括具有较高比例的穿晶剪切断裂。此外，还分布很多长而深的微裂纹；经过预变形处理后，形成相对简单的合金断裂形式，主要包括数量众多均匀分布的韧窝断裂，而存在的穿晶剪切断裂数量则非常少。

3.5 分析显微组织

实施预变形处理操作之后，实验合金部分晶粒具有较大尺寸，究其原因，主要是预变形时效后，有回复现象发生于合金中，二次结晶就会增大晶粒尺寸。

通过扫描合金元素面之后可以发现，实施预变形处理操作后，明显减小气孔，导致晶粒大小不均匀分布，一些区域具有偏大晶粒，进而增大平均晶粒尺寸，如下图所示。将能谱分析法应用于分析部分区域中，研究表明：Fe元素富集在没有经过预变形处理的合金局部位置，其中含铁相则源于熔铸凝固过程，只有很少量存在于超高强铝合金中。后续加工和热处理都不会消除含铁相，仅仅会促进其改变（主要转变形貌，完成转变后，仍然是含铁相）和破碎。经过预变形处理操作后，铸锭组织分布十分均匀，主要构成要素包括Cu、Zn、Al、Mg，对比之下，铝机体含有的Mg、Cu、Zn元素比较少，可以忽略不计，从实验中可以得出结论，经过固溶时效后的合金中仍然残存一些Al、Zn、Mg、Cu，想要具体说明相成分，还需经过后续XRD的说明验证。

图1 高强铝合金实施预变形处理操作后内部组织图

两个铝合金挤压材一和二在不同热处理工艺下，其EBSD组织、晶粒尺寸、晶界角度分布都会有一定差异。通过研究分析可知，经过预变形处理后，合金晶粒呈现日益增大趋势，并且存在较大晶粒。通过对合金平均晶粒尺寸、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，实施与变形处理后，合金平均晶粒尺寸持续增大，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，角度平均值却没有发生明显变化。上述研究证明，在对合金晶粒尺寸进行细化方面，预变形没有发挥出来显著作用和价值，然而，却可以促进合金低角度晶界百分比的提高。

4 预变形对超高强铝合金的影响

4.1 预变形影响合金强化机理

通过研究相关图表可知，实施预变形处理操作可以使合金位错强化、高角度晶界强化、低角度晶界强化的总强化得以提高。依据性能拉伸试验数据材料，促进合金屈服强度的提高，保证其在标准误差范围中，使实验值符合理论值，充分表明合金晶粒内部位错强化可以提高合金强度[9]。

4.2 预变形对合金抗腐蚀能力的影响

对于合金而言，完成预变形处理工作后，会有一些问题和缺陷出现在晶体中，包括错位、空位等，这些缺陷会产生高能量，从而变窄PFZ，使存在于晶体内、晶界的点位差不断变小，最终使电位差导致的电化学反应程度持续减弱。腐蚀剥落作为一种特殊形式，仍然属于晶间腐蚀范畴，腐蚀剥落源于一种电化学腐蚀物，位于合金表面晶界中，汇集大量腐蚀剥落后，会使体积迅速膨大，膨大的汇集物使经济区域内应力增加，促进点蚀、爆皮等现象发生于合金表面，抗晶间腐蚀和晶粒形貌是其主要影响因素。在多种因素影响和制约下，通过预变形处理后的合金，并没有显著改善其剥落腐蚀性能。此外，合金组织中低角度晶界的占比也会影响合金抗腐蚀性能，主要原因是低角度晶界的晶界能量比较低，因此，其状态非常稳定，这就增加其在腐蚀条件中被腐蚀的难度。