分享：預(yù)時(shí)效-溫成形工藝參數(shù)對(duì)7075鋁合金組織與性能的影響

0.   引言

近些年,輕量化一直是汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1]。汽車結(jié)構(gòu)質(zhì)量每減輕10%,燃油消耗可降低6%~10%,尾氣排放量可減少4%[2-5],基于節(jié)能和環(huán)保的需求,輕量化對(duì)于汽車的發(fā)展具有重大意義。鋁合金具有比強(qiáng)度高、易加工等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于汽車輕量化發(fā)展,常用的鋁合金包括5083、6061、7075鋁合金等[6]。高強(qiáng)鋁合金在室溫下的斷后伸長(zhǎng)率較低,成形時(shí)回彈難以控制,容易出現(xiàn)破裂,成形性較差[7]。相比室溫成形,熱成形可以提高材料塑性,改善成形性能。傳統(tǒng)的熱成形工藝一般將板料加熱到固溶溫度,保溫一段時(shí)間后降到一定溫度進(jìn)行沖壓成形,成形以后進(jìn)行淬火,最后進(jìn)行時(shí)效處理；其工序繁多,時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng),且難以保證成形精度。已有研究表明通過(guò)化學(xué)成分調(diào)整[8]、時(shí)效工藝優(yōu)化[9]等方法可以縮短時(shí)效時(shí)間,提高生產(chǎn)效果。此外,采用預(yù)時(shí)效-溫成形工藝也可以有效縮短時(shí)效時(shí)間以及降低成本。預(yù)時(shí)效-溫成形在材料固溶淬火后,增加一道低溫預(yù)時(shí)效處理,再在一定溫度成形。作者對(duì)7075-T6鋁合金進(jìn)行了不同預(yù)時(shí)效溫度、預(yù)時(shí)效時(shí)間、成形溫度的預(yù)時(shí)效-溫成形處理,研究了工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響,確定了最佳工藝參數(shù)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為7075-T6鋁合金板,市售,厚度為2 mm,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為5.2Zn,2.3Mg,1.5Cu,0.13Fe,0.03Si,0.18Mn,0.2Cr,余Al；抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度分別為557.05 MPa,488.62 MPa,13.5%,174 HV。鋁合金的預(yù)時(shí)效-溫成形工藝如下：切取尺寸為300 mm×200 mm×2 mm的試樣,加熱至480 ℃保溫30 min固溶,水淬,再分別進(jìn)行85,100,120 ℃保溫0~32 h的預(yù)時(shí)效處理,將預(yù)時(shí)效后的試樣分別升溫至150,200,250,300 ℃,保溫3 min進(jìn)行成形。為模擬汽車制造最后一步的烤漆硬化處理,對(duì)成形試樣進(jìn)行180 ℃×30 min的烘烤處理。 

在預(yù)時(shí)效-溫成形試樣上采用線切割取樣并進(jìn)行鑲樣,依次使用200#~5 000#砂紙進(jìn)行水磨,拋光至表面無(wú)劃痕,使用凱勒試劑腐蝕,采用DS-300型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織并統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸。根據(jù)GB/T 228.3—2019,制取如圖1所示的拉伸試樣,在英斯特朗3382型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為3 mm·min−1,采用的引伸計(jì)長(zhǎng)度為30 mm。采用SU-5000型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。采用HVS-50型維氏硬度計(jì)測(cè)試顯微硬度,載荷為98 N,保載時(shí)間為10 s,測(cè)7個(gè)點(diǎn)取平均值。 

圖  1  拉伸試樣的尺寸

Figure  1.  Size of tensile specimen

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   對(duì)組織的影響

在時(shí)效過(guò)程中,7075鋁合金會(huì)依次析出過(guò)飽和固溶體、GP區(qū)、η´相、η相[10-13]。由圖2可見：85 ℃下預(yù)時(shí)效不同時(shí)間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的晶粒尺寸相差不大,這說(shuō)明預(yù)時(shí)效時(shí)間對(duì)晶粒尺寸的影響不大；隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),基體中析出相的數(shù)量增多,當(dāng)預(yù)時(shí)效時(shí)間為24 h時(shí),成形合金中的析出相數(shù)量較多,晶粒尺寸最小,大量的η´相分布在基體中。由圖3可見,相比預(yù)時(shí)效溫度為100,120 ℃時(shí),85 ℃下預(yù)時(shí)效24 h-溫成形后產(chǎn)生析出相的數(shù)量較少,尺寸較小。 

圖  2  85 ℃下預(yù)時(shí)效不同時(shí)間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的顯微組織與晶粒尺寸

Figure  2.  Microstructures and grain size of 7075 aluminum alloy after pre-aging at 85 ℃ for different times and warm forming at 150 ℃

圖  3  不同溫度下預(yù)時(shí)效24 h并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的顯微組織

Figure  3.  Microstructures of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for 24 h and warm forming at 150 ℃

2.2   對(duì)性能的影響

由圖4可見,隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),預(yù)時(shí)效-溫成形7075鋁合金的硬度和強(qiáng)度均先增加后減小。這主要是因?yàn)楣倘艽慊鸷蠛辖鹬械奈龀鱿嘁訥P區(qū)為主,在預(yù)時(shí)效處理過(guò)程中,隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),GP區(qū)成為η´相形核的核心并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?acute;相,GP區(qū)和η´析出相的數(shù)量不斷增加并在預(yù)時(shí)效24 h后達(dá)到峰值,η相數(shù)量相對(duì)較少,析出強(qiáng)化導(dǎo)致材料的硬度和強(qiáng)度提升；預(yù)時(shí)效一定時(shí)間后,發(fā)生過(guò)時(shí)效,η´相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的η相,GP區(qū)和η´相發(fā)生粗化,導(dǎo)致材料性能下降[13]。隨著預(yù)時(shí)效溫度上升,7075鋁合金的硬度和強(qiáng)度增大,這是因?yàn)檩^低預(yù)時(shí)效溫度下析出的GP區(qū)數(shù)量較少；相比預(yù)時(shí)效溫度100,120 ℃下,預(yù)時(shí)效溫度85 ℃下的斷后伸長(zhǎng)率較高,這是因?yàn)檩^低溫度下預(yù)時(shí)效析出的第二相尺寸較小。 

圖  4  不同溫度預(yù)時(shí)效不同時(shí)間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的力學(xué)性能

Figure  4.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃: (a) hardness; (b) tensile strength; (c) yield strength and (d) percentage elongation after fracture

由圖5可見,在85 ℃預(yù)時(shí)效24 h并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的拉伸斷口中的韌窩數(shù)量最多,深度最大,且穿晶斷裂占比較高,說(shuō)明該條件下成形的合金塑性較好、強(qiáng)度較低。斷口形貌所得結(jié)論與性能測(cè)試結(jié)果吻合。綜合考慮,最佳預(yù)時(shí)效工藝參數(shù)為預(yù)時(shí)效溫度85 ℃,預(yù)時(shí)效時(shí)間24 h,在該條件下預(yù)時(shí)效并在150 ℃下溫成形后合金的綜合性能優(yōu)異,抗拉強(qiáng)度達(dá)到528 MPa,接近T6態(tài)的95%,斷后伸長(zhǎng)率高達(dá)22.03%,相比T6態(tài)提升了63%。 

圖  5  不同溫度下預(yù)時(shí)效不同時(shí)間并在150 ℃下溫成形后7075鋁合金的拉伸斷口形貌

Figure  5.  Tensile fracture morphology of 7075 aluminum alloy after pre-aging at different temperatures for different times and warm forming at 150 ℃

由圖6可見：經(jīng)85 ℃×24 h預(yù)時(shí)效后進(jìn)行溫成形,隨著溫成形溫度升高,7075鋁合金的硬度和強(qiáng)度均減小,當(dāng)成形溫度為150 ℃時(shí),硬度和強(qiáng)度均最大。溫成形加熱保溫時(shí)間均僅為3 min,較短,析出相沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)化,但升高溫度會(huì)促進(jìn)η´向η相的轉(zhuǎn)化以及η相的粗化,因此,150 ℃下成形時(shí)保留了較多的η´相,而η相成為較高溫度下的主要析出相。較高溫度成形時(shí)產(chǎn)生的較多η相和析出相的粗化,導(dǎo)致了性能的下降。 

圖  6  85 ℃×24 h預(yù)時(shí)效并不同溫度下溫成形后7075鋁合金的力學(xué)性能

Figure  6.  Mechanical properties of 7075 aluminum alloy after 85 ℃×24 h pre-aging and warm forming at different temperatures : (a) hardness and (b) strength and percentage elongation after fracture

綜上,最佳預(yù)時(shí)效-溫成形工藝參數(shù)為預(yù)時(shí)效溫度85 ℃,預(yù)時(shí)效時(shí)間24 h,成形溫度150 ℃。最佳預(yù)時(shí)效-溫成形工藝參數(shù)下,烘烤前后7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度分別為528.91,544.23 MPa,屈服強(qiáng)度分別為403.86,448.26 MPa,斷后伸長(zhǎng)率分別為22.03%,16.52%。在預(yù)時(shí)效-溫成形后進(jìn)行烘烤處理,可以提高鋁合金強(qiáng)度,但略微降低了其塑性。推測(cè)強(qiáng)度的提升是因?yàn)楹婵竞笠讶芙獾腉P區(qū)和η´相重新析出。 

3.   結(jié)論

（1）隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),預(yù)時(shí)效-溫成形后7075鋁合金晶粒尺寸無(wú)明顯變化,析出相數(shù)量增多；相比預(yù)時(shí)效溫度為100,120 ℃時(shí),預(yù)時(shí)效溫度為85 ℃時(shí)析出相的數(shù)量較少,尺寸較小。 

（2）隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),預(yù)時(shí)效-溫成形后7075合金的硬度和強(qiáng)度均先增加后減小；相比預(yù)時(shí)效溫度為100,120 ℃時(shí),預(yù)時(shí)效溫度為85 ℃時(shí)硬度和強(qiáng)度較大,斷后伸長(zhǎng)率較?。浑S著溫成形溫度升高,硬度和強(qiáng)度均減小。最佳預(yù)時(shí)效-溫成形工藝參數(shù)為預(yù)時(shí)效溫度85 ℃、預(yù)時(shí)效時(shí)間24 h、溫成形溫度150 ℃,此時(shí)合金綜合性能最佳,抗拉強(qiáng)度達(dá)到528 MPa,接近T6態(tài)的95%,斷后伸長(zhǎng)率高達(dá)22.03%,相比T6態(tài)提升了63%。 

（3）對(duì)預(yù)時(shí)效-溫成形鋁合金進(jìn)行180 ℃×30 min的烘烤處理可以提升強(qiáng)度,但會(huì)降低塑性。

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