轧制变形量对Al-5Zn-3Mg-1Cu合金显微组织和力学性能的影响

轧制变形量对Al-5Zn-3Mg-1Cu合金显微组织和力学性

能的影响*

李东锋 张新明 刘胜胆 尹邦文 雷越

【摘 要】采用室温拉伸试验、Kahn撕裂试验，结合光学显微镜、透射电子显微镜等方法，研究了Al-5Zn-3Mg-1Cu铝合金厚板在热轧过程中随轧制变形量增大其合金组织和力学性能的演变过程.结果表明：热轧变形过程中，变形量从56%增大至91%时，合金的再结晶分数由0.49%增大至43.30%，晶粒尺寸从83 μm减小至10 μm以下，合金的抗拉强度和屈服强度分别从542.3和520.0 MPa提升到593.4和564.9 MPa，延伸率从8.0%左右提高到11.2%；随轧制变形量的增大，合金撕裂强度和单位面积裂纹形核功呈增大的趋势. 【期刊名称】华南理工大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2015(043)011 【总页数】6

【关键词】铝合金；轧制变形；力学性能；拉伸试验；Kahn撕裂试验

【文献来源】https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-south-china-university-technology-natural-science-edition_thesis/0201249732994.html

随着航空航天工业的迅速发展，飞机结构件向着大型化及整体化的方向发展，对大截面Al-Zn-Mg-Cu系铝合金厚板的需求日益增加[1- 4].铝合金厚板的生产过程一般包括铸造、均匀化、轧制和沉淀强化处理(一般指高温固溶、水淬及时效)等工序[5].为了得到具有良好综合性能的超高强度铝合金组织，必须了解轧制变形及随后热处理过程中合金组织的演变过程及其对性能的影响.

针对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，人们做了大量的研究，主要集中在固溶和时效

对合金组织以及合金性能的影响、轧制变形量对淬火敏感性的影响，以及合金的流变应力行为等方面[6- 14]，关于热变形工艺条件对性能和组织的影响则研究较少.王东等[15]研究发现，增大变形量或者降低变形量，合金的再结晶分数有增大的趋势，力学性能先升高然后略微下降，但目前在轧制变形对合金第二相以及合金性能的影响方面的研究还不够深入.任伟才等[5]研究了轧制变形量对7B50合金组织、腐蚀性能以及力学性能的影响，但是对轧制变形过程中的组织演变过程未过多涉及.之前的研究大部分都是采用实验室小规模实验，或者是直接对工厂提供的热轧板重新均匀化处理后再进行轧制变形，实验过程与工厂实际生产过程有所脱节.鉴于此，笔者利用中南大学轻合金研究院的大型熔炼和轧制设备，以接近工厂生产的方式进行合金铸造、均匀化和轧制生产，研究轧制变形过程中合金组织、力学性能等的演变过程，以期为工业上生产符合性能要求的国产大飞机厚板提供参考.

1 实验

实验用合金由中南大学轻合金研究院工程化实验基地提供，采用2 t半连续铸造设备铸造而成，其成分为5Zn-3Mg-1Cu-Al余量(质量分数).合金铸锭经均匀化处理(420 ℃,6 h+470 ℃,24 h)后，切去头尾，采用龙门铣床铣去表皮，加工完成后，厚度为375mm.轧制前将铸锭放置在加热炉中加热保温，加热温度400 ℃，保温时间4 h，保证铸锭内部温度均匀.轧制温度控制在330～400 ℃之间，经过多道次轧制后轧成35 mm厚的板材，总变形量为91%.轧制过程中，用切割机分别取厚度为166、107、72及35 mm的板材做后续研究，对应变形量分别为56%、72%、81%及91%.从4块轧板1/2厚度处选取样品，进行470 ℃/2 h固溶和120 ℃/24 h时效处理.

试样经时效处理后，分别进行室温拉伸试验和Kahn撕裂试验.室温拉伸试验根据GB/T 228- 200X标准进行，标样总长100 mm，细颈部分长度和直径分别为25和5 mm.拉伸试验沿轧制方向以2 mm/min的速度在INSTRON 4507型试验机上进行.撕裂试验根据ASTM B871- 01标准在室温下进行，如图1所示，取样方向为T-L方向和L-T方向.

采用XJP-6A型金相显微镜观察时效态合金的再结晶形貌与分布；铸态和均匀化态样品采用Keller试剂(试剂配方为95 mL H2O+1 mL HF+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl)进行腐蚀，时效态样品采用Graff Sargent试剂(试剂配方为83 mL H2O+1 mLHF+16 mL HNO3+3 g CrO3)进行腐蚀.对试样不同视场进行大量金相拍照，采用ImageJ软件对合金再结晶分数进行统计.用FEI TECNAIG220型透射电镜(TEM)观察试样的组织，加速电压为200 kV；将试样预磨成厚度约0.08 mm的薄片，冲成φ3 mm的圆片，然后进行双喷减薄，电解液为20%HNO3+80%CH3OH(体积分数)，温度控制在-20 ℃以下.

2 实验结果

2.1 铸态和均匀化态合金组织

铸态合金组织如图2(a)所示.可以看出，铸态合金组织中晶粒呈等轴状分布，在晶界处存在部分低熔点共晶相.合金均匀化后的组织如图2(b)所示.可以看出，经均匀化处理之后，晶粒呈等轴状分布，晶界处低熔点共晶相明显消除，晶界比较平滑. (a)铸态合金 (b)均匀化态合金

图2 铸态和均匀化态合金组织的形貌