成形速度對7050鋁合金鍛件力學性能和斷口形貌的影響

趙天生，方 羽，孫譽賓

（中機中聯工程有限公司，重慶 400050）

7×××系鋁合金具有高的比強度、比剛度和較好的耐腐蝕性等優點，作為最重要的結構材料廣泛應用于航空和交通運輸等行業[1-3]。7050鋁合金是1943年美國開發并應用于B-29型轟炸機上的高性能鋁合金，對飛機結構和性能帶來了顛覆性的變化[4-5]。由于7050鋁合金具有高比強度、高比剛度、高韌性和抗應力腐蝕性等顯著優點，經常用來生產飛機的機身框架、翼梁、起落架等重要的結構部件[6-7]。隨著我國國防工業發展的迫切需求，對飛機、戰斗機等重要的結構部件，需要高強度、高韌性、抗腐蝕和耐高溫等良好的綜合性能。鍛造成形相比于其它成形方式不僅能消除鑄造組織缺陷、改善晶粒大小，而且可以形成沿變形方向的纖維組織，所以越來越多的重要結構部件采用鍛造成形[8-10]。但是，鍛造成形由于受多種工藝參數的影響，其性能很多時候不可控。為了獲得綜合性能良好的鍛件，很多學者做了大量的研究。韓念梅等[11]研究了不同固溶制度對7050鋁合金組織和性能的影響；賈品峰等[12]研究了均勻化制度對7050鋁合金微觀組織和性能的影響；黃元春等[13]研究了兩種不同晶粒細化劑對含Zr的7050鋁合金微觀組織演變和第二相析出行為的影響；宋豐軒等[14]研究了預拉伸對7050鋁合金腐蝕性能的影響。大量的研究主要集中于熱處理制度，但鍛造工藝參數對鋁合金組織性能影響的研究相對較少，而鍛造工藝參數是決定鋁合金鍛件性能的基礎。成形速度是影響鋁合金鍛件成形的重要鍛造工藝參數之一，不合理的成形速度不僅不利于獲得性能優良的鋁合金鍛件，而且可能損壞壓機設備，給企業帶來巨大的經濟損失。因而研究鍛造工藝參數對鍛件力學性能、顯微組織和斷裂形貌的影響，具有重要的實際意義。本文通過熱模鍛生產試驗、OM、SEM和常溫力學拉伸等試驗方法分析了不同成形速度對7050鋁合金鍛件力學性能、顯微組織和斷裂形貌的影響規律，以期為7050鋁合金航空鍛件實際生產提供理論指導。

1 試驗材料和方法

試驗材料為某模鍛公司生產鋁合金鍛件所用的7050鋁合金擠壓棒材，化學成分如表1所示。

表1 7050鋁合金的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of the 7050 aluminum alloy（mass fraction，%）

對7050鋁合金擠壓棒材進行熱模鍛生產試驗，鍛件形狀及成形模具如圖1所示，模具預熱溫度350℃，坯料預熱溫度440℃，壓機分別以不同成形速度（0.5、2、8和16 mm/s）獲得鋁合金鍛件，然后將其放到加熱爐中統一加熱至480℃保溫60 min進行固溶處理，再經T6單級時效處理。分別在距離鍛件端部250 mm處（垂直于鍛件長度方向）用線切割機切割，并按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在試樣上制取室溫拉伸試樣如圖2所示，拉伸試驗在CMT5305微機控制電子萬能試驗機上進行，拉伸速度2 mm/min。在ZEISS Axiovert200 MAT光學顯微鏡上觀察顯微組織，在TESCAN VEGA 3LMH SEM掃描電鏡上觀察斷口形貌，觀察金相前首先對試樣打磨拋光，用腐蝕劑（16 mL HNO3+1 mL HF+3 g CrO3+83 mL H2O）腐蝕120 s，然后用酒精清洗并立刻風干，進行金相觀察。

圖1 鍛件（a）和模具（b）照片Fig.1 Photos of forging（a）and die（b）

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 成形速度對顯微組織的影響

通過光學顯微鏡（OM）觀察不同成形速度下鍛件的組織形貌如圖3所示。從圖3可以看出，當成形速度為0.5 mm/s時，晶粒基本都為圓形或近橢圓形。隨著成形速度增加，晶粒沿變形方向逐漸被拉長，呈現為棒條狀，同時局部有晶粒長大變粗。成形速度較小時，變形時間足夠長，所以晶粒有充分的時間形核長大變圓，但成形速度較小，溫度降低較大，所以晶粒整體長大并不顯著；此外較小成形速度下，金屬流動比較平緩，原來不利于晶粒變形的位向轉動至有利于變形的位向，所以整體變形比較均勻。當成形速度逐漸增大，由于金屬流動比較劇烈，一方面大量的晶粒被破碎，并沿變形方向被拉長；另外一方面內摩擦應力增大，金屬局部溫升比較大，所以局部有粗晶現象發生。

圖3 不同成形速度下鍛件固溶時效后的顯微組織Fig.3 Microstructure of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging

2.2 成形速度對力學性能的影響

力學性能是鍛件最重要的性能指標，尤其是航空鋁合金鍛件，由于應用環境的復雜性，對綜合力學性能要求更嚴格。圖4是7050鋁合金試樣經不同成形速度鍛造、固溶時效處理后的室溫拉伸性能曲線。從圖4可以看出，隨成形速度的增加，抗拉強度和屈服強度先增加后減小，伸長率隨成形速度的增加呈減小的趨勢，當成形速度為2 mm/s和8 mm/s時，抗拉強度均大于600 MPa，屈服強度也在560 MPa左右，伸長率僅從12.7%降低到12.1%。當成形速度為2 mm/s時，抗拉強度、屈服強度分別為608 MPa和560 MPa，伸長率為12.7%。在一定成形速度范圍內（2～8 mm/s），變形整體比較均勻，晶粒有充分的時間長大變圓，所以伸長率較大，抗拉強度和屈服強度也較大。當成形速度進一步增大，晶粒沿變形方向被拉長，合金的性能表現出各向異性，此外局部溫升比較大，有粗晶現象，伸長率和強度均呈現降低趨勢。綜上所述，在一定的成形速度下（2～8 mm/s），7050鋁合金鍛件能獲得較好的綜合力學性能。

圖4 不同成形速度下鍛件經固溶時效后的強度（a）和伸長率（b）Fig.4 Strength（a）and elongation（b）of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging

2.3 成形速度對斷口形貌的影響

圖5是不同成形速度下鍛件的室溫拉伸斷口形貌。從圖5（a，b）可以看出，斷口處呈纖維狀，斷口附近有一定的塑性變形；從圖5（c，d）可以看出斷口處有大量凹凸起伏的小峰和小坑，斷口的斜面與拉伸桿軸向呈45°夾角，斷口處有明顯的塑性變形現象。在一定范圍內隨著成形速度的減小，斷口處出現一定數量的韌窩，韌窩的數量隨成形速度的減小不斷增加，由撕裂棱向韌窩聚集性過渡，且韌窩的深度也逐漸變深。當成形速度為2 mm/s和8 mm/s時，斷口形貌以穿晶斷裂為主，第二相粒子整體較細小，僅伴隨少量的第二相粗大顆粒和晶間斷裂，因此，具有較好的綜合力學性能。

圖5 不同成形速度下鍛件固溶時效后的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging

3 結論

1）7050鋁合金鍛件的抗拉強度和屈服強度隨成形速度增加呈先增加后減小的趨勢，伸長率隨成形速度的增加逐漸減小。當成形速度為2 mm·s-1時鋁合金鍛件抗拉強度可達608 MPa，屈服強度可達560 MPa，伸長率為12.7%。

2）當成形速度為2 mm·s-1和8 mm·s-1時，試樣斷裂形式以穿晶斷裂為主，伴隨少量的晶間斷裂，且第二相粒子整體較細小。隨著成形速度減小，斷口韌窩數量增加，韌窩深度變深，鍛件的塑性儲備增大。

3）7050鋁合金熱模鍛生產成形速度為2～8 mm/s時，鍛件的綜合力學性能較好，可為實際7050鋁合金模鍛生產提供指導依據。