加熱溫度對7A09-T6鋁合金型材性能的影響

李繼光，楊菊鵬，王 湃,2，劉延平,2，初冠南

（1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462；2.首都航天機械有限公司，北京，100076；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)，威海，264209）

0 引 言

運載火箭殼段類產(chǎn)品通常為桁條+蒙皮+端框的半硬殼結(jié)構(gòu)，桁條作為其主承力結(jié)構(gòu)，是最主要的鈑金零件之一［1-2］。7A09 鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系超高強度變形鋁合金，因其具有較好的耐腐蝕性、較高的韌性和良好的熱加工性，同時還可以通過熱處理強化而具有較高的比強度，因此運載火箭殼段類產(chǎn)品中的桁條大部分選用7A09鋁合金［3-4］。桁條零件為實現(xiàn)與端框連接，端頭通常需要壓制下陷，目前航天下陷成形工藝采取“退火態(tài)成形—淬火—修整變形—時效”的工藝，淬火后普遍存在變形量大、人工修整量大、表面質(zhì)量差、產(chǎn)品直線度不易保證及生產(chǎn)效率低等問題。同時7A09 鋁合金有明顯的自然時效硬化趨勢，桁條在校形過程中出現(xiàn)硬化，影響產(chǎn)品校形。而如果直接采用7A09-T6鋁合金進(jìn)行下陷成形，就會造成截面畸變、開裂等問題。因此如能在7A09-T6態(tài)下直接成形，可省掉淬火、修整和時效3道工序，在提高零件形狀精度的同時提高生產(chǎn)效率。

G Palumbo 等［5-7］的研究表明，將鋁合金材料加熱到一定溫度可以大幅提高其塑性能力，且當(dāng)加熱溫度不超過某一溫度，冷卻至室溫后材料的力學(xué)性能保持不變。早在1946 年，F(xiàn)inch 等［8-9］就對鋁合金板材進(jìn)行了加熱成形研究，結(jié)果表明，加熱可以顯著提高鋁合金板材的拉伸成形性能。然而加熱是否能提高7A09-T6鋁合金的塑性成形能力還未見報道。

本文通過對7A09-T6 鋁合金型材進(jìn)行熱拉伸試驗，得到了不同加熱溫度下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究了7A09-T6鋁合金型材隨加熱溫度的力學(xué)性能變化規(guī)律，并且研究分析了經(jīng)過不同溫度加熱冷卻至室溫后的力學(xué)性能和微觀組織變化規(guī)律，為7A09 鋁合金在7A09-T6態(tài)下成形提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所采用原材料為7A09-T6鋁合金型材，型材牌號為XC141-12。型材構(gòu)件及截面尺寸如圖1 所示，7A09鋁合金的化學(xué)成分［3］如表1所示。

表1 7A09 鋁合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the 7A09 Al alloy

圖1 型材構(gòu)件及截面尺寸（單位: mm）Fig.1 Profile members and section dimensions (Unit: mm)

1.2 試驗方法

試驗應(yīng)用熱拉伸試驗方法，使拉伸試樣處于溫?zé)釥顟B(tài)，測試材料在各溫區(qū)下的力學(xué)性能，采用的Gleeble 1500D熱模擬試驗機如圖2所示。該熱模擬試驗機最大載荷為±8 160 kg（大氣環(huán)境），位移速度為0.001～1 200 mm/min，加熱溫度范圍為0～1 200 ℃。拉伸試樣由型材腹板截取，如圖3所示。設(shè)定每組參數(shù)拉伸試樣數(shù)量為3個，試驗后取平均值。為排除多種因素影響，依據(jù)單一變量原則，設(shè)定每組試樣的原材料同爐批、規(guī)格以及狀態(tài)保持一致。測試過程如下：拉伸過程中，試片兩端被夾緊同時受到軸向的拉力，進(jìn)而產(chǎn)生伸長的現(xiàn)象。隨著拉伸過程的不斷進(jìn)行，試樣最終被拉斷，整個測試過程為實時監(jiān)控狀態(tài)，測試環(huán)境保持恒溫。

圖2 Gleeble 1500D熱模擬試驗機Fig.2 Gleeble 1500D thermal-mechanical simulator

圖3 拉伸試樣截取及實物（單位: mm）Fig.3 Tensile test samples (Unit: mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 7A09-T6鋁合金典型溫度下的力學(xué)性能

熱拉伸試驗加熱溫度分別為25 ℃（室溫）、100 ℃、150 ℃、165 ℃、175 ℃、185 ℃、200 ℃和250 ℃，試驗過程應(yīng)變速率為0.1/s，保溫時間為10 s。拉伸試驗得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。具體的力學(xué)性能如表2 所示。7A09-T6 鋁合金強度和延伸率隨溫度的變化趨勢如圖5所示。

表2 不同溫度條件下的力學(xué)性能Tab.2 Tensile properties tested at different temperatures

圖4 7A09-T6態(tài)鋁合金不同溫度條件下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Engineering stress-strain curve tested at under different temperatures

從圖5 中可以看出，加熱溫度對7A09-T6 鋁合金的力學(xué)性能有顯著影響。室溫下7A09-T6的屈服強度和抗拉強度分別為520 MPa 和580.2 MPa，延伸率為11.0%；隨著加熱溫度升高，屈服和抗拉強度降低，而斷裂延伸率則不斷增加，當(dāng)加熱溫度達(dá)到200 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別降到了374.5 MPa 和420 MPa，斷裂延伸率增加至20.0%；當(dāng)加熱溫度升高到250 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別降到了280 MPa 和289 MPa，而斷裂延伸率增加至22.5%，約為室溫條件下斷裂延伸率的2.05倍。

2.2 保溫時間對塑性變形能力的影響

根據(jù)上述分析，當(dāng)加熱到175 ℃時，延伸率可達(dá)18.1%，完全可以滿足實際工程需求，因此需要繼續(xù)研究當(dāng)加熱到175 ℃時，保溫時間和加熱速率對塑性變形能力的影響，保溫時間選取為1 s、10 s、60 s。拉伸試驗得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6 所示，在175 ℃時相同應(yīng)變速率下隨著保溫時間的延長材料的屈服強度及抗拉強度稍有下降，斷裂延伸率變化在1.5%以內(nèi)。可以認(rèn)為在175℃下成形時，保溫時間在60 s以內(nèi)隨著保溫時間的延長對材料斷裂延伸率的提高意義不大，因此在實際成形時，可以通過縮短保溫時間來縮短整個工藝的時間，提高生產(chǎn)效率。

圖6 保溫時間對力學(xué)性能的影響Fig.6 Effect of holding time on mechanical properties

2.3 加熱速率對塑性變形能力的影響

圖7 給出了不同加熱速率下加熱至175 ℃，保溫10 s時拉伸得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試驗過程中應(yīng)變速率為0.1/s。從圖7中可以看出，加熱速率（電流密度）對材料的力學(xué)性能影響不大。

圖7 加熱速率對力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of heating rate on mechanical properties

2.4 7A09-T6鋁合金經(jīng)過不同溫度加熱冷卻至室溫后的力學(xué)性能

為確定不同加熱溫度對材料冷卻至室溫的最終力學(xué)性能有無影響，開展了相應(yīng)的試驗驗證。試驗測試了經(jīng)過加熱至不同溫度，保溫10 s，然后自然冷卻到室溫在應(yīng)變速率為0.1/s時拉伸的材料力學(xué)性能，其工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。具體的力學(xué)性能如表3所示。

表3 不同加熱溫度下冷卻至室溫的材料力學(xué)性能Tab.3 Tensile properties tested at being cooled to room temperature after heated to different temperatures

圖8 不同加熱溫度下冷卻至室溫的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Engineering stress-strain curves of tested at being cooled to room temperature after heated to different temperatures

圖9a 和圖9b 分別為熱拉伸及冷卻至室溫拉伸時材料的屈服強度、抗拉強度及斷裂延伸率與加熱溫度的關(guān)系。由拉伸試驗結(jié)果可知：當(dāng)加熱溫度不高于200 ℃時，冷卻至室溫后材料的力學(xué)性能與沒有加熱的7A09-T6性能值相當(dāng)；當(dāng)加熱溫度高于200 ℃后，冷卻至室溫后材料的屈服強度和抗拉強度隨著加熱溫度的升高而降低，延伸率隨加熱溫度升高而稍有增大。

續(xù)圖9

圖9 加熱前后材料力學(xué)性能對比Fig.9 Comparison of tensile properties before and after heating

2.5 7A09-T6鋁合金加熱前后材料微觀組織變化情況

不同加熱溫度后在掃描電鏡下的掃描電鏡照片（放大200 000 倍）如圖10 所示。從圖10 中可以看到尺寸0.05～1 μm 的析出物顆粒，這些析出物顆粒主要是Al3Zr、Al7Cr 和Al18Mg3Cr2相，為抑制再結(jié)晶而引入的微量元素Cr、Mn、Zr 等形成的金屬化合物，在固溶溫度以下這些金屬化合物顆粒經(jīng)過短時間加熱不會發(fā)生轉(zhuǎn)變。在200 ℃以下，未見0.05～1 μm 的析出相明顯變化。當(dāng)溫度達(dá)到285 ℃時，能觀察到析出相減少，350 ℃加熱后剩余時效析出相很少，此時已經(jīng)發(fā)生η，相（MgZn2）回溶和轉(zhuǎn)變，與此同時可以觀察到“氣泡狀”的亞晶存在，隨著加熱溫度的升高，亞晶有長大的趨勢，這是由于溫度升高原子能量增加、熱運動能力提高促進(jìn)了動態(tài)回復(fù)。

圖10 加熱前后7A09-T6室溫拉伸件掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM photos of 7A09-T6 room temperature stretch before and after heating

3 結(jié) 論

本文研究得出以下結(jié)論：

a）7A09-T6 鋁合金隨著加熱溫度升高，屈服和抗拉強度降低，斷裂延伸率則不斷增加。當(dāng)加熱溫度達(dá)到200 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別降到了374.5 MPa和420 MPa，斷裂延伸率增加至20.0%；當(dāng)加熱溫度升高到250 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別降到了280 MPa 和289 MPa，而斷裂延伸率增加至22.5%，約為室溫條件下斷裂延伸率的2.05倍。

b）當(dāng)加熱溫度不高于200 ℃時，冷卻至室溫后材料的力學(xué)性能與沒有加熱的7A09-T6力學(xué)性能值相當(dāng)，一次析出相和二次析出相均無明顯變化；當(dāng)加熱溫度高于200 ℃后，冷卻至室溫后材料的屈服強度和抗拉強度隨著加熱溫度的升高而降低，延伸率隨加熱溫度升高而稍有增大；當(dāng)加熱溫度高于285 ℃時，此時已經(jīng)發(fā)生η，相（MgZn2）回溶和轉(zhuǎn)變，因此冷卻至室溫后材料的屈服和抗拉強度明顯下降。加熱溫度達(dá)到350 ℃時，出現(xiàn)亞晶，說明存在回復(fù)再結(jié)晶。

c）在200 ℃以下熱成形，加熱時間和加熱速率對性能和組織影響不大。