摘 要

摘 要

7075 高强高硬铝合金属于 Al-Zn-Mg-Cu 系合金，在航空、国防和轨道交通 领域广泛使用。本文通过对 7075 铸态铝合金进行挤压、热处理等加工，采用光 学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等多种设备观察了合金在挤压过程 中显微组织发生的变化；采用电子拉伸试验机、显微硬度计等对比了 7075 铝合 金在加工前后发生的力学性能变化。

研究 7075 铝合金在高温塑性变形下的本构关系是研究挤压加工等复杂变形 的前提，其本构关系影响金属在热加工过程中的变形行为，包含了高温下 7075 铝合金屈服时的应力、应变、应变速率、温度和再结晶等相互关系，7075 铝合 金的本构方程可用包含了变形激活能 Q 和温度 T 的双曲正弦形式的本构模型。 7075 铝合金的高温变形具有明显的阶段性，并在一定的温度、变形速率条件下 可发生软化现象。合金在热变形过程中发生的再结晶现象影响其可加工性和变 形后组织及其力学性能，7075 铝合金在一定的工艺条件下使部分能量被组织演 变等消耗，可发生少量的局部的动态再结晶。

7075 铝合金在挤压过程中发生变形、流动等宏观变化；同时也发生相变、 再结晶、晶粒取向等微观组织变化；还发生了硬度、强度等力学性能变化，这 些变化揭示了 7075 铝合金的挤压变形行为。通过采用有限元数值模拟与设置挤 压实验相结合的手段研究了 7075 铝合金在挤压过程中的变形行为，发现挤压速 度和挤压温度影响 7075 铝合金的挤压力的大小，合金在挤压过程中出现内部温 度和内部应力分布不均匀，可产生部分动态再结晶，挤压导致合金的抗拉强度 和显微硬度值大幅上升，断裂模式由铸态下的脆性断裂转变为挤压态下的延性 断裂，合金内部组织产生晶粒取向，形变强化是主要因素；在对挤压态合金进 行固溶时效处理后，合金的显微组织进一步发生变化，析出相重新析出在晶界 的周围，7075 铝合金的力学性能进一步升高，析出相颗粒的强化作用是其主要 原因。

关键词： 7075 铝合金；挤压；变形行为；再结晶

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ABSTRACT

ABSTRACT

7075 high strength and high hardness aluminum alloy belongs to Al-Zn-Mg-Cu series alloy, which is widely used in aviation, national defense and rail transit. Through the extrusion and heat treatment on 7075 cast Aluminum Alloy processing, and using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and other equipment to observe changes of alloy microstructure in the extrusion process; electronic tensile testing machine, microhardness testing machine, and compare the change of mechanical properties in 7075 Aluminum Alloy before and after processing.

The study on 7075 Aluminum Alloy in high temperature plastic constitutive relation of deformation is a prerequisite to the study of complex extrusion deformation. The constitutive relation of metal deformation behavior influence of thermal processing, including 7075 Aluminum Alloy high temperature yield stress, strain, strain rate, temperature and recrystallization the relationship, to determine process parameters has a great influence, selection of equipment mould etc.. The high temperature deformation of 7075 aluminum alloy has obvious stage, and it can soften under certain temperature and deformation rate. The recrystallization phenomenon of alloy during hot deformation occurs in the process of its machinability and microstructure and mechanical properties of 7075 Aluminum Alloy, so that part of the energy to be consumed in the organization evolution of certain conditions, can produce a large amount of local dynamic recrystallization.

In the 7075 Aluminum Alloy extrusion process occurs many of macroeconomic changes, like deformation and flow; at the same time phase change, recrystallization, grain orientation and microstructure change were observed,; this procession also changed the mechanical hardness and strength, these changes reveal the extrusion deformation behavior of 7075 Aluminum Alloy. By using the finite element numerical simulation and extrusion experiment combining means of 7075 Aluminum Alloy during extrusion deformation behavior, it found that the size of the extrusion pressure of extrusion speed and extrusion temperature of 7075 Aluminum Alloy, alloy in the

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ABSTRACT

extrusion process of internal temperature and internal stress distribution is not uniform, some dynamic crystallization pressure caused the tensile strength and hardness values rose sharply, deformation strengthening is the main factor, in the extruded alloy after solution and aging treatment, the microstructure of the alloy further changes of precipitates re precipitated at grain boundaries around the mechanical properties of 7075 Aluminum Alloy further increased, the precipitation strengthening effect is the main reason.

Key words: 7075 aluminum alloy; extrusion; deformation behavior; recrystallization

III

目 录

目 录

第1章	绪论............................................................................................................... 1
1.1	铝合金挤压工艺............................................................................................ 1
1.2	铝型材挤压过程的流动特性........................................................................ 4
	1.2.1挤压过程中流动特性的研究方法..................................................... 4
	1.2.2挤压阶段金属的流动行为................................................................. 5
1.3	金属塑性变形基础理论................................................................................ 7
	1.3.1金属多晶体的塑性变形..................................................................... 7
	1.3.2材料模型及本构关系......................................................................... 9
	1.3.3金属塑性理论的其他研究............................................................... 10
1.4	铝型材挤压数值模拟的研究现状.............................................................. 11
	1.4.1有限体积法....................................................................................... 11
	1.4.2有限元法........................................................................................... 11
1.5	铝合金挤压变形过程中的组织演变.......................................................... 12
	1.5.1宏观组织变化................................................................................... 12
	1.5.2微观组织变化................................................................................... 13
	1.5.3力学性能变化与缺陷....................................................................... 14
1.6	本文研究内容.............................................................................................. 14
第2章	实验材料、设备及方法............................................................................. 16
2.1	材料成分及合金制备.................................................................................. 16
	2.1.1合金成分的选择及7075铝合金熔炼............................................. 16
	2.1.2铝合金铸棒制备............................................................................... 16
2.2	热模拟试验.................................................................................................. 16
2.3	挤压及热处理.............................................................................................. 18
2.4	力学性能测试与显微组织观察.................................................................. 19
	2.4.1拉伸力学性能测试........................................................................... 19

IV

目 录

	2.4.2显微硬度测试................................................................................... 19
	2.4.3断口扫描........................................................................................... 19
	2.4.4显微组织分析................................................................................... 20
第3章	材料本构方程和再结晶模型..................................................................... 21
3.1	7075高温变形应力应变曲线..................................................................... 21
3.2	确定本构方程参数...................................................................................... 23
3.3	动态再结晶模型.......................................................................................... 27
3.4	7075铝合金加工图..................................................................................... 29
3.5	本章小结...................................................................................................... 30
第4章	数值模拟分析............................................................................................. 31
4.1	模拟参数的选择.......................................................................................... 31
4.2	温度对挤压过程的影响.............................................................................. 32
4.3	变形速度对挤压过程的影响...................................................................... 35
4.4	挤压过程中的再结晶.................................................................................. 36
4.5	本章小结...................................................................................................... 40
第5章	实验过程和结果分析................................................................................. 42
5.1	挤压工艺参数的选取.................................................................................. 42
5.2	挤压过程...................................................................................................... 43
5.3	力学性能分析.............................................................................................. 44
5.4	拉伸断口扫描.............................................................................................. 47
5.5	显微硬度分析.............................................................................................. 49
5.6	微观组织分析.............................................................................................. 50
	5.6.1金相分析........................................................................................... 50
	5.6.2透射电镜分析................................................................................... 53
	5.6.3 XRD分析.......................................................................................... 53
5.7	本章小结...................................................................................................... 54
第6章	结论与展望................................................................................................. 55
6.1	结论.............................................................................................................. 55

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目 录

6.2进一步工作的方向...................................................................................... 56
致谢............................................................................................................................. 57
参考文献..................................................................................................................... 58
攻读硕士学位期间的成果......................................................................................... 62

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第 1 章 绪论

第 1 章 绪论

1.1 铝合金挤压工艺

挤压加工作为一种重要的金属材料塑性加工工艺，可以获得具有不同尺寸、 形状各异的挤压型材。挤压加工应用最多的材料是低熔点并具有良好高温塑性 的有色合金，如铝及铝合金、铜合金和锡合金，其中铝及铝合金的挤压加工发 展速度最快，应用范围最广，占据了型材市场的绝大部分^[1-3] 。在变形铝合金中， 6000 系(Al-Mg-Si 系)合金挤压加工材料的使用量最高，加工性能优良，广泛应 用于建筑型材等民用领域，但是其强度中等，不能满足宇航、军用领域的高强 度要求^[4] ；2000 系(Al-Cu 系)合金对应于国内的硬铝和部分锻铝，该系具有可以 和钢材匹敌的强度，多用于飞机结构材料，但由于含 Cu 量较高，耐蚀性较差^[5] ； 7000 系铝合金，包括 Al-Zn-Mg-Cu 高强高硬铝合金和 Al-Zn-Mg 焊接构件用合 金两大类，前者如 7075，后者如 7003/7N01 等。7075 在铝合金中强度最高，主 要用于航空和高级民用领域，但由于其变形抗力较大，对其进行塑性加工需要 较高的加工力，且要注意在加工过程中易出现的缺陷^[6-7] ，因此对于 7075 合金的 塑性加工是较为热门的研究课题。

按挤压筒内金属的应力应变分布、挤压方向、润滑状态、挤压温度、挤压 速率、工模具的种类和结构、坯料的形状或数目、挤出品的形状或数量的不同， 挤压加工的分类也各有差异，分类法如图 1.1 所示。

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第 1 章 绪论

	正向挤压 反向挤压 正反复合 侧向挤压 按挤压方向分	（正挤压） （反挤压） 挤压
	平面变形 轴对称变 一般三维 按变形特征分	挤压 形挤压 变形挤压
	无润滑挤 润滑挤压 玻璃润滑 理想润滑 按润滑状态分	压（黏着摩擦挤压） （常规润滑挤压） 挤压 挤压（静液挤压）
	冷挤压
	温挤压 热挤压 按挤压温度分
挤压方法的分类	低速挤压 高速挤压 按挤压速度分	（普通挤压）
	冲击挤压	（超高速挤压）
	按模具种类或模具结构分	平模挤压 锥模挤压 分流模挤压 带穿孔针挤压
		圆坯料挤压（圆挤压筒挤压）
	按坯料形状或数目分	扁坯料挤压（扁挤压筒挤压） 多坯料挤压 复合坯料挤压
		棒材挤压 管材挤压
		实心型材挤压
	按产品形状或数目分	空心型材挤压
		变断面型材挤压
		单根产品挤压（单孔模挤压）
		多根产品挤压（多孔模挤压）

图 1-1 挤压方法的分类

Fig.1-1 Classification of extrusion

目前国内主流的型材生产方法都采用正挤压，因其设备工艺较为简单而得 到了广泛的应用。

反挤压与正挤压有很大的差异，根本区别在于挤压筒跟挤压垫是否有相对 运动，在反挤压中金属的流出方向与挤压杆的运动方向相反，由于反挤压的变

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第 1 章 绪论

形区比正挤压更集中，金属在流动过程中处于反挤压变形区的时间较短，因此 整体上变形更加均匀，充分。反挤压具有诸多优势，如生产率高于正挤压，与 工模具的摩擦力小于正挤压，单位产能能耗低于正挤压等等，但反挤压对于工 艺的控制更为严格，在反挤压的过程中，如果出现型材挤歪的情况，很容易与 挤压设备接触从而影响生产顺利进行，而正挤压由于挤出时金属已经处于设备 外面从而没有这项问题，因此反挤压的成本更高。反挤压作为一种成熟的型材 生产工艺在国外如美、日、德等国得到了广泛的应用，尤其在大截面尺寸的铝 型材方面，如大直径管材和大尺寸带筋壁板等。邓小民^[8] 通过设置多组对比实验 验证了正反挤压工艺挤压力的差别，并通过对比棒材和管材的挤压过程，定量 研究了挤压力的变化情况。邓波等^[9] 通过对 7N01 铝合金进行高速反挤压试验， 成功在 10 倍于普通挤压速度的条件下生产出挤压棒材，并分析了其显微组织与 力学性能。

连续挤压作为一种新工艺解决了各种常规挤压法生产中出现的挤压不连续 性问题、消除了生产周期、减少了压余等残余废料，从而提高了挤压生产效率。 由于连续挤压依靠挤压滚轮提供的摩擦力使金属材料发生塑性变形，因此其内 部的流动状态也更为复杂。樊志新等^[10] 采用了分区的方式对连续挤压过程中的 变形行为进行了研究，并通过数値解析方法得出了金属变形体内部应力的表达 式及分布规律。彭颖红等^[11] 在有限元方法的基础上改进了接触算法，使变形体 和模具的边界能够得到自动识别和优化，该实验模型较好地反映了连续挤压的 变形机制。

等径角挤压(ECAP)是目前世界上研究挤压变形过程对金属内部组织影响的 热门课题，该工艺的核心是金属在模具的转角处被迫改变流动方向而发生内部 组织变化，由于在该处的金属受到剧烈的压应力和剪应力作用，其内部的疏松、 空隙等缺陷得到大幅改善、组织内部发生细晶强化、变形前后基本可以保持原 始的尺寸等，因此该工艺自诞生起就受到了广泛的研究。许晓嫦^[12] 通过小角度 X 射线散射(SASX)观察了 相在等径角挤压不同道次过程中的变化情况；张忠明等 [13]在对纯铝进行不同道次的加工时发现进行一道次以上的挤压后晶粒变形由简 单的拉长变为晶粒细化，并且剪切变形和应变量在不同阶段主导晶粒的细化。 但等径角挤压工艺并不适合直径和长度较大的合金，若坯料的尺寸较大，势必 会大幅增加所需挤压力，对设备条件和能源消耗是一大挑战^[14] ；等径角挤压对 于挤压工艺的要求较为苛刻，必须保持在一定的温度和挤压速度范围内，且每

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第 1 章 绪论

种合金都有各自的工艺条件范围，如挤压温度过低则容易出现加工硬化导致焖 车；等径角挤压对于缺陷的消除作用是有限的，对于挤压前端部位，缺陷往往 得不到改善，由于挤压过程中转角内外侧的速度偏差容易导致挤压后合金的组 织和应力的不均匀现象发生，这样合金在挤出后容易发生变形，因此等径角挤 压往往需要采用多道次不同方向的挤压，合金在转角处的流动往往不是均匀的， 容易出现各种紊流，因此外部的氧化夹杂等缺陷更容易流入到金属内部；最后 等径角挤压对于模具的损耗也是比较严重的，尤其是在模具的转角处，由于该 处的合金被强行改变流动方向，因此模具会受到剧烈的挤压和冲刷作用，导致 模具普遍寿命偏低。

为了防止铝合金在挤压过程中与工模具产生黏着，降低挤压过程中的摩擦 阻力，在挤压过程中往往会在铝合金表面和模具的接触表面涂抹润滑介质，但 该方法带来的一大弊端是油污等润滑剂容易随着挤压流动卷入铝合金内部，另 一个缺点是润滑剂在金属表面模具表面占用了部分空间，影响了挤压精度。为 了确保产品的表面精度和内部质量，铝及铝合金通常采用无润滑挤压，然而无 润滑挤压对挤压设备和工艺的要求较高，挤压制品合格率较低，易出现划伤、 变形等缺陷。高安江等^[15] 对管材挤压过程中存在的偏心、拉裂等问题进行分析， 优化设计了穿孔系统挤压垫片的结构，使无润滑挤压无缝管材的内表面质量提 高，缺陷率降低。

1.2 铝型材挤压过程的流动特性

1.2.1 挤压过程中流动特性的研究方法

挤压过程中金属的变形行为和流动状态对挤压产品的微观组织、力学性能、 尺寸精度与合格率有重要的影响，决定了如何正确地设计挤压模具、如何制定 优良的生产工艺。铝合金在挤压变形过程中流动行为的研究方法可以分为实验 法和解析法两类。解析法有初等解析法（主应力法）、滑移线法、上限法和有限 元法等；实验法有坐标网格法、高低倍组织法、光塑性法等。主应力法是一种 将偏微分方程形式的应力平衡方程简化成常微分方程的近似解法，发展较早； 滑移线法的核心在于变形体内部的滑移线场，适合求解理想刚塑性体的平面问 题；上限法一般用于求解极限载荷，不能求出变形体内部的应力分布；坐标网 格法是将需要进行塑性加工的坯料进行剖切，在内部表面刻画网格线，然后将

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