预硬化7075铝合金的变形行为、涂漆烘烤响应及微观结构演变

《Materials Science and Engineering: A》：Deformation Behavior, Paint-Bake Response and Microstructure Evolution of Pre-Hardened 7075 Aluminum Alloy

7075铝合金预硬化（PH）态在保持优异室温成型性的同时，通过保留富含空位的GPII区实现漆包后T6级强度，而T4态因析出相粗化导致强度不足。研究揭示了PH合金与位错协同强化机制及动态回复控制规律。

　　7075铝合金因其优异的强度与重量比、断裂韧性以及轻质特性，广泛应用于汽车、航空和航天等工业领域。然而，在大部件制造过程中，常温成形技术相较于高温热成形技术更受工业青睐，主要原因是热成形工艺复杂且成本高昂，例如模具热匹配不良、设备能耗高以及大规模生产中的严格成本控制要求。通常，经过硬化的7075铝合金虽然强度较高，但其常温成形性能较差，因此目前多采用软质合金（如O/W状态）进行成形。O状态的常温成形性能与200℃高温成形性能相当，可以用于制造复杂部件。然而，成形后这些部件需要进行固溶淬火和时效热处理，以达到所需的强度水平。但成形后的形状难以保持完整，需要人工校准来恢复成形精度。W状态合金则不需要淬火，可以直接用于制造B柱、碰撞梁等复杂车身部件。不过，在实际生产中，固溶淬火与成形之间的自然时效，以及成形与人工时效之间的自然时效过程，不仅会降低7075铝合金的成形性能，还会影响其人工时效后的强度水平。此外，即使使用软质合金（O/W状态）进行成形，仍需在120℃下进行24小时的人工时效处理，才能达到T6状态合金的强度水平。这导致了制造周期较长，难以满足汽车和航天领域日益增长的大规模生产需求。

鉴于T4P处理技术在Al-Mg-Si合金中的成功应用，因其良好的成形性、室温稳定性以及对烘烤的响应能力，该研究也尝试将其应用于Al-Zn-Mg-Cu合金。然而，结果表明，经过T4P处理的Al-Zn-Mg-Cu合金的深拉性能明显低于W状态合金，且其烘烤后的强度也低于T6状态合金。此外，当T4P处理应用于Al-Mg-Si合金时，发现该处理对合金成分具有高度敏感性，必须精确控制才能获得良好的性能。因此，T4P处理在Al-Zn-Mg-Cu合金中的应用并不广泛。

本研究的核心挑战在于实现7075铝合金在常温成形过程中的良好成形性和成形后快速达到T6状态合金的强度水平。这需要材料具备足够的加工硬化能力以及优异的烘烤硬化响应。T6状态合金虽然强度高，但其成形性能较差，这是由于其有限的加工硬化能力，而这种能力源于基体中不可剪切的析出相的逐渐形成。在变形过程中，位错绕过这些析出相，形成大量的位错环，从而加速加工硬化并显著提升合金强度。然而，当变形量达到特定水平时，位错环会饱和，进一步的变形将促进位错的跨滑移，导致动态回复过程的发生。这种显著的动态回复效应会明显降低材料的加工硬化能力，进而引发过早的裂纹萌生。动态回复机制与铝合金中的析出状态密切相关。为了缓解这一现象，Hutchinson和Liu分别证明，在Al-Zn-Mg-Cu合金的基体中引入高密度可剪切的析出相，可以有效提升加工硬化能力，同时改善材料的强度和延展性。优化Al-Zn-Mg-Cu合金的烘烤响应能力，关键在于快速形成细小的强化相，这需要材料具有利于析出相演化的微观结构。

在时效处理过程中，基体中会形成具有高取向关系的GP区，这些GP区作为溶质富集的纳米级区域存在。尽管普遍认为GP区是稳定析出相的前驱相，但关于析出序列仍存在一些不确定性。Sha等人提出，稳定析出相是通过GP区的转变形成的，而Berg等人则指出，GP区是稳定析出相的主要前驱相。虽然具体的形成机制尚未完全阐明，但科学界普遍认为GP区是不稳定的析出相的前驱相。

本研究系统地比较了7075铝合金在预硬化（GPII富集）和T4状态（GPI富集）下的常温成形行为、微观结构演化以及成形后性能，揭示了预硬化合金的显著优势。通过单轴拉伸试验，量化了变形和烘烤处理对材料性能的影响，同时通过帽梁部件冲压试验对部件级性能进行了评估。结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和差示扫描量热法（DSC）等先进表征技术，揭示了关键的微观结构演化机制。研究结果表明，预硬化合金能够在成形后无需时效处理的情况下，保持与T6状态合金相当的强度水平，为高效短流程制造高强度铝部件提供了理论基础。

在实验过程中，使用了来自Alnan铝业有限公司的商用7075-1.5mm铝板（化学成分为Al-6.39Zn-2.75Mg-1.6Cu-0.32Cr-0.28Fe，质量百分比），系统评估了预硬化（PH）和T4状态合金的常温性能。材料状态根据其加工历史分别标记为PH和T4。图1展示了与成形过程相关的温度-时间曲线。预硬化合金是通过在475℃下进行30分钟的固溶处理，随后快速冷却至室温而形成的。这种处理方式有助于提高合金的加工硬化能力，同时确保其在烘烤处理后的强度水平达到T6状态合金的标准。

在不同热处理状态下，对7075铝合金的工程应力-应变曲线进行了比较。图3展示了在不同热处理状态下，工程应力-应变曲线的对比。PH和T4状态合金的延展性与O状态合金相当，而在自然时效2周后，T4状态合金的屈服强度达到310 MPa，比O状态合金高235 MPa。与T4状态合金类似，PH状态合金的抗拉性能也相当，其抗拉强度为532 MPa，略低于T6状态合金的560 MPa。然而，PH状态合金在烘烤处理后，其强度水平与T6状态合金相当，而T4状态合金则始终未能达到这一水平。帽梁部件冲压试验进一步验证了这一趋势。

在微观结构演化方面，研究发现，无论是PH状态还是T4状态合金，在成形过程中都会形成高角度晶界（HAGBs），以维持加工硬化能力。PH状态合金在烘烤处理后能够保留富含空位的GPII区，而T4状态合金则由于较低的析出相形成活化能（14 kJ/mol vs. 38.31 kJ/mol在PH合金中）以及位错诱导的空位，导致析出相在烘烤处理过程中加速粗化。这种粗化现象降低了T4状态合金的强度水平，而PH状态合金则能够维持与T6状态合金相当的强度。因此，PH状态合金在烘烤处理后能够实现与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这一现象与两种合金的微观结构演化密切相关。

在成形过程中，材料的塑性变形机制受到多种因素的影响。对于多晶材料而言，变形过程中位错系统的激活不仅取决于Schmid因子，还与晶界处的应变相容性有关。晶界通常作为应力集中区域，因为它们阻碍了位错的运动。相邻晶粒之间的位错传递可以缓解晶界处的应力集中，维持变形的连续性。此外，位错环的形成和演变对材料的加工硬化能力具有重要影响。位错环的形成不仅促进了加工硬化，还显著提高了材料的强度。然而，当变形量达到一定水平时，位错环会饱和，进一步的变形会导致位错的跨滑移，从而引发动态回复过程。动态回复过程的发生会显著降低材料的加工硬化能力，导致过早的裂纹萌生。因此，如何控制位错环的形成和动态回复过程，是提高材料成形性能和强度的关键。

本研究通过系统的实验和表征分析，揭示了预硬化合金在常温成形过程中的优势。PH状态合金在烘烤处理后能够实现与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这种差异主要源于两种合金的微观结构演化机制不同。PH状态合金在烘烤处理过程中能够保留富含空位的GPII区，而T4状态合金则由于较低的析出相形成活化能，导致析出相在烘烤处理过程中加速粗化。因此，PH状态合金在烘烤处理后能够维持与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这一发现为提高高强度铝合金的成形性能和强度提供了新的思路和理论支持。

在实际应用中，7075铝合金的成形性能和强度水平对于汽车和航天领域的产品设计和制造至关重要。因此，如何在不牺牲成形性能的前提下，提高材料的强度水平，是当前研究的重点。本研究通过对比不同热处理状态下的成形行为和微观结构演化，揭示了预硬化合金在这一方面的优势。PH状态合金在烘烤处理后能够实现与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这种差异主要源于两种合金的微观结构演化机制不同。PH状态合金在烘烤处理过程中能够保留富含空位的GPII区，而T4状态合金则由于较低的析出相形成活化能，导致析出相在烘烤处理过程中加速粗化。因此，PH状态合金在烘烤处理后能够维持与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这一发现为提高高强度铝合金的成形性能和强度提供了新的思路和理论支持。

在工业制造过程中，材料的加工硬化能力和烘烤硬化响应是决定其成形性能和强度水平的关键因素。本研究通过实验和表征分析，揭示了预硬化合金在这一方面的优势。PH状态合金在烘烤处理后能够实现与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这种差异主要源于两种合金的微观结构演化机制不同。PH状态合金在烘烤处理过程中能够保留富含空位的GPII区，而T4状态合金则由于较低的析出相形成活化能，导致析出相在烘烤处理过程中加速粗化。因此，PH状态合金在烘烤处理后能够维持与T6状态合金相当的强度，而T4状态合金则无法达到这一水平。这一发现为提高高强度铝合金的成形性能和强度提供了新的思路和理论支持。

本研究的结果表明，预硬化合金在常温成形过程中具有良好的塑性和加工硬化能力，同时能够在烘烤处理后迅速达到T6状态合金的强度水平。这一特性使得预硬化合金成为一种理想的材料状态，能够满足汽车和航天领域对高强度、高成形性以及短制造周期的需求。此外，研究还揭示了不同热处理状态下材料的微观结构演化机制，为优化材料的加工性能和强度提供了理论依据。通过系统的实验和表征分析，本研究不仅加深了对7075铝合金成形行为和性能的理解，还为未来高强度铝合金的开发和应用提供了重要的参考。