■ 顧卓倫，屠征

7系列鋁合金為超高強(qiáng)度鋁合金，以Al為基體，主要添加元素Zn、Mg、Cu，是一種可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。起主要強(qiáng)化作用的元素為Zn、Mg，Cu也有一定強(qiáng)化效果，但其主要作用是為了提高材料的耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、列車等領(lǐng)域。因此，可以說超高強(qiáng)度鋁合金是以減輕承載結(jié)構(gòu)件為目的發(fā)展起來的一種高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)受力材料。

鋁合金板材在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中被大量采用，板材的缺陷有可能是原材料遺留下來的，也有可能是熱處理過程產(chǎn)生的，缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響零件的強(qiáng)度和韌性，一旦鋁合金零件失效，由此而產(chǎn)生的后果將不可估計(jì)。我公司從國外購買的一批7075-T6鋁合金板材在做原材料試驗(yàn)時(shí)，力學(xué)性能未達(dá)到規(guī)范要求。為找出不合格原因，本文對(duì)該7075板材進(jìn)行全面的分析和研究，對(duì)原材料的力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織等進(jìn)行分析，確定了材料力學(xué)性能低產(chǎn)生的原因。

1. 試驗(yàn)用材料

購買的板材尺寸規(guī)格為3657.6mm×1219.2mm（144in×48in），厚板4mm，試樣尺寸縱×橫為203.2mm×25.4mm（8in×1in），試驗(yàn)取樣位置見圖1。首次試驗(yàn)從原材料上取兩根試樣（1-1、1-2），試驗(yàn)結(jié)果1-1試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均未達(dá)到材料技術(shù)規(guī)范要求，1-2試樣屈服強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)范要求。對(duì)原材料重復(fù)取4根試樣（2-1、2-2、2-3、2-4）進(jìn)行復(fù)試，2-1試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度仍不合格，測(cè)試結(jié)果見表1。

2. 試驗(yàn)過程及結(jié)果

（1）化學(xué)成分分析 對(duì)原材料進(jìn)行光譜化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，材料各元素含量均符合技術(shù)要求。

（2）金相組織、顯微硬度檢查 將試樣1-1和1-2分別做成金相試樣，兩試樣經(jīng)侵蝕后組織正常，均為在α固溶體基體上均布著沉淀析出相的質(zhì)點(diǎn)，晶粒較細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)有過熱、過燒現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。兩試樣金相組織顏色有色差，圖3中金相組織的對(duì)比度比圖2大。

將試樣1-1和1-2進(jìn)行顯微硬度檢查，其測(cè)試值見表3。測(cè)試結(jié)果表明，試樣1-1的顯微硬度值比試樣1-2稍低。

表1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖1 取樣位置

（3）能譜分析 將試樣1-1和1-2放在掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，化學(xué)成分能譜分析見圖4、表4、圖5、表5，二者成分變化不大。

（4）材料力學(xué)性能測(cè)試 分析前2次的試驗(yàn)結(jié)果，我們懷疑取樣位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有影響，故重新取樣進(jìn)行試驗(yàn)，共取樣12根，并在試樣上做好位置標(biāo)記。試驗(yàn)結(jié)果為12根試樣中有2根（3-11、3-12）屈服強(qiáng)度不合格，抗拉強(qiáng)度也偏低，2根不合格試樣都取在板材的邊緣部位。測(cè)試結(jié)果見表6，取樣位置見圖1。

分析以上三次試驗(yàn)，不合格試樣都位于板材的邊緣部位，懷疑原材料的缺陷引起板材邊緣強(qiáng)度的下降，從板材兩個(gè)邊緣部位各取2根（共4根）試樣，按熱處理規(guī)范進(jìn)行了T6固溶時(shí)效，對(duì)熱處理后的試樣再做力學(xué)性能試驗(yàn)，4根試樣力學(xué)性能全部符合規(guī)范要求，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率的平均值要高于前三次試驗(yàn)數(shù)值。對(duì)金相組織進(jìn)行熱處理前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱處理后的組織比熱處理前的要亮。測(cè)試結(jié)果見表7，取樣位置見圖1，試樣4-2熱處理前后的金相組織見圖6、圖7。

3. 分析與討論

由材料的三次力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，不合格試樣都位于板材邊緣部位，合格試樣和不合格試樣金相顯微組織存在明顯的色差，對(duì)取自板材邊緣的試樣重新進(jìn)行T6熱處理，力學(xué)性能全部合格，金相顯微組織色差也較熱處理前有改善。能譜分析表明，合格與不合格試樣的化學(xué)成分基本一致，故不存在化學(xué)成分偏析。

圖2 試樣1-1金相組織

圖3 試樣1-2金相組織

圖4 試樣1-1成分分析能譜圖

圖5 試樣1-2成分分析能譜圖

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 顯微硬度測(cè)試結(jié)果 （HV50gf）

表4 試樣1-1成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表5 試樣1-2成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

7075鋁合金為可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，其淬火及時(shí)效狀態(tài)的組織性質(zhì)是其使用性能的基礎(chǔ)。鋁合金的淬火，是在加熱至第二相全部或最大限度地溶入固溶體并保持一段時(shí)間后，以快于第二相自固溶體中析出的速度（淬火）冷卻，獲得過飽和固溶體。此過飽和固溶體處于不平衡狀態(tài)，在室溫下是不穩(wěn)定的，有發(fā)生分解和析出過剩溶質(zhì)原子（強(qiáng)化相）的自發(fā)趨勢(shì)。鋁合金的時(shí)效，就是利用某些強(qiáng)化相的脫溶過程而產(chǎn)生硬化（即時(shí)效強(qiáng)化）來提高合金強(qiáng)度的。因此，鋁合金淬火的目的，是把合金在高溫的固溶體組織固定到室溫獲得過飽和固溶體，以便在隨后的時(shí)效中使合金強(qiáng)化。另外，有資料記載，對(duì)于含有銅、鋅的合金在再結(jié)晶晶粒間還有不同的顏色對(duì)比度，對(duì)比度越大，說明合金固溶越充分。

眾所周知，由于工件與環(huán)境快速的熱交換，工件自加熱爐中取出轉(zhuǎn)移至淬火槽的過程中，板材邊緣部位溫度下降最多，冷卻速度要大于中間部位冷卻速度。由于Al-Zn-Mg-Cu合金含有Cu、Mn、Cr等元素，增大了對(duì)淬火冷卻速度的敏感性，因此合金在淬火時(shí)應(yīng)盡量縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間。如工件自加熱爐中取出轉(zhuǎn)移至淬火槽中淬火，轉(zhuǎn)移時(shí)在空氣中停留時(shí)間過長，會(huì)使固溶體部分分解，強(qiáng)化相沿晶析出，合金固溶體的過飽和程度會(huì)下降，則不僅會(huì)降低時(shí)效后的強(qiáng)度，還會(huì)影響合金晶界腐蝕抗力，所以在淬火冷卻時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)間要快，以抑制固溶體分解，避免強(qiáng)化相沉淀析出。

圖6 試樣4-2熱處理前金相組織

由于原材料邊緣部位熱處理合金固溶不充分，引起固溶體的過飽合度下降，使其最后形成的組織成分結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，金相組織和正常熱處理的組織就會(huì)存在顏色的差異。試樣經(jīng)T6重新熱處理后提高了材料固溶體的過飽合度，故強(qiáng)度得到了提高。

圖7 試樣4-2熱處理后金相組織

表6 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表7 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

4. 結(jié)語

7075鋁合金板材強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)范要求的主要原因，是由于熱處理轉(zhuǎn)移過慢，在空氣中停留時(shí)間過長，使板材邊緣部位熱處理合金固溶不充分，從而引起固溶體的過飽合度下降，導(dǎo)致材料強(qiáng)度不足。