周學(xué)浩,孫有平,張揚(yáng)揚(yáng),付靜

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006)

固溶時(shí)效對(duì)7055鋁合金組織和性能的影響

周學(xué)浩,孫有平*,張揚(yáng)揚(yáng),付靜

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006)

采用維氏硬度試驗(yàn)機(jī)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)顯微鏡手段，研究了固溶時(shí)效對(duì)7055鋁合金組織和力學(xué)性能的影響，確定出最佳固溶時(shí)效工藝.研究結(jié)果表明:固溶處理470℃/60 min+495℃/20 min為較好的固溶制度，其組織中大量第二相溶入鋁基體中，其抗拉強(qiáng)度為472.8 MPa，延伸率為13％;隨后對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理得出130℃/24 h達(dá)到峰時(shí)效態(tài)晶粒組織細(xì)化，其抗拉強(qiáng)度為515.9 MPa，延伸率為12％.通過上述研究，可知7055鋁合金最佳熱處理工藝制度為470℃/60 min+495℃/20 min，130℃/24 h.

7055鋁合金;熱處理;雙級(jí)固溶;單級(jí)時(shí)效

0 引言

7×××系鋁合金屬于超高強(qiáng)鋁合金，是熱處理可強(qiáng)化合金，具有較高的比強(qiáng)度和硬度、較高的韌性和較好的耐腐蝕性以及良好的加工性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、橋梁、建筑、車輛、工兵裝備和大型壓力容器等方面［1-3］.隨著相關(guān)行業(yè)內(nèi)的需求增長(zhǎng)，通過合理的固溶時(shí)效處理使其產(chǎn)生更好性能，成為了研究者所關(guān)注的焦點(diǎn)［4］.

隨著鋁合金不斷用于生活中，人們對(duì)其鋁合金的性能提出了更高的要求［5-6］.20世紀(jì)80年代，美國(guó)Alcoa公司在7150鋁合金的基礎(chǔ)上成功研制出具有高強(qiáng)度同時(shí)又擁有優(yōu)良綜合性能的7055鋁合金［1］.國(guó)內(nèi)對(duì)7xxx系鋁合金的研發(fā)起步較晚，基本上都是仿制，很少自行開發(fā)［2］.李海等［7］研究了熱處理制度對(duì)含Ag的7055鋁合金斷裂特征，結(jié)果表明不同的熱處理合金主要析出相性質(zhì)和尺寸不同，導(dǎo)致斷裂特征也不同.張新等［8］研究了熱擠壓使7055鋁合金的晶粒細(xì)化，最佳的合金擠壓比壓為75 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度為681.4 MPa，伸長(zhǎng)率為7.14％.

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)超高強(qiáng)鋁合金板材進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，為更深入研究超高強(qiáng)鋁合金熱處理工藝提供參考，為工廠的熱處理實(shí)用工藝優(yōu)化提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用7055鋁合金擠壓板，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 7055鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)Tab.1 Chemical composition of 7055 aluminum alloy(wt/％)

采用DMI3000M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行合金組織觀察和分析，采用HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度儀測(cè)試其顯微硬度，在CMT5105型拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試?yán)炝W(xué)性能，金相試樣使用Dix-Keller試劑腐蝕.試驗(yàn)鋁合金板材采用雙級(jí)固溶和單級(jí)時(shí)效處理，采用的雙級(jí)固溶熱處理制度見表2，固溶處理結(jié)束后均進(jìn)行水淬.

表2 7055鋁合金固溶熱處理工藝Tab.2 The technology of the solution treatment for 7055 aluminum alloy

2 固溶處理

2.1 硬度

固溶處理后試驗(yàn)組硬度如圖1所示，一級(jí)固溶制度分別為450℃/60 min，460℃/60 min，470℃/ 60min，二級(jí)固溶制度分別為485℃/20 min，485℃/ 40min，485℃/60min，495℃/20min，495℃/40min，495℃/60 min，將二級(jí)固溶制度對(duì)應(yīng)表2中順序進(jìn)行編號(hào).由圖1可見固溶溫度和時(shí)間對(duì)合金的硬度有一定影響.

固溶處理前擠壓態(tài)的7055鋁合金試樣硬度為106.3 HV，圖1固溶處理后7055鋁合金試樣硬度值基本是在編號(hào)3至編號(hào)5達(dá)到最高，由圖1可以看出，每組試驗(yàn)硬度性能最好的為450℃/60 min+485℃/60 min，460℃/60 min+495℃/40 min，470℃/60 min+495℃/20 min.從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，第2次固溶溫度最高495℃時(shí)間為60 min時(shí)硬度值下降明顯，這是因?yàn)樵诖藴囟认略嚇影l(fā)生再結(jié)晶，合金顯微組織中出現(xiàn)等軸晶，隨著時(shí)間延長(zhǎng)等軸晶數(shù)量不斷增多并且不斷長(zhǎng)大，晶粒的長(zhǎng)大導(dǎo)致硬度下降，這就是合金再結(jié)晶的結(jié)果［9］.不同的固溶溫度和保溫時(shí)間對(duì)合金硬度值的影響也間接地反映了固溶處理?xiàng)l件對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律［10］.

2.2 拉伸性能

圖1 固溶處理后試驗(yàn)組硬度圖Fig.1 The experimental group hardness of solution treatment

圖2 拉伸力學(xué)性能圖Fig.2 Tensile mechanical properties

硬度越低，則抗拉強(qiáng)度越小;因此，在一定程度上，硬度的高低反映了抗拉強(qiáng)度的大?。?1］.選取硬度性能好的3種固溶制度進(jìn)行拉伸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示.抗拉強(qiáng)度是先增大后減小，而延伸率則是先升高再降低后有再次升高趨勢(shì).結(jié)合硬度性能、拉伸性能以及延伸率的綜合影響得出雙級(jí)固溶處理470℃/60 min+495℃/20 min性能較好.

2.3 顯微組織

圖3給出了經(jīng)過雙級(jí)固溶處理后7055鋁合金顯微組織.圖3(a)為7055鋁合金的擠壓帶板擠壓態(tài)顯微組織，可見組織中存在大量粗大第二相，且沿著擠壓方向呈鏈狀分布.圖3(b)中合金固溶處理工藝為470℃/60 min+495℃/20 min，在此工藝下第二相較少且更加均勻.并且隨著第二級(jí)固溶處理時(shí)間的增加，合金顯微組織中的第二相逐漸減少，這說明經(jīng)過雙級(jí)固溶處理，合金中粗大第二相隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)正逐步溶入鋁基體中.7055鋁合金固溶處理在沒有發(fā)生過燒之前，固溶溫度越高其固溶的合金元素濃度越大，淬火后合金中過飽和固溶體濃度越高，時(shí)效后將具有更高的強(qiáng)度［12］.而伴隨第二級(jí)固溶495℃保溫時(shí)間延長(zhǎng)合金顯微組織中將會(huì)出現(xiàn)晶粒逐漸長(zhǎng)大現(xiàn)象，晶粒的長(zhǎng)大會(huì)降低合金的強(qiáng)度;因此，為提高合金的固溶程度第二固溶溫度保溫時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng).本次雙級(jí)固溶試驗(yàn)中第一級(jí)固溶溫度較低促使了非平衡相的擴(kuò)散，第二級(jí)固溶溫度較高可以促使合金組織中元素濃度的增加，提高固溶處理的過飽和固溶體的濃度［12］，且固溶溫度越高相應(yīng)的再結(jié)晶也會(huì)增多，非平衡相更多地溶入基體;因此，兩者相互制約［13］.

圖3 二級(jí)固溶時(shí)間變化顯微組織圖Fig.3 Microstructure of variable second-level solution time

圖4給出了第二級(jí)固溶溫度變化時(shí)7055鋁合金顯微組織，從圖中可見第二級(jí)固溶溫度485℃時(shí)顯微組織中的第二相分布較多，當(dāng)升高第二級(jí)固溶溫度到495℃時(shí)顯微組織中的第二相明顯減少，通過力學(xué)性能檢測(cè)和二級(jí)固溶時(shí)間和溫度變化的顯微組織觀察和分析得出，二級(jí)固溶處理制度為470℃/60 min+495℃/ 20 min較為合適.

圖4 二級(jí)固溶溫度變化顯微組織圖Fig.4 Microstructure of variable second-level solution temperature

3 時(shí)效處理

3.1 硬度

在470℃/60 min+495℃/20 min固溶處理工藝下進(jìn)行時(shí)效處理如圖5所示，時(shí)效處理溫度為130℃，140℃，150℃，每個(gè)時(shí)效溫度下保溫時(shí)間分別為2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，12 h，14 h，16 h，18 h，20 h，22 h，24 h，26 h，28 h，30 h.由圖5可見，每組時(shí)效處理實(shí)驗(yàn)硬度較好的為130℃/24 h空冷維氏硬度為130 HV;140℃/ 10 h空冷維氏硬度為130 HV;150℃/24 h空冷維氏硬度為120.8 HV.7055鋁合金的硬度隨著不同時(shí)效溫度的進(jìn)行，在150℃時(shí)效下時(shí)間分別在12 h和24 h合金明顯出現(xiàn)了雙峰硬化現(xiàn)象，閻大京［14］研究表明第1個(gè)硬度峰值的出現(xiàn)是由于GP區(qū)的形成所造成，而第2個(gè)硬度峰值的出現(xiàn)則是由于η'相對(duì)合金的硬度性能起到了重要的作用.陳小明等［15］研究認(rèn)為第2峰硬度主要是隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)合金組織出現(xiàn)了相變.

3.2 拉伸性能

在一定程度上，硬度的高低反映了抗拉強(qiáng)度的大?。?1］;因此，通過硬度測(cè)試得出每組較好的硬度值，再對(duì)其進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和延伸率的測(cè)試.選取圖5中每組時(shí)效處理硬度最高的工藝進(jìn)行抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的研究，如圖6所示.由圖6可知，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而延伸率的變化基本不大.

圖5 固溶處理及時(shí)效處理后試驗(yàn)組硬度圖Fig.5 The hardness of the experimental group after solid solution-aging treatment

圖6 固溶處理及時(shí)效處理后試驗(yàn)組力學(xué)性能圖Fig.6 The Mechanical properties of the experimental group after solid solution-aging treatment

時(shí)效溫度的提高或者時(shí)效時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致基體中非平衡η'脫溶物析出量的增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要穿過高應(yīng)變的基體區(qū)域，強(qiáng)度進(jìn)一步提高.隨著η'脫溶物數(shù)量增多，分布更加均勻，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也越大，強(qiáng)化效果越明顯，合金強(qiáng)度也將達(dá)到峰值［16］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖6):7055鋁合金時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于擠壓態(tài)抗拉強(qiáng)度提高了60 MPa～100 MPa，即雙級(jí)固溶470℃/60 min+495℃/ 20 min，130℃/24 h時(shí)效處理達(dá)到峰值時(shí)效態(tài)，合金的抗拉強(qiáng)度為515.9 MPa，延伸率為12％，相比合金未時(shí)效前的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度提高了9.1％，延伸率下降了7.7％，這主要是因?yàn)闀r(shí)效后的合金組織中回溶的溶質(zhì)原子再次從基體中析出，從而使合金組織中的第二相增多且分布越為彌散［17］，導(dǎo)致合金強(qiáng)度升高，延伸率下降.

3.3 顯微組織

圖7給出了時(shí)效溫度變化顯微組織.戴曉元等［18］研究認(rèn)為析出相的大小和分布、析出相粒子與基體的界面關(guān)系以及晶界特征決定著合金的最終力學(xué)性能.由圖可知，合金顯微組織在24 h時(shí)效情況下溫度130℃時(shí)組織晶粒細(xì)化，析出相較為細(xì)小且均勻分布;而在140℃，150℃情況下組織晶粒的長(zhǎng)大現(xiàn)象明顯，并且晶界間伴隨有較大析出相的產(chǎn)生，降低了合金的強(qiáng)度.

圖7 時(shí)效溫度變化顯微組織Fig.7 Microstructure of variable aging temperature

3 結(jié)論

1)7055鋁合金擠壓帶板的較好雙級(jí)固溶時(shí)效處理工藝為470℃/60 min+495℃/20 min，經(jīng)過此工藝處理后合金中粗大第二相已逐步溶入鋁基體中，其抗拉強(qiáng)度為472.8 MPa，延伸率為13％;

2)在雙級(jí)固溶處理工藝470℃/60 min+495℃/20 min下，最佳時(shí)效制度為130℃/24 h達(dá)到峰時(shí)效，其組織晶粒得到明顯細(xì)化，硬度值為130 HV，抗拉強(qiáng)度為515.9 MPa，延伸率為12％，相比擠壓態(tài)，合金硬度值、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了22.3％，13.6％，50％，合金表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能.

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Effects of solution treatment and aging process on mechanical properties of 7055 aluminum alloy

ZHOU Xue-hao，SUN You-ping*，ZHANG Yang-yang，F(xiàn)U Jing
(School of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

In the paper，the effect of solution-aging on microstructure and mechanical properties of 7055 aluminum alloy are studied by means of hardness tester，tensile testing machine and optical microscope.The results show that the better solution treatment process of the alloy is 470℃/60min+495℃/20min.A large number of second phase dissolve into the aluminum matrix.Its tensile strength and elongation is respectively 472.8MPa and 13％.Then it is concluded that the aging process of the130℃/24h can achieve the refinement of the grain structure of the peak aged state，the tensile strength is 515.9MPa and elongation rate is 12％.Through the above research，the optimum heat treatment process for 7055 aluminum alloy is 470℃/60min+495℃/20min，130℃/24h.

7055aluminum alloy;heat treatment;two-stage solution;single-stage aging

TG156.9

A

2095-7335(2016)02-0081-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.014

(學(xué)科編輯:黎婭)

2015-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51301044)資助.

*通信作者:孫有平，博士，教授，研究方向:板材成型技術(shù)與理論研究，E-mail:syptaiji@126.com.