陶治穎

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

鋁合金憑借其低密度、高韌、高強的優(yōu)良性能，使其被廣泛應(yīng)用于交通運輸、航天航空、建筑業(yè)等多個領(lǐng)域。由于鋁合金中摻入了較高含量的Zn、Mg等元素，這使得鋁合金在熱處理工藝中未得以充分固溶時，這些元素的存在很容易影響到鋁合金的綜合性能，而且Zn、Mg元素的含量過高，還會對鋁合金造成嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕問題，這勢必會大幅降低鋁合金的結(jié)構(gòu)強度。

為了解決上述問題，本文便以熱處理工藝作為出發(fā)點，深入研究熱處理對鋁合金力學(xué)性能的作用機制，以期能夠為鋁合金的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 研究材料及方法

1.1 材料

本文將7075鋁合金作為研究材料，該鋁合金材料預(yù)先已經(jīng)進行了均勻化的退火處理，其內(nèi)部化學(xué)元素的主要成分包括Zn、Mg、Cu、Mn、Fe、Si、Cr、Ti以及AL,這些化學(xué)元素的含量分別為6.5%、2.2%、1.5%、0.6%、0.5%、0.5%、0.15%以及0.1%。

1.2 熱處理工藝

本文在熱處理工藝中采取分級淬火雙級時效，即將高溫預(yù)析出固溶處理、分級淬火以及雙級時效處理進行結(jié)合起來，以鋁合金加工作為參考，利用正交試驗方法來對具體的熱處理工藝進行制定。在研究上述熱處理工藝對鋁合金力學(xué)性能的作用機制時，通過HR-150A洛式硬度計來對鋁合金的硬度進行測試，并在各個鋁合金試樣中篩選出10個測試點，然后將10個測試點的測試值取平均值，利用Neophot21型金相顯微鏡來觀察鋁合金在熱處理工藝中的金相組織，將NHO3、HCL、HF以及H2O按照2.5%、1.5%、1%、95%的比例配置成腐蝕液，對熱處理后的鋁合金試樣進行腐蝕測試，最后通過CSS-400拉伸機來檢測鋁合金試樣的力學(xué)性能。

2 研究結(jié)果

2.1 固溶處理對鋁合金力學(xué)性能的作用機制

試驗結(jié)果表明，鋁合金試樣的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)會在很大程度上受到固溶處理溫度的影響，通過觀察不同固溶處理溫度下，鋁合金試樣在硬度及力學(xué)性能上的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，固溶處理溫度的不斷升高，會使7075鋁合金的力學(xué)性能在抗拉、硬度以及屈服強度上分別出現(xiàn)先增后降趨勢，當(dāng)固溶處理溫度達到470℃時，此時鋁合金的抗拉、屈服以及硬度也達到了一個峰值，分別是625MPa、550MPa和46.5HRB。

當(dāng)固溶溫度持續(xù)升高時，固溶體的過飽和度也會隨之增加，這時其相變驅(qū)動力也會增加，從而減小了其臨界晶核尺寸，提高了形核率的同時，也進一步增強了強化效果，這也使鋁合金具有更高的硬度與強度。當(dāng)固溶溫度超過470℃時，會加快晶粒尺寸的增長速度，不過融入的溶質(zhì)因子量卻并未出現(xiàn)較大變化，從而降低了鋁合金的強度。當(dāng)固溶溫度未達到470℃時，會有較多的過剩相，這也使晶粒的尺寸增長并不明顯，從而使強化因子在鋁合金力學(xué)性能中起到主導(dǎo)作用，并在強化因子的作用下提高了鋁合金的硬度與強度。但當(dāng)固溶溫度超過470℃，過剩相已所剩無幾，這時在鋁合金力學(xué)性能中主要是受到軟化作用的影響，這也造成鋁合金試樣的力學(xué)性能降低。

當(dāng)固溶溫度達到470℃，并且鋁合金試樣已經(jīng)經(jīng)過了1h的淬火處理，并與試樣在固溶后經(jīng)過1h的緩冷至350℃的試樣微觀組織進行對比，可以發(fā)現(xiàn)試樣在進行分級淬火以后，基體中已經(jīng)溶入了大多數(shù)的強化性，這會使晶界析出相在彌散分布上得以顯著提高，而人工時效又會對晶界的析出相結(jié)構(gòu)進行改變。由此可推斷出，晶界析出相的結(jié)構(gòu)是影響鋁合金試樣抗應(yīng)力腐蝕性能的重要因素。

2.2 雙級時效處理對鋁合金力學(xué)性能的作用機制

由于本文所采用的7075鋁合金處于固溶態(tài)時所具有的硬度與強度較低，因此需要進行時效處理來提高合金的韌性與強度，并通過固溶處理以及分級淬火，對一級與二級時效的相關(guān)時間參數(shù)以及具體的時效溫度進行嚴(yán)格控制，這樣才能確保鋁合金試樣具備高強高硬特性，同時還可以兼顧良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，從而使鋁合金性能得以最大限度的發(fā)揮。通過分析試驗結(jié)果，預(yù)時效溫度的不斷提高，會使鋁合金在雙級時效作用下，其硬度會呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，當(dāng)時效溫度達到115℃時，鋁合金的硬度會達到峰值。通過分析一級時效時間給鋁合金硬度帶來的影響可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)時效時間的增加，會使二級時效后鋁合金的硬度呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢。一級時效下，熱處理工藝的最佳溫度為115℃左右，變動幅度在5℃以內(nèi)，而熱處理時間應(yīng)以5h～6h為宜。二級時效下，熱處理工藝的最佳溫度為175℃左右，變動幅度在5℃以內(nèi)，熱處理時間應(yīng)以14h～16h為宜。采用上述雙級時效工藝的最佳參數(shù)，經(jīng)測試后，鋁合金試樣在抗拉、屈服、伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)上的測試值分別是663MPa、560MPa以及13.6%。

通過對雙級時效后的鋁合金試樣利用掃描電鏡來進行測試，可以發(fā)現(xiàn)其時效析出相的聚集現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且晶界無析出帶也較寬，究其原因在于鋁合金試樣在進行高溫預(yù)析出固溶處理時，造成其η'相與η相發(fā)生粗化和尺寸增加，進而使析出相的間距變得更大、更均勻。由此可以了解到，通過高溫預(yù)析出固溶處理，能夠進一步增加晶界的優(yōu)先析出傾向，進而使晶界的析出相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使后續(xù)時效中晶界析出相呈現(xiàn)出明顯的不連續(xù)分布狀態(tài)，同時通過對雙級時效的工藝參數(shù)進行合理調(diào)整，能夠有效確保鋁合金具有高韌性與高強度等力學(xué)性能，并可使其抗應(yīng)力腐蝕性能得到顯著改善。

3 結(jié)語

綜上所述，本文深入研究了熱處理工藝對鋁合金力學(xué)性能的作用機制，從而明確了熱處理工藝下鋁合金在力學(xué)性能上的變化趨勢，當(dāng)固溶溫度達到470℃、固溶時間為1h時，會使鋁合金的硬度、強度以及伸長率等力學(xué)性能保持在一個最佳的水平，通過對固溶后的鋁合金進行350℃+1h的緩冷與水淬處理，可顯著改善鋁合金在后續(xù)時效下的抗腐蝕性能。在此基礎(chǔ)上，還確定了雙級時效的最佳工藝參數(shù)，即（115±5）℃×(5～6)h+(175±5)℃×(14～16)h，在此工藝參數(shù)下，能夠使鋁合金獲得最佳的力學(xué)性能表現(xiàn)。