熱處理對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)制研究

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(qiáng)的優(yōu)良性能，使其被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航天航空、建筑業(yè)等多個(gè)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(shí)，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(guò)高，還會(huì)對(duì)鋁合金造成嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，這勢(shì)必會(huì)大幅降低鋁合金的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了解決上述問(wèn)題，本文便以熱處理工藝作為出發(fā)點(diǎn)，深入研究熱處理對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)制，以期能夠?yàn)殇X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(jìn)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(jí)淬火雙級(jí)時(shí)效，即將高溫預(yù)析出固溶處理、分級(jí)淬火以及雙級(jí)時(shí)效處理進(jìn)行結(jié)合起來(lái)，以鋁合金加工作為參考，利用正交試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)具體的熱處理工藝進(jìn)行制定。在研究上述熱處理工藝對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)制時(shí)，通過(guò)HR-150A洛式硬度計(jì)來(lái)對(duì)鋁合金的硬度進(jìn)行測(cè)試，并在各個(gè)鋁合金試樣中篩選出10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，然后將10個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試值取平均值，利用Neophot21型金相顯微鏡來(lái)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(duì)熱處理后的鋁合金試樣進(jìn)行腐蝕測(cè)試，最后通過(guò)CSS-400拉伸機(jī)來(lái)檢測(cè)鋁合金試樣的力學(xué)性能。

2 研究結(jié)果

2.1 固溶處理對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)制

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁合金試樣的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)會(huì)在很大程度上受到固溶處理溫度的影響，通過(guò)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(huì)使7075鋁合金的力學(xué)性能在抗拉、硬度以及屈服強(qiáng)度上分別出現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，當(dāng)固溶處理溫度達(dá)到470℃時(shí)，此時(shí)鋁合金的抗拉、屈服以及硬度也達(dá)到了一個(gè)峰值，分別是625MPa、550MPa和46.5HRB。

當(dāng)固溶溫度持續(xù)升高時(shí)，固溶體的過(guò)飽和度也會(huì)隨之增加，這時(shí)其相變驅(qū)動(dòng)力也會(huì)增加，從而減小了其臨界晶核尺寸，提高了形核率的同時(shí)，也進(jìn)一步增強(qiáng)了強(qiáng)化效果，這也使鋁合金具有更高的硬度與強(qiáng)度。當(dāng)固溶溫度超過(guò)470℃時(shí)，會(huì)加快晶粒尺寸的增長(zhǎng)速度，不過(guò)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(qiáng)度。當(dāng)固溶溫度未達(dá)到470℃時(shí)，會(huì)有較多的過(guò)剩相，這也使晶粒的尺寸增長(zhǎng)并不明顯，從而使強(qiáng)化因子在鋁合金力學(xué)性能中起到主導(dǎo)作用，并在強(qiáng)化因子的作用下提高了鋁合金的硬度與強(qiáng)度。但當(dāng)固溶溫度超過(guò)470℃，過(guò)剩相已所剩無(wú)幾，這時(shí)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(dá)到470℃，并且鋁合金試樣已經(jīng)經(jīng)過(guò)了1h的淬火處理，并與試樣在固溶后經(jīng)過(guò)1h的緩冷至350℃的試樣微觀組織進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)試樣在進(jìn)行分級(jí)淬火以后，基體中已經(jīng)溶入了大多數(shù)的強(qiáng)化性，這會(huì)使晶界析出相在彌散分布上得以顯著提高，而人工時(shí)效又會(huì)對(duì)晶界的析出相結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jí)時(shí)效處理對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)制

由于本文所采用的7075鋁合金處于固溶態(tài)時(shí)所具有的硬度與強(qiáng)度較低，因此需要進(jìn)行時(shí)效處理來(lái)提高合金的韌性與強(qiáng)度，并通過(guò)固溶處理以及分級(jí)淬火，對(duì)一級(jí)與二級(jí)時(shí)效的相關(guān)時(shí)間參數(shù)以及具體的時(shí)效溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，這樣才能確保鋁合金試樣具備高強(qiáng)高硬特性，同時(shí)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(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)時(shí)效溫度的不斷提高，會(huì)使鋁合金在雙級(jí)時(shí)效作用下，其硬度會(huì)呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到115℃時(shí)，鋁合金的硬度會(huì)達(dá)到峰值。通過(guò)分析一級(jí)時(shí)效時(shí)間給鋁合金硬度帶來(lái)的影響可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)時(shí)效時(shí)間的增加，會(huì)使二級(jí)時(shí)效后鋁合金的硬度呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)。一級(jí)時(shí)效下，熱處理工藝的最佳溫度為115℃左右，變動(dòng)幅度在5℃以內(nèi)，而熱處理時(shí)間應(yīng)以5h～6h為宜。二級(jí)時(shí)效下，熱處理工藝的最佳溫度為175℃左右，變動(dòng)幅度在5℃以內(nèi)，熱處理時(shí)間應(yīng)以14h～16h為宜。采用上述雙級(jí)時(shí)效工藝的最佳參數(shù)，經(jīng)測(cè)試后，鋁合金試樣在抗拉、屈服、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)上的測(cè)試值分別是663MPa、560MPa以及13.6%。

通過(guò)對(duì)雙級(jí)時(shí)效后的鋁合金試樣利用掃描電鏡來(lái)進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)其時(shí)效析出相的聚集現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且晶界無(wú)析出帶也較寬，究其原因在于鋁合金試樣在進(jìn)行高溫預(yù)析出固溶處理時(shí)，造成其η'相與η相發(fā)生粗化和尺寸增加，進(jìn)而使析出相的間距變得更大、更均勻。由此可以了解到，通過(guò)高溫預(yù)析出固溶處理，能夠進(jìn)一步增加晶界的優(yōu)先析出傾向，進(jìn)而使晶界的析出相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使后續(xù)時(shí)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(shí)通過(guò)對(duì)雙級(jí)時(shí)效的工藝參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，能夠有效確保鋁合金具有高韌性與高強(qiáng)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(yǔ)

綜上所述，本文深入研究了熱處理工藝對(duì)鋁合金力學(xué)性能的作用機(jī)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(shì)，當(dāng)固溶溫度達(dá)到470℃、固溶時(shí)間為1h時(shí)，會(huì)使鋁合金的硬度、強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能保持在一個(gè)最佳的水平，通過(guò)對(duì)固溶后的鋁合金進(jìn)行350℃+1h的緩冷與水淬處理，可顯著改善鋁合金在后續(xù)時(shí)效下的抗腐蝕性能。在此基礎(chǔ)上，還確定了雙級(jí)時(shí)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)。