雙級(jí)時(shí)效對(duì)7021鋁合金力學(xué)性能的影響

張 巖，胡 皓，劉旭東，顧維明，趙 芳

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)遼寧111003）

0 前言

7系鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)及民用工業(yè)領(lǐng)域，是航空航天工業(yè)中的重要結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、加工性能和焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)[1]。7系鋁合金以Zn為主要添加元素，具有良好的熱變形能力，熱裂傾向小且具備較好的焊接性能，屬于高強(qiáng)可焊的鋁合金，特別適用于制造需要焊接的高性能結(jié)構(gòu)[2-3]。

7021鋁合金屬于典型的Al-Zn-Mg可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較高強(qiáng)度和硬度。對(duì)其進(jìn)行合適的熱處理可以獲得綜合性能良好的鋁合金型材[4-6]。7系鋁合金常見(jiàn)的時(shí)效工藝包括自然時(shí)效、單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效，該合金在實(shí)際生產(chǎn)中為獲得較高的強(qiáng)度和硬度，常常采用峰值單級(jí)時(shí)效。針對(duì)該合金的研究，目前國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有。Mahmoud Chemingui等人[7]研究了雙級(jí)時(shí)效對(duì)Al-4.6%Zn-1.2%Mg合金力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙級(jí)時(shí)效70℃×12h+30℃/h速率升溫+135℃×8h時(shí)獲得最佳的硬度，70℃×12h+20℃/h速率升溫+135℃×8h時(shí)獲得最佳的強(qiáng)度。D Wang等人[8]針對(duì)7050合金提出了預(yù)應(yīng)變與二級(jí)時(shí)效相結(jié)合的熱處理新工藝，用以提高該合金的強(qiáng)度和SCC。該熱處理包括淬火后5%預(yù)應(yīng)變+200℃高溫時(shí)效+120℃低溫時(shí)效24h，在200℃下0.5和1min的試樣的屈服強(qiáng)度均高于T6樣品；SCC與T6試樣相比，電阻提高，晶界間的析出量和晶粒數(shù)減少。同時(shí)，正交試驗(yàn)作為一種常見(jiàn)的試驗(yàn)方法，較常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，可以有效地減少實(shí)驗(yàn)的工作量獲得最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，廣泛應(yīng)用于材料的實(shí)驗(yàn)研究中。因此，本文選取一種7021鋁合金擠壓型材，研究雙級(jí)時(shí)效制度對(duì)其力學(xué)性能和硬度的影響規(guī)律，從根本上優(yōu)化該合金實(shí)際熱處理工藝，獲得最佳的綜合性能，為該合金實(shí)際生產(chǎn)時(shí)效工藝的制定提供一定的數(shù)據(jù)幫助。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取材料為7021鋁合金擠壓方棒型材，其壁厚為10mm，合金成分如表1所示。該合金實(shí)測(cè)成分在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，符合7021鋁合金國(guó)標(biāo)化學(xué)成分要求。

表1 7021鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

該型號(hào)屬于7系鋁合金材料，對(duì)于該型號(hào)擠壓型材要求具有較高的強(qiáng)度與硬度，EN755-2∶2008標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)記錄了7021鋁合金T6狀態(tài)性能標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。通過(guò)以往的實(shí)際生產(chǎn)可知，在滿足EN755-2∶2008標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，峰值時(shí)效所需溫度略高才能獲得較高的強(qiáng)度和硬度，因此強(qiáng)度和硬度可作為本次正交試驗(yàn)的綜合考量的指標(biāo)。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際擠壓生產(chǎn)情況可知，該合金可以通過(guò)峰值時(shí)效獲得EN755-2∶2008標(biāo)準(zhǔn)所要求的強(qiáng)度和硬度，峰值時(shí)效制度通常選擇為145℃×16h，而采用雙級(jí)時(shí)效可以提高合金的伸長(zhǎng)率。因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)雙級(jí)時(shí)效熱處理工藝的四個(gè)主要參數(shù)（第一級(jí)時(shí)效溫度A、第一級(jí)時(shí)效時(shí)間B、第二級(jí)時(shí)效溫度C及第二級(jí)時(shí)效時(shí)間D）設(shè)計(jì)了L8（34）的正交試驗(yàn)方案，如表3所示。然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得最大強(qiáng)度和硬度的時(shí)效工藝。在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，并與峰值時(shí)效對(duì)比，總結(jié)歸納最佳的雙級(jí)時(shí)效工藝以及影響合金強(qiáng)度和硬度的主次因素，為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論幫助。

常溫力學(xué)性能測(cè)試在AG-X 100KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上、并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，所有拉伸試樣均平行于擠壓方向截??；布氏硬度采用HBS-62.5型數(shù)顯小負(fù)荷布氏硬度計(jì)測(cè)量。

表2 7021鋁合金性能標(biāo)準(zhǔn)

表3 正交試驗(yàn)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 峰值時(shí)效對(duì)組織及力學(xué)性能的影響

該型材經(jīng)擠壓機(jī)擠壓后取樣分別進(jìn)行人工峰值時(shí)效（T6），其性能結(jié)果如表4所示。從表中發(fā)現(xiàn)，峰值時(shí)效可以滿足表2標(biāo)準(zhǔn)，但提高幅度相對(duì)有限。因此，通過(guò)正交試驗(yàn)可以探究二級(jí)時(shí)效不同參數(shù)對(duì)該型材力學(xué)性能及硬度的影響，力求獲得該型材強(qiáng)度與硬度的最大提高。

表4 T6狀態(tài)下的力學(xué)性能

2.2 雙級(jí)時(shí)效對(duì)7021鋁合金性能的影響

表5所列為正交試驗(yàn)方案及結(jié)果。通過(guò)正交表方案及其結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，獲得最大強(qiáng)度和硬度對(duì)應(yīng)的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B2C1D3（即125℃×7h+135℃×9h），此時(shí)獲得的性能值為Rp0.2=410.72MPa、 Rm=441.01MPa、 A=15.33% 、 HB=132HB。此雙級(jí)時(shí)效制度下力學(xué)性能或硬度較峰值（T6）均有明顯提高。

表5 正交實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

為了使正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析更加準(zhǔn)確，采用極差分析，計(jì)算出每一因素和水平下相應(yīng)力學(xué)性能及硬度的平均值及極差，進(jìn)而確定目標(biāo)工藝對(duì)性能的影響程度主次，具體的極差分析結(jié)果如表6所示。從極差分析表中可以看出：影響7021合金屈服強(qiáng)度的因素主次依次為二級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效溫度、二級(jí)時(shí)效時(shí)間、一級(jí)時(shí)效時(shí)間；二級(jí)時(shí)效溫度從135℃延長(zhǎng)到175℃，7021合金的屈服強(qiáng)度最大降低了112.41MPa。影響7021合金抗拉強(qiáng)度的因素主次依次為二級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效時(shí)間、二級(jí)時(shí)效時(shí)間；二級(jí)時(shí)效溫度從135℃延長(zhǎng)到175℃，7021合金的抗拉強(qiáng)度最大降低了93.23MPa。影響7021合金伸長(zhǎng)率的因素主次依次為二級(jí)時(shí)效溫度、二級(jí)時(shí)效時(shí)間、一級(jí)時(shí)效時(shí)間、一級(jí)時(shí)效溫度；二級(jí)時(shí)效溫度從135℃延長(zhǎng)到175℃，7021合金的伸長(zhǎng)率最大提高了1.71%。影響7021合金硬度的因素主次依次為二級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效溫度、二級(jí)時(shí)效時(shí)間、一級(jí)時(shí)效時(shí)間；二級(jí)時(shí)效溫度從135℃延長(zhǎng)到175℃，7021合金的硬度最大降低了27.66HBW?？傮w來(lái)看，對(duì)于7021鋁合金而言，在獲得最大力學(xué)性能和硬度的前提下，二級(jí)時(shí)效溫度對(duì)合金性能的影響最大。

表6 正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果

為了直觀起見(jiàn)，將因素的水平變化為橫坐標(biāo)，指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)，畫(huà)出水平與指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，保證不同最佳性能的淬火時(shí)效工藝以及獲得最佳屈服強(qiáng)度性能的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B1C1D3，即125℃×6h+135℃×9h；獲得最佳抗拉強(qiáng)度性能的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B3C1D3，即125℃×8h+135℃×9h；獲得最佳伸長(zhǎng)率性能的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B3C3D2，即125℃×8h+175℃×8h；獲得最佳伸硬度性能的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B1C1D2（D3），即125℃×6h+135℃×8/9h。

圖1 水平與指標(biāo)關(guān)系圖

2.3 雙級(jí)時(shí)效熱處理工藝優(yōu)化

由于本文主要研究如何通過(guò)雙級(jí)時(shí)效使7021鋁合金獲得最大強(qiáng)度和硬度，同時(shí)減少時(shí)效溫度或時(shí)效時(shí)間。因此，在獲得最佳性能的前提下，時(shí)效時(shí)間或時(shí)效溫度同樣需要降低。由表5正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在滿足表2性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，獲得最大性能的雙級(jí)時(shí)效溫度或時(shí)效時(shí)間的雙級(jí)時(shí)效工藝為A3B2C1D3（即125℃×7h+135℃×9h），此時(shí)獲得的性能值為Rp0.2=410.72MPa、Rm=441.01MPa、A=15.33%、HB=132HB。而由圖2可以看出，影響7021鋁合金不同性能的雙級(jí)時(shí)效工藝分別為A3B1C1D3 （ 即 125℃ × 6h+135℃ × 9h）、A3B3C1D3 （ 即 125℃ × 7h+135℃ × 9h）、A3B3C3D2 （即 125℃ × 8h+175℃ × 8h） 及A3B1C1D2（D3）（即 125℃ × 6h+135℃ × 8（9h））。

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，分別進(jìn)行四組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。通過(guò)表7的驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)3的力學(xué)性能甚至不能達(dá)到EN755-2∶2008中的標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)2與表5正交試驗(yàn)最優(yōu)工藝制度相同，性能相近，從而驗(yàn)證了此雙級(jí)時(shí)效制度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。而驗(yàn)證試驗(yàn)1中的Rp0.2并沒(méi)有高于峰值時(shí)效狀態(tài)下性能，同時(shí)時(shí)間略有增加，正交最優(yōu)制度與驗(yàn)證試驗(yàn)4相比，無(wú)論Rp0.2、Rm、A及HB都有較大提高。因此，為獲得最大性能可選擇的雙級(jí)時(shí)效制度為125℃×7h+135℃×9h。

表7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案及其結(jié)果

2.4 分析與討論

7系鋁合金的一般沉淀順序?yàn)椋哼^(guò)飽和固溶體→偏聚區(qū)（GP區(qū)）→過(guò)渡相（亞穩(wěn)相）→平衡相。據(jù)研究[9]，第一時(shí)效峰的強(qiáng)化主要是依靠GP區(qū)，位錯(cuò)線切過(guò)GP區(qū)消耗較多的能量引起強(qiáng)化，而第二時(shí)效峰的強(qiáng)化主要取決于Zn/Mg的比值。當(dāng)Zn/Mg＞2.2時(shí)，主要強(qiáng)化相為MgZn2，因其具有一定的尺寸，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而造成時(shí)效強(qiáng)化。雙級(jí)時(shí)效較單級(jí)時(shí)效而言，強(qiáng)度提高主要是由于在雙級(jí)時(shí)效末期，基體中殘留的溶質(zhì)原子析出，而后擴(kuò)散到GP區(qū)中，使GP區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鱿?，或析出相在已有的GP區(qū)上形核長(zhǎng)大，使得其體積分?jǐn)?shù)明顯增加，析出相對(duì)位錯(cuò)的阻力增大，從而使合金強(qiáng)度增強(qiáng)[10]。

3 結(jié)論

（1） 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果表明，對(duì)于7021鋁合金而言，在滿足EN755-2∶2008標(biāo)準(zhǔn)的前提下，二級(jí)時(shí)效溫度對(duì)合金的性能影響最大。

（2） 通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證試驗(yàn)得出，雙級(jí)時(shí)效制度為125℃×7h+135℃×9h時(shí)，可獲得最佳性能：Rp0.2=410.72MPa、Rm=441.01MPa、A=15.33%、HB=132HB。