熱處理對(duì)7475鋁合金薄板組織及力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

何 兵，覃 銘，蔣昊利

（百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

7475屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，具有較高的比強(qiáng)度、硬度、韌性和易加工、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，主要用于飛機(jī)機(jī)身的包鋁的與未包鋁的板材以及機(jī)翼蒙皮、中央翼結(jié)構(gòu)件、翼梁、艙壁、直升機(jī)艙板、起落架艙門等要求高強(qiáng)度、有高斷裂韌性的零部件。目前經(jīng)熱處理的7475鋁合金抗拉強(qiáng)度高達(dá)500 Mpa以上[2]。

7系鋁合金可通過熱處理強(qiáng)化，適合的熱處理工藝手段進(jìn)行處理以后能有效的改善合金組織及性能。常見的處理工藝有均勻化處理、固溶處理、淬火和時(shí)效處理等。相關(guān)文獻(xiàn)表明，熱處理方案中固溶和時(shí)效處理對(duì)合金性能的影響最為重要[3-6]，在進(jìn)行固溶處理工藝之后，Al基體中的Mg和Zn化合物溶解于Al基體從而可以得到過飽和固溶體，將其稱之為Al2Mg3Zn3相。楊孝鶴[7]研究表明，7475熱軋板（厚18mm）固溶處理制度為470℃×1～2h，時(shí)效制度為107℃×12+163℃×12，合金強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性等綜合性能最理想。鑒于固溶與時(shí)效處理之間存在很多內(nèi)在復(fù)雜因素的關(guān)聯(lián)，在溫度和時(shí)間上如何搭配仍存在許多可探討之處，本實(shí)驗(yàn)以不同固溶溫度、相同雙級(jí)時(shí)效為實(shí)驗(yàn)思路，探討熱處理對(duì)7475鋁合金薄板組織及力學(xué)性能影響，以獲得雙級(jí)時(shí)效方式下最佳的單級(jí)固溶溫度方案。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用7475鋁合金商用熱軋板材，厚度為3mm,合金化學(xué)成份如下表1示;主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

表1 17475鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 拉伸試樣制備

采用線切割機(jī)，按圖1所示的國(guó)標(biāo)拉伸試樣尺寸，將7475板材切割成形，共15只。

圖1 拉伸試樣

1.3 熱處理方案

將以上拉伸試樣平均分為1#-5#共5組，采用改變固溶溫度+相同雙級(jí)時(shí)效分別進(jìn)行熱處理，具體如表3所示。為減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)有3只試樣，測(cè)試結(jié)果取平均值。

表3 熱處理工藝處理方案

1.4 測(cè)試

熱處理完成后，對(duì)各組試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度等力學(xué)性能測(cè)試，將各組試樣切割成小塊，打磨、拋光，用5%的氫氟酸在表面侵蝕50秒，洗凈吹干，制成試樣進(jìn)行金相觀測(cè)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 金相觀察與分析

各組金相如圖2-6所示。

圖2 鑄態(tài)合金（200倍）

從圖2看到7475鑄態(tài)鋁合金組織表現(xiàn)出明顯的非平衡凝固特征，晶界處存在較多的粗大結(jié)晶相，這種粗大結(jié)晶相會(huì)影響合金的強(qiáng)度和塑性。圖3和圖4顯示，經(jīng)過460℃和470℃的固溶后，合金還有一定量的粗大未溶相或難溶相,分布不均勻,在基體中呈條帶狀分布，晶體沿變形方向拉長(zhǎng)，僅有部分再結(jié)晶，存在大量未溶殘留相，沿著變形方向均勻且排列有序。固溶溫度升至480℃時(shí)，組織中沒有發(fā)現(xiàn)過燒的現(xiàn)象，合金仍然是部分再結(jié)晶，大部分細(xì)小的第二相顆粒溶解，且合金中的粗大共晶相的數(shù)量也明顯減少，同時(shí)成分偏析有所消除，組織趨于均勻（如圖5）。隨著溫度的升高至490℃，如圖6合金發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，再結(jié)晶比例大幅度增加使得組織中量細(xì)小的第二相顆?；救芙?，再結(jié)晶η 相尺寸形貌不一，無規(guī)則分布于合金當(dāng)中。

圖3 固溶460℃×保溫1h＋時(shí)效（500倍）

圖4 固溶470℃×保溫1h＋時(shí)效（500倍）

圖5 固溶480℃×保溫1h＋時(shí)效 （500倍）

圖6 固溶490℃×保溫1h＋時(shí)效（500倍）

2.2 拉伸性能

圖2.6、圖2.7分別為各組試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，熱處理對(duì)該合金的強(qiáng)化作用非常顯著，在460℃～480℃區(qū)間，隨固溶溫度的升高，第二相固溶度提高，時(shí)效時(shí)的析出相也增多，合金強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),當(dāng)固溶溫度為480℃時(shí)獲得最大抗拉強(qiáng)度545.1Mpa,而伸長(zhǎng)率相對(duì)變化不大。但當(dāng)固溶溫度達(dá)到490℃后，發(fā)生過燒的情況，固溶組織中粗大相的數(shù)量明顯減少。而這些第二相與基體界面存在于裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)時(shí),本身的脆性使其容易形成微裂紋,而且它們易于在晶界偏聚,使界面易于開裂或沿晶斷裂，從而降低鋁合金的斷裂韌性和強(qiáng)度。

2.3 硬度測(cè)試

各組硬度如下圖9所示。在只改變固溶溫度，不改變其他因素條件下，7475鋁合金在460℃到480℃處于一個(gè)上升的趨勢(shì)，在480℃時(shí)達(dá)到最大值158.3HBW，在480℃到490℃處于一個(gè)下降的趨勢(shì)，說明合金的硬度隨著強(qiáng)化相固溶度的增加而增大，但超過480℃固溶溫度后，出現(xiàn)大規(guī)模再結(jié)晶，合金塑性增加而硬度變小。

圖7 各組試樣抗拉強(qiáng)度變化

圖8 各組試樣伸長(zhǎng)率變化

圖9 各組試樣硬度變化

3 結(jié)論

（1）固溶+雙級(jí)時(shí)效熱處理方案能有效改善7475鋁合金板材的強(qiáng)化相等組織分布,顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能。

（2）在本文所采用各組熱處理實(shí)驗(yàn)方案中，7475鋁合金板材在固溶480℃保溫1h，一級(jí)時(shí)效107℃保溫8h＋二級(jí)時(shí)效163℃保溫8h時(shí)，為最佳熱處理方案。此時(shí)伸長(zhǎng)率保持在12%以上，抗拉強(qiáng)度、硬度均達(dá)到最大值，分別為545.1Mpa、158.3HBW，比未經(jīng)熱處理板材分別提高了9.6%和17.3%。