時效制度對7020鋁合金沖擊性能的影響

劉兆偉，董劉穎，李秋梅，孟 旭，張 偉

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003 )

7020鋁合金是具有中等強度并且可熱處理強化的7xxx系鋁合金，具有良好的耐腐蝕性能、焊接性能及容易加工成形等優(yōu)點[1]，其結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用在艦船和交通工具等設(shè)備上[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展對材料性能的要求越來越高，需要在滿足材料強度的同時改善熱處理制度來提高韌性，評定材料的沖擊承載能力從而用于指導生產(chǎn)實踐[3-4]。目前，有關(guān)7020鋁合金沖擊性能的研究較少，本文通過改變時效保溫時間和單、雙級時效對比，研究時效制度對7020鋁合金力學性能和沖擊性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為厚20 mm的7020鋁合金擠壓板材，主要化學成分如表1所示。

表1 7020鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

采用電加熱空氣循環(huán)爐進行固溶時效處理，通過無紙記錄儀對料溫進行監(jiān)測，保證料溫和設(shè)定值偏差不超過±3 ℃。固溶溫度490 ℃保溫90 min，時效制度分為單級時效和雙級時效，如表2和表3所示。采用AG-X 100KNH型電子萬能試驗機測試拉伸性能；采用ZBC2302型擺錘式夏比沖擊試驗機進行沖擊試驗，在擠壓方向切取夏比沖擊實驗標準試樣，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，開“V”型缺口；采用SSX-550型掃描電鏡觀測沖擊斷口形貌。

表2 7020鋁合金單級時效制度

表3 7020合金雙級時效制度

2 實驗結(jié)果

2.1 力學性能

圖1為7020鋁合金單級時效后的力學性能曲線?？梢钥闯觯瑥腡4態(tài)到時效態(tài)，隨著單級時效時間的增加，屈服強度和抗拉強度出現(xiàn)兩個峰值；在保溫12 h時出現(xiàn)第一個小峰值，在保溫24 h時達到第二個峰值，并且第二峰值明顯高于第一個，屈服強度和抗拉強度分別為376.3 MPa和399.2 MPa。而隨著單級時效時間的增加，延伸率呈先下降后小幅上升的趨勢，在保溫24 h時達到最小值為13.5%。

圖1 單級時效制度下力學性能變化Fig.1 Changes of mechanical properties under single stage aging system

圖2為7020鋁合金雙級時效的不同二級時效時間下的力學性能變化?？梢钥闯觯S著二級時效時間的增加，屈服強度和抗拉強度均呈先增后降的趨勢。在90 ℃×8 h+145 ℃×20 h雙級時效制度下，屈服強度和抗拉強度達到最大值分別為382.6 MPa和420.7 MPa。而延伸率的變化趨勢與強度相反，隨著二級時效時間的增加，延伸率呈先降后增的趨勢，延伸率最小值為14.2%，但總體變化不大。

圖2 雙級時效制度下力學性能變化Fig.2 Changes of mechanical properties under double stage aging system

相比于單級時效峰值，雙級時效屈服強度、抗拉強度和延伸率分別提高6.3 MPa、21.5 MPa和0.7%，90 ℃×8 h+145 ℃×20 h雙級時效制度下試樣力學性能優(yōu)于單級時效。

2.2 沖擊性能

圖3為7020鋁合金單級時效的沖擊吸收能變化曲線。可以看出，隨著時效時間的增加，沖擊吸收能呈先降低后小幅度增加的趨勢，T4態(tài)時試樣沖擊吸收能為最大值67.2 J，在145 ℃×24 h單級時效制度下沖擊吸收能為最小值46.8 J，相比于T4態(tài)沖擊吸收能下降約30.4%。

圖3 單級時效制度下沖擊吸收能變化Fig.3 Changes of impact absorbing energy under single stage aging system

圖4為7020鋁合金雙級時效的沖擊吸收能曲線。可以看出，隨二級時效時間增加，試樣的沖擊吸收能逐漸降低，但整體下降幅度不大。在90 ℃×8 h+145 ℃×20 h雙級時效制度下試樣的沖擊吸收能為58.6 J，相較T4態(tài)下降約12.8%。對比單級、雙級時效峰值的沖擊吸收能下降率，發(fā)現(xiàn)雙級時效能有效地降低沖擊吸收能的下降幅度。

圖4 雙級時效制度下沖擊吸收能變化Fig.4 Changes of impact absorbing energy under double stage aging system

2.3 沖擊斷口形貌

圖5為7020鋁合金經(jīng)過單級和雙級時效處理后纖維區(qū)沖擊斷口形貌。從圖5(a)中T4態(tài)沖擊斷口可以明顯看到大小不一、密集分布的韌窩，且在韌窩底部有析出相存在；圖5(b)韌窩細小但比較淺；圖5(c)韌窩大且淺；圖5(d)韌窩數(shù)量變少，伴隨有解理面產(chǎn)生。

(a) T4態(tài)；(b) 145 ℃×8 h；(c) 145 ℃×16 h；(d) 145 ℃×24 h；(e) 90 ℃×8 h+145 ℃×12 h； (f) 90 ℃×8 h+145 ℃×20 h圖5 單級和雙級時效制度下纖維區(qū)沖擊斷口形貌Fig.5 Morphology of impact fracture in fiber zone under single stage and double stage aging system

對比圖5(a)～5(d)可以看出，隨著單級時效時間的增加，小且深的韌窩逐漸增大、數(shù)量減少，并出現(xiàn)解理面，沖擊斷口由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。對比圖5(e)和5(f)的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)雙級時效試樣的小韌窩較多，由于韌窩的形態(tài)決定其沖擊性能的好壞，韌窩多且深表明韌性越好，因此雙級時效試樣纖維區(qū)斷口形貌表現(xiàn)出沖擊韌性明顯要好于單級時效。無論單級時效還是與雙級時效，斷口形貌與沖擊吸收能變化趨勢一致。

3 分析及討論

Al-Zn-Mg系合金的時效沉淀順序[5]為α-Al過飽和固溶體→GP區(qū)→η′相→η(MgZn2)相。其中η′是與基體半共格的亞穩(wěn)定析出相，η為基體非共格的平衡析出相。合金中高強、高韌等優(yōu)異性能與合金的析出相密切相關(guān)[6]。GP區(qū)和η′相能夠釘扎位錯，阻礙位錯運動，對合金起到主要強化作用[7]。時效過程分為三個階段[8]：GP區(qū)形成期、GP區(qū)轉(zhuǎn)化η′相期和η′相轉(zhuǎn)化η相期。第一階段隨著時效時間的延長合金基體中先沉淀出GP區(qū)， GP區(qū)對位錯運動起到阻礙作用，因此在時效初期合金強度逐漸上升，當GP區(qū)數(shù)量飽和時達到第一個峰值，該時期對應(yīng)145 ℃時效0～12 h。第二階段隨著時效的進行GP區(qū)不斷向η′相轉(zhuǎn)化，此時GP區(qū)和η′相共存，η′相為合金主要強化相，所以強度進一步提升，直到轉(zhuǎn)化的η′相數(shù)量達到最大值，達到第二個強度峰值，且高于第一個峰值，該時期對應(yīng)145 ℃時效12～24 h。第三階段η′相向穩(wěn)定η相轉(zhuǎn)化，合金強度開始出現(xiàn)下降，該時期對應(yīng)145 ℃時效24～32 h。雙級時效中第一級較低溫度時效正是促進GP區(qū)在較低溫度下形成，增加GP區(qū)數(shù)量和彌散程度，為第二階段時效形成主要強化相η′相做鋪墊，因此雙級時效強度要高于單級時效。彌散強化相數(shù)量增多的同時，增大了位錯運動的難度，在形變過程中大量位錯在強化相周圍塞積到一定程度形成裂紋，彌散強化相周圍會形成許多細小裂紋，加快了材料斷裂，因此強度升高而塑性和韌性下降。

文獻[9]中指出6xxx鋁合金材料時效后彌散分布的強化相是沖擊過程中裂紋源所在，可在斷口的韌窩中明顯看到這些析出相。隨著時效時間增加，強化相質(zhì)點數(shù)量增加，在沖擊過程中裂紋源數(shù)量增加，降低裂紋擴展需要的能量，裂紋擴展功直接決定材料的沖擊韌性[10]，因此沖擊性能隨單級時效時間增加而降低，與延伸率變化趨勢相同。雙級時效的析出相更加彌散細小，在斷裂過程中形成的韌窩比單級時效小且深，因此雙級時效試樣的沖擊性能比單級時效好。

4 結(jié)論

1)單級時效145 ℃×24 h下，7020鋁合金強度達到峰值；雙級時效90 ℃×8 h+145 ℃×20 h下，7020鋁合金的屈服強度、抗拉強度和延伸率均高于單級時效峰值，分別為382.6 MPa、420.7 MPa和14.2%。

2)單級、雙級時效在時效峰值時沖擊吸收能分別為46.8 J和58.6 J，較T4態(tài)沖擊吸收能分別下降30.4%和12.8%，雙級時效能夠降低沖擊吸收能的下降幅度。

3)隨著時效時間的增加，沖擊斷口由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，雙級時效下韌窩明顯較單級時效小且深。

4)綜合考慮力學性能和沖擊性能，7020鋁合金最佳時效制度為90 ℃×8 h+145 ℃×20 h。