熱處理工藝對7003鋁合金組織性能影響研究

0 引言

7003 鋁合金屬于可熱處理強化的鋁合金，具有高的比強度和比剛度、良好的擠壓性及可焊性，現已廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域

。隨著軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，高速、輕量、安全成為重要的發(fā)展方向，因而對于材料的使用性能提出了更高的要求。由于Al-Zn-Mg合金自然時效速度低，長時間內很難達到穩(wěn)定狀態(tài)，為了滿足較高的強度、優(yōu)異的耐蝕性能的要求，需要采用人工時效的方式來進行合金性能的改善。研究表明：Al-Zn-Mg鋁合金采用單級時效處理，雖然能得到較高的強度，但是抗應力腐蝕性能不佳；而采用單級過時效處理時，抗應力腐蝕性能得到大幅度提高，但強度卻有所下降

。因而，本文探究不同熱處理工藝對于7003鋁合金材料組織、力學性能和耐蝕性能的影響，進而獲得優(yōu)質的鋁合金材料。

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1 試驗材料和研究方法

1.1 試驗材料

本文所用的材料為5mm厚的7003鋁合金擠壓型材，其化學成分如表1所示，該合金的力學性能標準要求見表2所示。

1.2 熱處理試驗方案

1.2.1 固溶處理

固溶處理主要工藝參數為固溶溫度和時間，本文中固溶時間恒定為1h，而改變固溶溫度，分別選擇450℃、470℃、490℃用作固溶處理的輸入變量，加熱后立即在25℃水中進行淬火處理，隨后進行時效處理，采用雙級時效制度為105℃/8h+155℃/6h進行時效后

，進行不同固溶溫度下的組織性能檢測分析。

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1.2.2 時效處理

經固溶處理后，選用不同的時效處理制度對7003鋁合金型材進行人工時效處理。本文通過設計正交試驗探究最佳的時效熱處理制度，研究不同時效制度下7003鋁合金型材組織及性能變化規(guī)律。

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1.3 試驗研究方法

1.3.1 微觀組織

2.3.1 微觀組織

1.3.2 力學性能

固溶處理對合金室溫拉伸性能影響如圖4所示，可以看出，隨固溶溫度的升高，拉伸性能呈現先增加后降低的變化，在470℃時抗拉強度、屈服強度均達到最大值，分別為343MPa、298MPa。而伸長率則隨固溶溫度的升高逐步降低，在490℃時最小，最小值為10.1%。這主要與該鋁合金在較高溫度下的再結晶行為有關，隨著固溶溫度的升高，合金內的第二相粒子固溶更為充分，在隨后的時效后會產生更多的析出相，對合金起到重要的析出強化作用，因此強度會隨溫度升高而增加；然而繼續(xù)升高溫度，合金發(fā)生再結晶的程度增大，組織中出現較多且晶粒較大的再結晶組織，降低了合金的性能。

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1.3.3 耐蝕性能

電導率測試參考GB/T 6892-2015執(zhí)行，測量前先采用標準塊對電導率進行校準，鋁合金型材測量位置的內表面、外表面均需測試，單位Ms/m，換算成國際標準退火銅（%IACS）：1Ms/m=1.724%IACS。應力腐蝕試驗按照GB/T15970.7-2000執(zhí)行，試驗環(huán)境為25℃空氣以及3.5%的中性NaCl溶液。借助MFDL-100型慢應變速率應力腐蝕試驗機進行應力腐蝕試驗，并計算應力腐蝕敏感性指數（ISSRT）。（圖2）

2 結果與分析

2.1 固溶處理

2.1.1 微觀組織

圖3為經不同固溶溫度處理后的型材組織，可以看出隨固溶的溫度的增加，型材擠壓“流線”組織特征逐漸模糊了，但均未出現較大的再結晶組織，表明所選擇的固溶溫度對于該合金組織影響較小。這可能與7系鋁合金的再結晶行為有關

，通常認為當固溶溫度超過450℃時，合金會發(fā)生再結晶，經時效后獲得細小的晶粒；隨著溫度的升高，組織中的部分晶粒開始出現二次再結晶，晶界粗化，進而改變原有細晶組織，使得擠壓“流線”特征模糊。

2.1.2 室溫拉伸性能

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室溫拉伸試驗參考ISO 6892-1執(zhí)行，拉伸試驗在DDL100電子萬能材料試驗機上進行，拉伸速率為2mm/min。（圖1）

2.2.1 正交試驗

2.2 雙級時效處理

從固溶處理的結果中可以得知，選擇470℃的固溶溫度時，7003鋁合金型材具有較高的強度。因此在研究不同雙級時效制度對于合金的組織性能影響時，固溶處理溫度（470℃）保持恒定。

圖5為不同固溶溫度處理后試樣的拉伸斷口形貌?？梢钥吹綌嗫谏暇紳M等軸狀韌窩，為典型的韌性斷裂特征。在450℃的斷口中韌窩的數量較多，深度較大且形狀更接近等軸狀，說明其塑性比之后溫度稍高的固溶處理更好。同時在韌窩中可以清晰的看到第二相粒子的存在。隨著固溶溫度的提高，第二相粒子的數量呈減少的趨勢，說明高溫固溶時，合金內第二相粒子粗化比較嚴重，從而影響合金的綜合力學性能。

為了測定不同的雙級時效制度對合金性能的影響，合金雙級時效的主要實驗參數為：預時效溫度A（105、120℃）、預時效時間B（4、6、8h）、終時效溫度C（145、155、165℃）和終時效時間D（6、8、10h）。故此實驗采用正交實驗來設計實驗方案，然后對實驗結果進行極差分析得出最佳的雙級時效處理制度。從表3結果中可以看出，實驗經2、3兩個實驗點雙級時效后合金具有更高的電導率。

1）目前沒有適合于醫(yī)學院校實驗室安全管理的風險評價方法。目前，醫(yī)學院校實驗室安全管理的現狀為國外關于解決實驗環(huán)境中風險的資料均集中于風險管理方面。而國內與醫(yī)學院校實驗室風險評估方面有關的資料尚很少。

2.2.2極差分析

極差結果分析如表4所示，在試驗取值范圍內，采用雙級時效對合金電導率影響最大的為終時效溫度（C）其次是預時效溫度（A）和預時效時間（B），終時效時間（D）影響最小。同時，合金最優(yōu)的雙級時效制度就是合金相應的性能取得最佳值時所對應的各個雙級時效的參數，故選擇A1B3C2D1，即雙級時效制度為先進行105℃/8h的預時效，隨后再進行155℃/6h的終時效。

2.3 時效制度對比分析

通過正交試驗獲得7003鋁合金型材最佳雙級時效制度，并對比分析工業(yè)生產常用的單級時效制度（120℃/24h）下的鋁合金組織及性能差異。

不同熱處理條件下的金相試樣經機械研磨并拋光后，采用Keller腐蝕試劑（1.0mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO

+95mL H

O）進行腐蝕，然后在ZEISSObserver.Z1m金相顯微鏡進行組織觀察。采用離子減薄法制備透射試樣，然后置入JEOL-2100透射電子顯微鏡中，對析出相的形態(tài)、分布進行觀察。

圖6（a）為合金經120℃/24h單級時效處理后的TEM組織，此時合金晶內析出大量的彌散析出相，為G.P區(qū)和少量的η′（MgZn

）相，晶界析出為連續(xù)狀態(tài)的η′（MgZn

）相；圖6（b）為合金經過105℃8h+155℃/6h雙級時效處理后的TEM組織，晶內的析出相出現了長大并發(fā)生了粗化。晶界處析出相多為鏈狀的平衡態(tài)η（MgZn

）相，也出現了少量的塊狀η平衡相，晶界析出相不連續(xù)。主要是由于雙級時效使得合金的晶內和晶界析出相具有明顯的長大和粗化特征，晶界析出相的分布變得更加離散。

2.3.2 力學性能

圖7為7003鋁合金單級時效（120℃/24h）與雙級時效（105℃/8h+155℃/6h）的性能對比。與單級時效相比，雙級時效處理的合金的硬度從132HV降低到118HV。合金的抗拉強度從362MPa降低到343MPa。但是電導率從30.1%IACS提高到34.2%IACS，一般情況下，電導率與合金抗應力腐蝕性能呈正比關系，表明合金通過雙級時效處理在滿足力學性能基礎上，能夠顯著提高耐腐蝕性能。

2.3.3 應力腐蝕

圖8為不同時效熱處理的試樣在腐蝕溶液中慢應變速率拉伸曲線?？梢钥闯?，雙級時效處理的合金在腐蝕溶液中斷裂強度為295MPa左右，對應斷裂時的應變?yōu)?4.7%；而單級時效處理的合金在腐蝕溶液中斷裂強度為280MPa左右，應變?yōu)?.5%。通過計算兩種時效制度的應力腐蝕敏感指數（ISSRT%）

，單級時效（120℃/24h）合金的ISSRT為27.2%，雙級時效（105℃/8h+155℃/6h）合金的ISSRT為15.8%，表明雙級時效能夠提高該類合金的抗應力腐蝕性能。這主要是由于雙級時效處理后晶界析出相不連續(xù)，可以降低晶界析出相與基體的電位差，從而降低腐蝕驅動力，在晶界處形成腐蝕坑的難度增大，降低了應力集中，從而提高了合金的抗應力腐蝕性能。

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3 結論

①7003鋁合金型材隨固溶溫度的增加，力學性能呈現先增加后減少，470℃時具有最高的抗拉強度和屈服強度，分別為343MPa和298MPa。

②通過正交試驗得出7003鋁合金型材熱處理過程中，影響因素的優(yōu)先順序為：終時效溫度＞預時效溫度＞預時效時間＞終時效時間。優(yōu)化后的熱處理工藝為470℃固溶處理后水淬，人工雙級時效（105℃/8h+155℃/6h）熱處理后，晶粒細小且第二相彌散分布，合金具有較高的強度和抗腐蝕性能。

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