雙級(jí)時(shí)效對(duì)7075合金應(yīng)力腐蝕性能影響

李曉含， 賀嘉寧， 蘇睿明， 楊玉萍， 聶賽男， 譚兵

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

7075鋁合金具有高強(qiáng)度和良好的綜合性能，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。但由于成型和熱處理工藝的限制，一般情況下7075鋁合金拉伸強(qiáng)度為500~600 MPa，并且較低的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）性能限制了合金的進(jìn)一步發(fā)展[5-6]。通常情況下，鋁合金的抗SCC性能主要取決于晶界析出物的特性，因?yàn)檫@些晶界析出物帶有不同的電極電位，這會(huì)導(dǎo)致溶液中氯離子優(yōu)先腐蝕，這一過(guò)程稱(chēng)為陽(yáng)極溶解。伴隨著陽(yáng)極溶解，氫原子會(huì)在裂紋尖端處聚集，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入裂紋，控制其形成及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[7-9]。

許多研究者都曾通過(guò)熱處理工藝來(lái)改善合金的抗SCC性能，但是通過(guò)時(shí)效處理雖然能改善合金的抗SCC性能，但相應(yīng)的合金強(qiáng)度也會(huì)有所降低[10-11]。在時(shí)效處理過(guò)程中存在一個(gè)介于抗SCC性能和力學(xué)性能二者之間的矛盾，即耐蝕性能的提高都是伴隨著強(qiáng)度的下降[12]。因此需要通過(guò)多級(jí)熱處理工藝同時(shí)獲得較好的力學(xué)性能和抗SCC性能，以便充分發(fā)揮7075鋁合金的應(yīng)用潛力。在雙級(jí)時(shí)效過(guò)程中的一級(jí)時(shí)效階段，由于生成了大量細(xì)小的Zn-Mg相而使強(qiáng)度大大提高。在二級(jí)時(shí)效階段，晶界析出相粗化，抗SCC性能顯著提升，但因此強(qiáng)度也有所降低[13-15]。BAYDOGAN等研究了回歸再時(shí)效工藝對(duì)7075鋁合金應(yīng)力腐蝕抗性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)多級(jí)時(shí)效處理后的合金應(yīng)力腐蝕抗性有所提高[16]。REDA等發(fā)現(xiàn)對(duì)合金進(jìn)行雙極時(shí)效熱處理時(shí)，當(dāng)一級(jí)時(shí)效溫度為100℃、二級(jí)時(shí)效溫度為160℃時(shí)合金能獲得較好的應(yīng)力腐蝕抗性，應(yīng)力腐蝕抗性主要取決于晶界析出相的狀態(tài)[17]。LI等發(fā)現(xiàn)經(jīng)溫度為115℃一級(jí)時(shí)效后，合金性能得到明顯提高；但是在經(jīng)溫度為160℃的二級(jí)時(shí)效后，合金力學(xué)性能大幅度降低，耐蝕性反而大幅提高，這說(shuō)明在此情況下力學(xué)性能的提高會(huì)導(dǎo)致抗SCC性能的降低[18]。

為同時(shí)提升力學(xué)性能和應(yīng)力腐蝕抗性，需對(duì)雙級(jí)時(shí)效的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究者采用控制變量法最大可能地優(yōu)化工藝參數(shù)，但是這種方法費(fèi)時(shí)且效率低。正交試驗(yàn)法是一種快速優(yōu)化工藝參數(shù)且簡(jiǎn)單有效的方法。這種方法首先是確定各因素和對(duì)應(yīng)的水平的數(shù)目，并據(jù)此確定正交試驗(yàn)表[19-20]。因此，在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)7075鋁合金雙級(jí)時(shí)效采取正交試驗(yàn)，并分析各工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能和應(yīng)力腐蝕抗性的影響。通過(guò)找出最優(yōu)參數(shù)，使合金同時(shí)獲得較好的力學(xué)性能和應(yīng)力腐蝕抗性。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)過(guò)程中所用7075鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：Zn為5.9%，Mg為2.4%，Cu為1.5%，Cr為0.18%，Mn為0.03%，Si為0.09%，F(xiàn)e為0.17%，余量為Al。合金的雙級(jí)時(shí)效工藝采取3水平4因素的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，用以?xún)?yōu)化一級(jí)時(shí)效溫度（A）、一級(jí)時(shí)效時(shí)間（B）、二級(jí)時(shí)效溫度（C）和二級(jí)時(shí)效時(shí)間（D），正交試驗(yàn)中因素水平參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of the orthogonal experiment

依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的L9（34）正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表2，在試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)量和分析。

表2 設(shè)計(jì)的L 9（34）正交試驗(yàn)Table 2 Experimental layout using an L 9（34）orthogonal array

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算信噪比（S/N）值。由于實(shí)驗(yàn)的目的是為了同時(shí)獲得較高的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，進(jìn)而獲得較為理想的抗SCC性能，所以需要得到一個(gè)望大特性的S/N值，公式如下：

式（1）中：yi代表的是第i次試驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量值；n代表的是每組試驗(yàn)次數(shù)。

采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)定，拉伸速率為0.1 mm/s。在腐蝕介質(zhì)為（35±1）℃的溫度條件下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗(yàn)來(lái)測(cè)定試樣的抗SCC性能，在3.5%NaCl溶液中，應(yīng)變速率為1×10-6s-1。以上每組實(shí)驗(yàn)均取3個(gè)有效值，以便更好地統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。慢應(yīng)變速率試驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，并采用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)試樣進(jìn)行微觀組織觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)S/N值的計(jì)算

通過(guò)計(jì)算S/N的比值來(lái)評(píng)估熱處理工藝參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的影響。表3和圖1顯示了雙級(jí)時(shí)效過(guò)程中各熱處理工藝參數(shù)的變化對(duì)試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率造成的影響。由圖1可知，隨著溫度從110℃增加到130℃，S/N值呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)；隨著一級(jí)時(shí)效時(shí)間從3 h增加到5 h，S/N值呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。但隨著第二級(jí)時(shí)效時(shí)溫度和時(shí)間的增加，S/N值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。較大的S/N值對(duì)應(yīng)著較高的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)一級(jí)時(shí)效溫度為130℃、時(shí)間為5 h、二級(jí)時(shí)效溫度為150℃、時(shí)間為8 h時(shí)，合金獲得較優(yōu)的抗拉強(qiáng)度。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與S/N值Table 3 Experimental results and calculated S/N ratios

從圖1中關(guān)于各參數(shù)對(duì)合金伸長(zhǎng)率的S/N值的影響也可以發(fā)現(xiàn)，S/N值主要影響因素為二級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間，一級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間的變化對(duì)試樣伸長(zhǎng)率的影響很小。隨著一級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間的增加，S/N值均呈現(xiàn)先減小后變大的趨勢(shì)。隨著二級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間的增加，S/N值均呈現(xiàn)出大幅度增大的趨勢(shì)。較大的S/N值對(duì)應(yīng)著較高的伸長(zhǎng)率，當(dāng)一級(jí)時(shí)效溫度為130℃、時(shí)間為4 h、二級(jí)時(shí)效溫度為170℃、時(shí)間為16 h時(shí)，合金獲得較優(yōu)的伸長(zhǎng)率。

圖1 熱處理參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響Fig.1 Effect of heat treatment parameters on tensile strength and elongation

依據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，可以找出較優(yōu)的參數(shù)以便獲得良好的性能。但是較優(yōu)的伸長(zhǎng)率往往伴隨著較低的抗拉強(qiáng)度，這主要是由于在時(shí)效過(guò)程中，當(dāng)時(shí)效溫度較高且時(shí)效時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)使得基體析出相的尺寸變大，析出相尺寸的粗化則導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的下降，另一方面則表現(xiàn)出優(yōu)秀的塑性變形能力。圖1中也同樣顯示了一級(jí)時(shí)效參數(shù)對(duì)于試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響并不大，其主要原因是由于一級(jí)時(shí)效溫度低于GP區(qū)溶解溫度。在此期間會(huì)在GP區(qū)大量形核并長(zhǎng)大，這會(huì)促進(jìn)在二級(jí)時(shí)效過(guò)程中生成η′相，因此如果在一級(jí)時(shí)效過(guò)程中形成了大量GP區(qū)，會(huì)在二級(jí)時(shí)效后生成大量η′相，使得性能獲得大幅度提升。

2.2 方差分析

通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析來(lái)判斷雙級(jí)時(shí)效過(guò)程中各參數(shù)對(duì)試樣力學(xué)性能的影響程度。由表4抗拉強(qiáng)度的方差分析結(jié)果可知，二級(jí)時(shí)效溫度在抗拉強(qiáng)度影響因素中占重要比重，達(dá)到56.2%，而一級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效時(shí)間、二級(jí)時(shí)效時(shí)間等因素的影響分別為2.2%、6.3%和35.3%。

表4 抗拉強(qiáng)度方差分析Table 4 Analysis of variance test for tensile strength

由表5可見(jiàn)，對(duì)伸長(zhǎng)率影響相對(duì)重要的因素是二級(jí)時(shí)效溫度和二級(jí)時(shí)效時(shí)間，分別占43.25%和43.55%，而一級(jí)時(shí)效溫度和一級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)其的影響小于前兩者，分別為11.90%和1.28%。

表5 伸長(zhǎng)率方差分析Table 5 Analysis of variance test for elongation

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

雙級(jí)時(shí)效熱處理工藝的優(yōu)化過(guò)程中首要考慮的因素是各熱處理參數(shù)的影響，通過(guò)對(duì)各參數(shù)方差分析結(jié)果可得出各參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，其中，二級(jí)時(shí)效溫度和二級(jí)時(shí)效時(shí)間為比較主要的影響因素。由圖1中可見(jiàn)，在較低的時(shí)效溫度和相對(duì)較短的時(shí)效時(shí)間，可獲得較好的抗拉強(qiáng)度；在較高的時(shí)效溫度和較長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)間，可獲得較高的伸長(zhǎng)率。這一結(jié)果表明，熱處理參數(shù)的變化對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響是相反的，即抗拉強(qiáng)度的提高勢(shì)必導(dǎo)致伸長(zhǎng)率的降低，反之亦然。因此，為同時(shí)獲得較好的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率就需要對(duì)已有的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在前文的正交試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的方差分析，得到了每種參數(shù)影響的大小和對(duì)應(yīng)的曲線，通過(guò)表4和表5可以看出，4種參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響順序從大到小為二級(jí)時(shí)效溫度＞二級(jí)時(shí)效時(shí)間＞一級(jí)時(shí)效溫度＞一級(jí)時(shí)效時(shí)間，4種參數(shù)對(duì)伸長(zhǎng)率的影響順序從大到小為二級(jí)時(shí)效時(shí)間＞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。以此為依據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)并對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別如下：O1（A3B1C1D1）、O2（A3B1C3D3）和O3（A3B1C3D1）。

圖2所示為上述時(shí)效工藝處理后的試樣分別于干燥空氣和3.5%NaCl溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，試樣O1由于二級(jí)時(shí)效處理的溫度較低且時(shí)間較短，過(guò)時(shí)效處理程度相對(duì)不充分，合金在干燥空氣中的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率雖然可以分別達(dá)到503 MPa和10.0%，但在3.5%NaCl溶液中的慢應(yīng)變速率拉伸結(jié)果呈明顯偏低表現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率分別下降至452 MPa和8.9%，下降幅度較大。試樣O2采用了較為充分二級(jí)時(shí)效處理制度，此時(shí)的時(shí)效處理工藝很大程度上緩解了試樣O1所存在的問(wèn)題，不論是在干燥空氣中，還是在3.5%NaCl溶液中，合金的抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率下降幅度均很小，分別僅下降了0.9%和4.3%，但該時(shí)效工藝下的合金力學(xué)性能總體偏低，其在干燥空氣中，的抗拉強(qiáng)度僅與試樣O1在3.5%NaCl溶液中測(cè)得結(jié)果持平。而試樣O3選擇了較為混合式的二級(jí)時(shí)效處理方案，即較高的二級(jí)時(shí)效溫度和相對(duì)較短的二級(jí)時(shí)效時(shí)間，利用該處理工藝，合金在干燥空氣中的抗拉強(qiáng)度介于試樣O1與O2之間，為488 MPa，但在3.5%NaCl溶液中的抗拉強(qiáng)度均高于前兩者，為478 MPa。試樣O3的斷后伸長(zhǎng)率一直處在相對(duì)中檔的水平，且在3.5%NaCl溶液中其下降幅度也相對(duì)較低，此時(shí)合金的綜合性能較為理想。

圖2 合金經(jīng)O1、O2和O3處理后在10-6 s-1慢應(yīng)變速率拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Strain-stress curves of SSRT alloys heat treated by O 1,O2 and O3 temper with a strain rate of 10-6 s-1

抗SCC性能的評(píng)定參考ISO 7539—7:2005和HB 7235—1995，應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSRT可以通過(guò)慢應(yīng)變速率拉伸測(cè)試中所得的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率求得：

式（2）中：σ（NaCl）為合金在3.5%NaCl溶液中的抗拉強(qiáng)度，MPa；σair為在空氣條件下的抗拉強(qiáng)度，MPa；δ（NaCl）為合金在3.5%NaCl溶液中的伸長(zhǎng)率，%；δair為合金在空氣條件下的伸長(zhǎng)率，%。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)ISSRT越趨近于0，則表示合金的抗SCC性能越好。根據(jù)式（2）計(jì)算O1、O2和O3的應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSRT值，結(jié)果列于表6。通過(guò)表6可以看出，試樣O1的抗SCC性能最差（ISSRT=0.191），試樣O2的抗SCC性能效果最好（ISSRT=0.047），但是合金強(qiáng)度卻較低，而試樣O3的抗拉強(qiáng)度較好，抗SCC性能也較高（ISSRT=0.095）。

表6 不同時(shí)效處理后合金慢應(yīng)變速率拉伸測(cè)試結(jié)果Table 6 SSRT results of the alloy with different aging treatments

圖3所示為上述3種試樣慢應(yīng)變速率拉伸后的斷口形貌，從圖3中形貌結(jié)合拉伸性能指標(biāo)可以看出，3種時(shí)效工藝處理后的合金均屬于韌性斷裂，斷口處呈現(xiàn)出大小不一的韌窩，并伴隨有程度不等的撕裂棱，具有韌窩斷口和準(zhǔn)解理斷口的部分特征。如圖3（a）所示，當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間較短且二級(jí)時(shí)效溫度較低時(shí)，試樣O1中出現(xiàn)程度較為明顯的撕裂棱。但是隨著二級(jí)時(shí)效溫度的提高和二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣O2和O3則逐漸呈現(xiàn)出數(shù)量較多、尺寸較小的韌窩，如圖3（b）和3（c）所示?？梢?jiàn)隨著二級(jí)時(shí)效溫度與時(shí)間的增加，合金抗SCC性能得到一定程度的提升。

圖3 SSRT處理后試樣斷口的掃描電鏡分析Fig.3 SEM of SCC fractures of the samples after the SSRT tests

圖4所示為不同時(shí)效處理工藝下7075合金的透射電鏡像。試樣O1中的晶界析出相細(xì)小且部分連續(xù)分布，試樣O2的晶界析出相粗大且不連續(xù)分布，試樣O3介于前兩者之間?；陉?yáng)極溶解理論[21-22]，晶界處出現(xiàn)的連續(xù)細(xì)小的析出物導(dǎo)致合金抗SCC性能降低，而粗大不連續(xù)的晶界析出相則能有效提高合金抗SCC性能。隨著二級(jí)時(shí)效溫度的提高，尤其是再度延長(zhǎng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間，試樣O2晶界析出相的尺寸和間距明顯大于試樣O1，從而有效提升了合金的抗SCC性能。在基體析出相對(duì)比中也可以發(fā)現(xiàn)，試樣O1的基體析出相相對(duì)細(xì)小，粗化現(xiàn)象不明顯。而試樣O2由于二級(jí)時(shí)效溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致集體中出現(xiàn)大量的大尺寸析出相，這對(duì)合金的基礎(chǔ)性能影響巨大。相比較試樣O3中的析出相的數(shù)目雖然較多，但尺寸均不大，這可以解釋圖2和表6中各個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度的區(qū)別。

圖4 不同時(shí)效工藝處理下7075合金的透射電鏡像Fig.4 TEM images of the 7075 alloy with different aging treatments

合金經(jīng)過(guò)不同參數(shù)條件下的熱處理后，合金的力學(xué)性能和抗SCC性能有著較為明顯的差異?？紤]到基體和晶界析出物的特性，對(duì)時(shí)效處理參數(shù)進(jìn)行方差分析加以綜合考慮并找出較優(yōu)的熱處理參數(shù)。當(dāng)在時(shí)效溫度低且時(shí)效時(shí)間短的條件下，此時(shí)合金中會(huì)出現(xiàn)連續(xù)分布的晶界析出相，這會(huì)導(dǎo)致合金抗SCC性能的降低。而當(dāng)時(shí)效條件為時(shí)效溫度較高且時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)候，試樣O2基體內(nèi)的析出相尺寸變大，因而使得試樣的抗拉強(qiáng)度明顯降低。盡管試樣O2與試樣O3的時(shí)效溫度相同，但由于二者的時(shí)效時(shí)間不同，二者還是有很大區(qū)別的。由此可知，當(dāng)時(shí)效過(guò)程處于一個(gè)較高的溫度條件時(shí)，只需一個(gè)較短的時(shí)效時(shí)間就能在合金晶界處形成不連續(xù)的晶界析出相，這對(duì)提高合金抗SCC性能十分有利。更重要的是，時(shí)效時(shí)間短意味著在晶內(nèi)會(huì)形成細(xì)小均勻分布的析出相，因此在經(jīng)過(guò)雙級(jí)時(shí)效后會(huì)具有更高的強(qiáng)度。所以合金的性能主要取決于析出相的尺寸和分布。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)先在較低溫度下的一級(jí)時(shí)效過(guò)程中生成大量的GP區(qū)，隨后在高溫短時(shí)的二級(jí)時(shí)效處理下，晶界處的析出相由GP區(qū)+η′相向η相轉(zhuǎn)變，η相逐漸長(zhǎng)大聚集，當(dāng)晶界處的η相聚集到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生分離斷開(kāi)的情況，因此晶界析出相就會(huì)變得不連續(xù)[23-24]。這會(huì)大大提高合金的抗SCC性能，與此同時(shí)，η′相則均勻分布且稍微粗化，使得合金強(qiáng)度的降低并不明顯。因此，最終合金能夠同時(shí)獲得較好的抗拉強(qiáng)度和抗SCC性能。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)7075合金進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效的正交試驗(yàn)、計(jì)算S/N值和方差進(jìn)行分析，并結(jié)合應(yīng)力腐蝕測(cè)試和組織形貌觀察，得到如下結(jié)論：

1）雙級(jí)時(shí)效中二級(jí)時(shí)效參數(shù)相比于一級(jí)時(shí)效參數(shù)對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能影響較大，第二級(jí)時(shí)效過(guò)程處于較高的時(shí)效溫度和較短的時(shí)效時(shí)間時(shí)，晶界處析出相呈現(xiàn)粗大不連續(xù)狀態(tài)，同時(shí)晶內(nèi)析出相尺寸較為細(xì)小且分布均勻。

2）130℃保溫4 h后，再170℃保溫8 h的雙級(jí)時(shí)效處理可獲得較好的拉伸性能和抗應(yīng)力腐蝕性能，抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSRT分別為488 MPa、10.8%和0.095，合金綜合性能優(yōu)良。