熱處理對7475鋁合金薄板組織及力學性能影響的實驗研究

何 兵，覃 銘，蔣昊利

（百色學院 材料科學與工程學院，廣西 百色 533000）

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

7系鋁合金可通過熱處理強化，適合的熱處理工藝手段進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、淬火和時效處理等。相關文獻表明，熱處理方案中固溶和時效處理對合金性能的影響最為重要[3-6]，在進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，時效制度為107℃×12+163℃×12，合金強度、韌性和抗腐蝕性等綜合性能最理想。鑒于固溶與時效處理之間存在很多內在復雜因素的關聯(lián)，在溫度和時間上如何搭配仍存在許多可探討之處，本實驗以不同固溶溫度、相同雙級時效為實驗思路，探討熱處理對7475鋁合金薄板組織及力學性能影響，以獲得雙級時效方式下最佳的單級固溶溫度方案。

1 實驗與測試

1.1 實驗材料及主要設備

實驗采用7475鋁合金商用熱軋板材，厚度為3mm,合金化學成份如下表1示;主要實驗設備如表2所示。

表1 17475鋁合金化學成分（質量分數(shù)）

1.2 拉伸試樣制備

采用線切割機，按圖1所示的國標拉伸試樣尺寸，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+相同雙級時效分別進行熱處理，具體如表3所示。為減小誤差，每組實驗有3只試樣，測試結果取平均值。

表3 熱處理工藝處理方案

1.4 測試

熱處理完成后，對各組試樣進行抗拉強度、伸長率、硬度等力學性能測試，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，制成試樣進行金相觀測。

2 測試結果與分析

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晶相，這種粗大結晶相會影響合金的強度和塑性。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，僅有部分再結晶，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，組織中沒有發(fā)現(xiàn)過燒的現(xiàn)象，合金仍然是部分再結晶，大部分細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)再結晶，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，再結晶比例大幅度增加使得組織中量細小的第二相顆粒基本溶解，再結晶η 相尺寸形貌不一，無規(guī)則分布于合金當中。

圖3 固溶460℃×保溫1h＋時效（500倍）

圖4 固溶470℃×保溫1h＋時效（500倍）

圖5 固溶480℃×保溫1h＋時效 （500倍）

圖6 固溶490℃×保溫1h＋時效（500倍）

2.2 拉伸性能

圖2.6、圖2.7分別為各組試樣抗拉強度和伸長率的測試結果。可以看出，熱處理對該合金的強化作用非常顯著，在460℃～480℃區(qū)間，隨固溶溫度的升高，第二相固溶度提高，時效時的析出相也增多，合金強度呈上升趨勢,當固溶溫度為480℃時獲得最大抗拉強度545.1Mpa,而伸長率相對變化不大。但當固溶溫度達到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力場時,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度。

2.3 硬度測試

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℃處于一個上升的趨勢，在480℃時達到最大值158.3HBW，在480℃到490℃處于一個下降的趨勢，說明合金的硬度隨著強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)模再結晶，合金塑性增加而硬度變小。

圖7 各組試樣抗拉強度變化

圖8 各組試樣伸長率變化

圖9 各組試樣硬度變化

3 結論

（1）固溶+雙級時效熱處理方案能有效改善7475鋁合金板材的強化相等組織分布,顯著提高合金的強度、硬度等力學性能。

（2）在本文所采用各組熱處理實驗方案中，7475鋁合金板材在固溶480℃保溫1h，一級時效107℃保溫8h＋二級時效163℃保溫8h時，為最佳熱處理方案。此時伸長率保持在12%以上，抗拉強度、硬度均達到最大值，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%。