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點[1]，其結構件被廣泛應用在艦船和交通工具等設備上[2]。隨著技術的發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實踐[3-4]。目前，有關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(質量分數，%)

采用電加熱空氣循環爐進行固溶時效處理，通過無紙記錄儀對料溫進行監測，保證料溫和設定值偏差不超過±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。可以看出，從T4態到時效態，隨著單級時效時間的增加，屈服強度和抗拉強度出現兩個峰值；在保溫12 h時出現第一個小峰值，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。可以看出，隨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，發現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鋁合金經過單級和雙級時效處理后纖維區沖擊斷口形貌。從圖5(a)中T4態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)韌窩數量變少，伴隨有解理面產生。

(a) T4態；(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、數量減少，并出現解理面，沖擊斷口由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。對比圖5(e)和5(f)的斷口形貌，發現雙級時效試樣的小韌窩較多，由于韌窩的形態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斷口形貌表現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→η′相→η(MgZn2)相。其中η′是與基體半共格的亞穩定析出相，η為基體非共格的平衡析出相。合金中高強、高韌等優異性能與合金的析出相密切相關[6]。GP區和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區形成期、GP區轉化η′相期和η′相轉化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， GP區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區數量飽和時達到第一個峰值，該時期對應145 ℃時效0～12 h。第二階段隨著時效的進行GP區不斷向η′相轉化，此時GP區和η′相共存，η′相為合金主要強化相，所以強度進一步提升，直到轉化的η′相數量達到最大值，達到第二個強度峰值，且高于第一個峰值，該時期對應145 ℃時效12～24 h。第三階段η′相向穩定η相轉化，合金強度開始出現下降，該時期對應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區在較低溫度下形成，增加GP區數量和彌散程度，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，強化相質點數量增加，在沖擊過程中裂紋源數量增加，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。