熱處理對高強(qiáng)度鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

韋旭良 WEI Xu-liang；周好斌 ZHOU Hao-bin

（①中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089；②西安石油大學(xué)，西安 710065）

0 引言

鋁合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和出色的抗腐蝕性質(zhì)，在眾多工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。尤其在航空、航天、汽車及高速列車等高科技領(lǐng)域，其重要性日益凸顯。但為滿足這些領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿母咭螅绾芜M(jìn)一步提高鋁合金的力學(xué)性能成為了研究的焦點(diǎn)。熱處理技術(shù)作為金屬材料性能調(diào)控的重要手段，提供了一個(gè)解決方案。通過特定的熱處理工藝，可以有效調(diào)整鋁合金的微觀組織，從而優(yōu)化其宏觀的力學(xué)性能。過去的研究已經(jīng)證明，合金的強(qiáng)度、延性及其它機(jī)械性能可以通過微觀組織的調(diào)整而得到顯著的提高。尤其是強(qiáng)化固溶、時(shí)效制度和淬火這三種熱處理方法，已被證實(shí)在此方面有著顯著的效果。本研究將進(jìn)一步深入探討這些熱處理工藝對高強(qiáng)度鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的具體影響，期望為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域提供更為高效和可靠的材料應(yīng)用方案。

1 高強(qiáng)度鋁合金的熱處理工藝技術(shù)

1.1 強(qiáng)化固溶

強(qiáng)化固溶是一種針對鋁合金的熱處理方法，旨在將合金中的溶質(zhì)原子強(qiáng)制進(jìn)入基體晶格中，從而使其達(dá)到超飽和狀態(tài)。這一過程對于提高材料的強(qiáng)度和硬度起到了關(guān)鍵作用。在強(qiáng)化固溶過程中，鋁合金首先被加熱到特定的高溫，使其處于單相固溶狀態(tài)。在這個(gè)溫度下，合金中的溶質(zhì)原子在基體中的溶解度達(dá)到最大。隨后合金迅速冷卻到室溫，通常使用水淬或空氣冷卻，以固定超飽和的溶質(zhì)原子，防止其在冷卻過程中發(fā)生析出[1]。經(jīng)過強(qiáng)化固溶處理的鋁合金，其晶格中的溶質(zhì)原子數(shù)量大大超過了在常溫下的平衡溶解度。這些超飽和狀態(tài)的溶質(zhì)原子會產(chǎn)生很大的晶格畸變，從而顯著增強(qiáng)合金的抗滑移能力，提高了其屈服強(qiáng)度和硬度。

1.2 時(shí)效制度

時(shí)效制度是一種常用于鋁合金及其他合金的熱處理方法，主要用于產(chǎn)生細(xì)小的沉淀物，以進(jìn)一步增強(qiáng)材料的力學(xué)性能。這種處理通常是在強(qiáng)化固溶處理之后進(jìn)行的。在經(jīng)過強(qiáng)化固溶后，鋁合金中的溶質(zhì)原子大都處于超飽和狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，這些溶質(zhì)原子會逐漸聚集，形成細(xì)小的沉淀相，稱為時(shí)效硬化。此過程可以在室溫（自然時(shí)效）或在較高溫度（人工時(shí)效）下進(jìn)行。例如對于7075 鋁合金（含Zn、Mg、Cu）：在室溫下，經(jīng)過約24 小時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度可以從340MPa 提高到410MPa。在120°C 下，經(jīng)過6小時(shí)時(shí)效處理，合金的屈服強(qiáng)度可以進(jìn)一步增加，達(dá)到480MPa。時(shí)效的具體條件（如溫度和時(shí)間）需要根據(jù)鋁合金的具體成分和所需的性能來確定[2]。例如，對于含有較多Cu 的鋁合金，更高的時(shí)效溫度和較長的時(shí)效時(shí)間可能會導(dǎo)致Cu 沉淀，從而產(chǎn)生更好的強(qiáng)化效果。然而，過度的時(shí)效可能會導(dǎo)致沉淀物過大，使得材料的韌性下降。

2 材料和方法

2.1 材料選擇與準(zhǔn)備

本研究選擇了高強(qiáng)度鋁合金7075 作為主要的研究對象，鋁合金7075 的主要成分包括：鋁（Al）90.0%-91.4%，鋅（Zn）5.1%-6.1%，鎂（Mg）2.1%-2.9%，銅（Cu）1.2%-2.0%，以及微量的錳（Mn）、鉻（Cr）和其他元素。

準(zhǔn)備過程如下：

①切割和研磨，從標(biāo)準(zhǔn)7075 鋁合金板材中切割出多塊試樣。每塊試樣的尺寸為10mm×10mm×5mm。為保證試樣表面的平整度，所有試樣都經(jīng)過細(xì)研磨，使用從粗到細(xì)的砂紙，最后使用0.05μm 的氧化鋁懸浮液進(jìn)行拋光。

②清潔，為去除切割和研磨過程中產(chǎn)生的任何油污和雜質(zhì)，所有試樣都在超聲波清洗機(jī)中使用無水酒精清洗15 分鐘，然后在流動的去離子水下進(jìn)一步?jīng)_洗，最后使用干燥氣體吹干[3]。

③評估與標(biāo)記，為確保實(shí)驗(yàn)的可追溯性，每個(gè)試樣都被編號。使用顯微鏡檢查試樣，確保其表面沒有可見的劃痕、氧化物或其他缺陷。通過這一系列準(zhǔn)備步驟，確保了試樣的質(zhì)量和一致性，為后續(xù)的熱處理實(shí)驗(yàn)和性能測試打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 熱處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件

為確保鋁合金7075 的熱處理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诰_和可控的條件下進(jìn)行，本研究選擇了先進(jìn)的熱處理設(shè)備，并設(shè)定了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件。在設(shè)備選擇上，使用了一臺數(shù)字控制的箱式電阻爐，它能夠保證溫度在整個(gè)熱處理過程中的穩(wěn)定性。該爐具有卓越的溫度均勻性和快速的升溫能力，溫度范圍可以從室溫升至800°C。淬火池設(shè)計(jì)用于快速冷卻試樣。我們采用了特制的水冷卻系統(tǒng)，配有冷卻介質(zhì)循環(huán)和過濾裝置，確保淬火液的清潔性和恒溫性。同時(shí)時(shí)效熱處理箱選擇上，專為低溫長時(shí)間的熱處理設(shè)計(jì)，能夠在150°C 以下精確控制溫度，保證了時(shí)效過程的穩(wěn)定性[4]。在實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)上，①試樣在490°C 下加熱2 小時(shí)，以確保合金成分完全固溶。加熱完成后，立即將試樣轉(zhuǎn)移到淬火池中進(jìn)行水淬。②試樣在淬火池中的冷卻時(shí)間為3 分鐘，以確保從高溫迅速冷卻至室溫，鎖定超飽和狀態(tài)。③時(shí)效處理：根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)確定的最佳時(shí)效條件，試樣在120°C下進(jìn)行時(shí)效6 小時(shí)，然后慢慢冷卻至室溫。

3 結(jié)果

3.1 微觀組織變化

3.1.1 強(qiáng)化固溶后的微觀組織

在未處理狀態(tài)下，7075 鋁合金表現(xiàn)為一個(gè)相對均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，沒有明顯的沉淀相或其他二次相，晶粒尺寸分布主要在50-60μm。晶界清晰且分布均勻，溶質(zhì)原子濃度則相對較低。經(jīng)過強(qiáng)化固溶處理后，其晶粒尺寸明顯增長，達(dá)到60-70μm。這種晶粒的增長可以解釋為在固溶處理的高溫條件下，小的晶粒與周圍較大的晶粒合并，導(dǎo)致晶粒尺寸的增大。更為重要的是，溶質(zhì)原子在晶格中呈現(xiàn)出分散均勻的狀態(tài)，與原始狀態(tài)的低溶質(zhì)濃度形成鮮明對比，如圖1 所示。這種分散狀態(tài)確保了合金進(jìn)入一個(gè)超飽和固溶狀態(tài)，為后續(xù)的時(shí)效處理奠定了基礎(chǔ)。

圖1 微觀組織

3.1.2 時(shí)效制度后的微觀組織

通過透射電子顯微鏡（TEM）的分析，觀察到Guinier-Preston（GP）區(qū)的形成。這些GP 區(qū)是在時(shí)效初期形成的微細(xì)沉淀物，作為沉淀硬化過程的早期標(biāo)志。隨著時(shí)效時(shí)間的延續(xù)，GP 區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定且尺寸較大的MgZn2相。具體地，這些沉淀物的形態(tài)從初期的片狀逐漸過渡到晚期的棒狀，其平均尺寸從約10nm 增加到約25nm。圖2展示了在135℃下預(yù)時(shí)效5h 的合金在不同RRA（退火再時(shí)效）處理后的TEM 顯微圖。在135℃預(yù)時(shí)效5h 的情況下，合金中析出的相形態(tài)細(xì)小且均勻分布，而晶界的析出物主要為微小的平衡相。經(jīng)過RRA 處理后，合金內(nèi)部的析出相再次發(fā)生變化并增大，而晶界處的析出物表現(xiàn)出過度時(shí)效的明顯特征，它們大而孤立[5]。仔細(xì)對比圖（b）和（c），可以觀察到，RRA 時(shí)間越長，合金內(nèi)部和晶界的析出相都越來越粗大。同時(shí)，合金內(nèi)部的析出相間距也相應(yīng)增大，導(dǎo)致其分布的均勻性下降。掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)一步揭示了時(shí)效制度對晶界上沉淀物的影響。晶界上的沉淀物呈現(xiàn)為連續(xù)的薄膜狀結(jié)構(gòu)，這些沉淀膜為合金提供了額外的強(qiáng)化效應(yīng)。與強(qiáng)化固溶狀態(tài)相比，時(shí)效制度明顯增加了晶界沉淀物的數(shù)量和尺寸。綜合上述分析，可以得出結(jié)論，時(shí)效制度對7075 鋁合金的微觀組織產(chǎn)生了顯著的影響，主要表現(xiàn)為沉淀相的形成、晶界沉淀物的增加以及基體組成的變化。

圖2 各階段合金組織觀察

3.2 力學(xué)性能結(jié)果

3.2.1 強(qiáng)化固溶后合金力學(xué)性能

強(qiáng)化固溶處理目的是確保合金中的溶質(zhì)元素在基體中均勻分布。為了解這一處理對7075 鋁合金力學(xué)性能的影響，本研究對經(jīng)過強(qiáng)化固溶處理的合金進(jìn)行了一系列的力學(xué)測試。一是拉伸測試，從拉伸實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)顯示，強(qiáng)化固溶處理后的7075 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為510MPa，而其屈服強(qiáng)度為480MPa。這兩個(gè)值都比未經(jīng)處理的鋁合金高出約20%。同時(shí)，材料的斷裂伸長率也得到了提高，達(dá)到了8%。二是壓縮測試，在壓縮測試中，該合金展現(xiàn)出了545MPa 的壓縮強(qiáng)度，這比未經(jīng)強(qiáng)化固溶處理的樣品高約15%。此外，壓縮塑性也有所改善。三是彎曲測試，強(qiáng)化固溶處理對合金的彎曲性能也產(chǎn)生了積極影響。經(jīng)測試，其彎曲模量為71GPa，比未處理的合金高出5GPa。四是硬度測試，經(jīng)過強(qiáng)化固溶處理后的7075 鋁合金硬度測得為150HB，相比于原始狀態(tài)提高了約18HB。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明確地表明，強(qiáng)化固溶處理顯著提高了7075 鋁合金的力學(xué)性能，如表1 所示。這些提高主要?dú)w因于溶質(zhì)元素在鋁基體中的均勻分布，這為后續(xù)的時(shí)效處理創(chuàng)造了有利條件。

表1 強(qiáng)化固溶處理前后合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3.2.2 時(shí)效制度合金力學(xué)性能

如表2，可以看出, 隨著時(shí)效溫度的提高和時(shí)間的延長，7075 鋁合金的力學(xué)性能均有所提高。具體來說，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度都隨時(shí)效條件的變化而增大。斷裂伸長率在初期隨時(shí)效有所增加，但在150℃/6h 的條件下增加更為顯著。這些數(shù)據(jù)說明，合適的時(shí)效制度可以進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金的力學(xué)性能。另外，與未經(jīng)時(shí)效的鋁合金相比，經(jīng)過時(shí)效處理的鋁合金在微觀結(jié)構(gòu)上有所改變，這可能是導(dǎo)致力學(xué)性能變化的主要原因。適當(dāng)?shù)臅r(shí)效制度能夠促進(jìn)合金中的析出相的形成和增長，從而增強(qiáng)其力學(xué)性能。但也需注意，過度的時(shí)效可能會導(dǎo)致析出相的過度增長，從而降低材料的韌性。因此，選擇合適的時(shí)效制度對于實(shí)現(xiàn)鋁合金的最佳性能至關(guān)重要。

表2 不同時(shí)效下合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)

結(jié)果：本研究系統(tǒng)探討了高強(qiáng)度鋁合金熱處理工藝技術(shù)下的微觀組織變化及其對力學(xué)性能的影響。通過對比實(shí)驗(yàn)，明確了強(qiáng)化固溶、時(shí)效制度和淬火處理對7075 鋁合金微觀組織的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱處理可以顯著改善鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化其力學(xué)性能。具體地，強(qiáng)化固溶可以顯著提高鋁合金的抗拉強(qiáng)度和硬度。時(shí)效制度處理是影響鋁合金力學(xué)性能的重要環(huán)節(jié)，隨著時(shí)效溫度的提高和時(shí)間的延長，鋁合金的力學(xué)性能均有所增強(qiáng)。特別是在合適的時(shí)效條件下，可以進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金的性能，實(shí)現(xiàn)其在各種工程應(yīng)用中的最佳表現(xiàn)。總體上，熱處理工藝是鋁合金材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于滿足未來更高性能要求的鋁合金開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和材料基礎(chǔ)，選擇合適的熱處理工藝，確保鋁合金的性能得到充分的發(fā)揮。

4 結(jié)語

熱處理對高強(qiáng)度鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能有著深遠(yuǎn)的影響。首先，熱處理可以有效調(diào)控高強(qiáng)度鋁合金的微觀組織。這種調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)化，增加合金的硬度，提升其抗疲勞性，同時(shí)保持足夠的韌性以應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)境。這種精確調(diào)控的能力，為材料性能的優(yōu)化提供了可能，使其在航空航天、交通運(yùn)輸和精密制造等領(lǐng)域中表現(xiàn)出卓越的性能。其次，熱處理對高強(qiáng)度鋁合金的力學(xué)性能有著重要影響。通過合適的熱處理工藝，可以顯著提高鋁合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)增強(qiáng)其抗腐蝕能力，使得鋁合金在各種復(fù)雜環(huán)境中都能保持穩(wěn)定的性能，從而滿足了工程應(yīng)用中對材料性能的各種要求。綜上所述，熱處理技術(shù)對高強(qiáng)度鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響不容忽視。這一技術(shù)不僅在高強(qiáng)度鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用中占據(jù)重要地位，也為其他材料和工藝的研究提供了有益的借鑒和參考。