7075铝合金力学性能不合格原因分析

■ 顾卓伦，屠征

7系列铝合金为超高强度铝合金，以Al为基体，主要添加元素Zn、Mg、Cu，是一种可热处理强化的铝合金。起主要强化作用的元素为Zn、Mg，Cu也有一定强化效果，但其主要作用是为了提高材料的耐蚀性，被广泛应用于航空航天、汽车、列车等领域。因此，可以说超高强度铝合金是以减轻承载结构件为目的发展起来的一种高强度、高韧性、耐腐蚀的结构受力材料。

铝合金板材在飞机结构件中被大量采用，板材的缺陷有可能是原材料遗留下来的，也有可能是热处理过程产生的，缺陷的存在会严重影响零件的强度和韧性，一旦铝合金零件失效，由此而产生的后果将不可估计。我公司从国外购买的一批7075-T6铝合金板材在做原材料试验时，力学性能未达到规范要求。为找出不合格原因，本文对该7075板材进行全面的分析和研究，对原材料的力学性能、化学成分、金相组织等进行分析，确定了材料力学性能低产生的原因。

1. 试验用材料

购买的板材尺寸规格为3657.6mm×1219.2mm（144in×48in），厚板4mm，试样尺寸纵×横为203.2mm×25.4mm（8in×1in），试验取样位置见图1。首次试验从原材料上取两根试样（1-1、1-2），试验结果1-1试样抗拉强度和屈服强度均未达到材料技术规范要求，1-2试样屈服强度未达到规范要求。对原材料重复取4根试样（2-1、2-2、2-3、2-4）进行复试，2-1试样抗拉强度和屈服强度仍不合格，测试结果见表1。

2. 试验过程及结果

（1）化学成分分析 对原材料进行光谱化学成分检验，结果见表2，材料各元素含量均符合技术要求。

（2）金相组织、显微硬度检查 将试样1-1和1-2分别做成金相试样，两试样经侵蚀后组织正常，均为在α固溶体基体上均布着沉淀析出相的质点，晶粒较细小，未发现有过热、过烧现象，如图2、图3所示。两试样金相组织颜色有色差，图3中金相组织的对比度比图2大。

将试样1-1和1-2进行显微硬度检查，其测试值见表3。测试结果表明，试样1-1的显微硬度值比试样1-2稍低。

表1 力学性能测试结果

图1 取样位置

（3）能谱分析 将试样1-1和1-2放在扫描电镜下进行能谱分析，化学成分能谱分析见图4、表4、图5、表5，二者成分变化不大。

（4）材料力学性能测试 分析前2次的试验结果，我们怀疑取样位置对试验结果会有影响，故重新取样进行试验，共取样12根，并在试样上做好位置标记。试验结果为12根试样中有2根（3-11、3-12）屈服强度不合格，抗拉强度也偏低，2根不合格试样都取在板材的边缘部位。测试结果见表6，取样位置见图1。

分析以上三次试验，不合格试样都位于板材的边缘部位，怀疑原材料的缺陷引起板材边缘强度的下降，从板材两个边缘部位各取2根（共4根）试样，按热处理规范进行了T6固溶时效，对热处理后的试样再做力学性能试验，4根试样力学性能全部符合规范要求，抗拉强度、屈服强度和伸长率的平均值要高于前三次试验数值。对金相组织进行热处理前后对比，发现热处理后的组织比热处理前的要亮。测试结果见表7，取样位置见图1，试样4-2热处理前后的金相组织见图6、图7。

3. 分析与讨论

由材料的三次力学性能测试结果表明，不合格试样都位于板材边缘部位，合格试样和不合格试样金相显微组织存在明显的色差，对取自板材边缘的试样重新进行T6热处理，力学性能全部合格，金相显微组织色差也较热处理前有改善。能谱分析表明，合格与不合格试样的化学成分基本一致，故不存在化学成分偏析。

图2 试样1-1金相组织

图3 试样1-2金相组织

图4 试样1-1成分分析能谱图

图5 试样1-2成分分析能谱图

表2 化学成分分析结果（质量分数） （%）

表3 显微硬度测试结果 （HV50gf）

表4 试样1-1成分（质量分数）（%）

表5 试样1-2成分（质量分数）（%）

7075铝合金为可热处理强化的铝合金，其淬火及时效状态的组织性质是其使用性能的基础。铝合金的淬火，是在加热至第二相全部或最大限度地溶入固溶体并保持一段时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度（淬火）冷却，获得过饱和固溶体。此过饱和固溶体处于不平衡状态，在室温下是不稳定的，有发生分解和析出过剩溶质原子（强化相）的自发趋势。铝合金的时效，就是利用某些强化相的脱溶过程而产生硬化（即时效强化）来提高合金强度的。因此，铝合金淬火的目的，是把合金在高温的固溶体组织固定到室温获得过饱和固溶体，以便在随后的时效中使合金强化。另外，有资料记载，对于含有铜、锌的合金在再结晶晶粒间还有不同的颜色对比度，对比度越大，说明合金固溶越充分。

众所周知，由于工件与环境快速的热交换，工件自加热炉中取出转移至淬火槽的过程中，板材边缘部位温度下降最多，冷却速度要大于中间部位冷却速度。由于Al-Zn-Mg-Cu合金含有Cu、Mn、Cr等元素，增大了对淬火冷却速度的敏感性，因此合金在淬火时应尽量缩短淬火转移时间。如工件自加热炉中取出转移至淬火槽中淬火，转移时在空气中停留时间过长，会使固溶体部分分解，强化相沿晶析出，合金固溶体的过饱和程度会下降，则不仅会降低时效后的强度，还会影响合金晶界腐蚀抗力，所以在淬火冷却时转移时间要快，以抑制固溶体分解，避免强化相沉淀析出。

图6 试样4-2热处理前金相组织

由于原材料边缘部位热处理合金固溶不充分，引起固溶体的过饱合度下降，使其最后形成的组织成分结构发生了变化，金相组织和正常热处理的组织就会存在颜色的差异。试样经T6重新热处理后提高了材料固溶体的过饱合度，故强度得到了提高。

图7 试样4-2热处理后金相组织

表6 力学性能测试结果

表7 力学性能测试结果

4. 结语

7075铝合金板材强度未达到规范要求的主要原因，是由于热处理转移过慢，在空气中停留时间过长，使板材边缘部位热处理合金固溶不充分，从而引起固溶体的过饱合度下降，导致材料强度不足。