固溶时效对7055铝合金组织和性能的影响

周学浩,孙有平,张扬扬,付静

(广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006)

固溶时效对7055铝合金组织和性能的影响

周学浩,孙有平*,张扬扬,付静

(广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006)

采用维氏硬度试验机、拉伸试验机、光学显微镜手段，研究了固溶时效对7055铝合金组织和力学性能的影响，确定出最佳固溶时效工艺.研究结果表明:固溶处理470℃/60 min+495℃/20 min为较好的固溶制度，其组织中大量第二相溶入铝基体中，其抗拉强度为472.8 MPa，延伸率为13％;随后对其进行时效处理得出130℃/24 h达到峰时效态晶粒组织细化，其抗拉强度为515.9 MPa，延伸率为12％.通过上述研究，可知7055铝合金最佳热处理工艺制度为470℃/60 min+495℃/20 min，130℃/24 h.

7055铝合金;热处理;双级固溶;单级时效

0 引言

7×××系铝合金属于超高强铝合金，是热处理可强化合金，具有较高的比强度和硬度、较高的韧性和较好的耐腐蚀性以及良好的加工性能等优点，广泛应用于航空航天工业、桥梁、建筑、车辆、工兵装备和大型压力容器等方面［1-3］.随着相关行业内的需求增长，通过合理的固溶时效处理使其产生更好性能，成为了研究者所关注的焦点［4］.

随着铝合金不断用于生活中，人们对其铝合金的性能提出了更高的要求［5-6］.20世纪80年代，美国Alcoa公司在7150铝合金的基础上成功研制出具有高强度同时又拥有优良综合性能的7055铝合金［1］.国内对7xxx系铝合金的研发起步较晚，基本上都是仿制，很少自行开发［2］.李海等［7］研究了热处理制度对含Ag的7055铝合金断裂特征，结果表明不同的热处理合金主要析出相性质和尺寸不同，导致断裂特征也不同.张新等［8］研究了热挤压使7055铝合金的晶粒细化，最佳的合金挤压比压为75 MPa时，抗拉强度为681.4 MPa，伸长率为7.14％.

本文实验目的是对超高强铝合金板材进行固溶、时效处理，为更深入研究超高强铝合金热处理工艺提供参考，为工厂的热处理实用工艺优化提供依据.

1 实验

试验用7055铝合金挤压板，其化学成分如表1所示.

表1 7055铝合金的化学成分(质量分数/％)Tab.1 Chemical composition of 7055 aluminum alloy(wt/％)

采用DMI3000M光学显微镜进行合金组织观察和分析，采用HVS-1000Z数显显微硬度仪测试其显微硬度，在CMT5105型拉伸试验机上测试拉伸力学性能，金相试样使用Dix-Keller试剂腐蚀.试验铝合金板材采用双级固溶和单级时效处理，采用的双级固溶热处理制度见表2，固溶处理结束后均进行水淬.

表2 7055铝合金固溶热处理工艺Tab.2 The technology of the solution treatment for 7055 aluminum alloy

2 固溶处理

2.1 硬度

固溶处理后试验组硬度如图1所示，一级固溶制度分别为450℃/60 min，460℃/60 min，470℃/ 60min，二级固溶制度分别为485℃/20 min，485℃/ 40min，485℃/60min，495℃/20min，495℃/40min，495℃/60 min，将二级固溶制度对应表2中顺序进行编号.由图1可见固溶温度和时间对合金的硬度有一定影响.

固溶处理前挤压态的7055铝合金试样硬度为106.3 HV，图1固溶处理后7055铝合金试样硬度值基本是在编号3至编号5达到最高，由图1可以看出，每组试验硬度性能最好的为450℃/60 min+485℃/60 min，460℃/60 min+495℃/40 min，470℃/60 min+495℃/20 min.从图1中可以发现，第2次固溶温度最高495℃时间为60 min时硬度值下降明显，这是因为在此温度下试样发生再结晶，合金显微组织中出现等轴晶，随着时间延长等轴晶数量不断增多并且不断长大，晶粒的长大导致硬度下降，这就是合金再结晶的结果［9］.不同的固溶温度和保温时间对合金硬度值的影响也间接地反映了固溶处理条件对材料屈服强度的影响规律［10］.

2.2 拉伸性能

图1 固溶处理后试验组硬度图Fig.1 The experimental group hardness of solution treatment

图2 拉伸力学性能图Fig.2 Tensile mechanical properties

硬度越低，则抗拉强度越小;因此，在一定程度上，硬度的高低反映了抗拉强度的大小［11］.选取硬度性能好的3种固溶制度进行拉伸测试，测试结果如图2所示.抗拉强度是先增大后减小，而延伸率则是先升高再降低后有再次升高趋势.结合硬度性能、拉伸性能以及延伸率的综合影响得出双级固溶处理470℃/60 min+495℃/20 min性能较好.

2.3 显微组织

图3给出了经过双级固溶处理后7055铝合金显微组织.图3(a)为7055铝合金的挤压带板挤压态显微组织，可见组织中存在大量粗大第二相，且沿着挤压方向呈链状分布.图3(b)中合金固溶处理工艺为470℃/60 min+495℃/20 min，在此工艺下第二相较少且更加均匀.并且随着第二级固溶处理时间的增加，合金显微组织中的第二相逐渐减少，这说明经过双级固溶处理，合金中粗大第二相随着固溶时间的延长正逐步溶入铝基体中.7055铝合金固溶处理在没有发生过烧之前，固溶温度越高其固溶的合金元素浓度越大，淬火后合金中过饱和固溶体浓度越高，时效后将具有更高的强度［12］.而伴随第二级固溶495℃保温时间延长合金显微组织中将会出现晶粒逐渐长大现象，晶粒的长大会降低合金的强度;因此，为提高合金的固溶程度第二固溶温度保温时间不应过长.本次双级固溶试验中第一级固溶温度较低促使了非平衡相的扩散，第二级固溶温度较高可以促使合金组织中元素浓度的增加，提高固溶处理的过饱和固溶体的浓度［12］，且固溶温度越高相应的再结晶也会增多，非平衡相更多地溶入基体;因此，两者相互制约［13］.

图3 二级固溶时间变化显微组织图Fig.3 Microstructure of variable second-level solution time

图4给出了第二级固溶温度变化时7055铝合金显微组织，从图中可见第二级固溶温度485℃时显微组织中的第二相分布较多，当升高第二级固溶温度到495℃时显微组织中的第二相明显减少，通过力学性能检测和二级固溶时间和温度变化的显微组织观察和分析得出，二级固溶处理制度为470℃/60 min+495℃/ 20 min较为合适.

图4 二级固溶温度变化显微组织图Fig.4 Microstructure of variable second-level solution temperature

3 时效处理

3.1 硬度

在470℃/60 min+495℃/20 min固溶处理工艺下进行时效处理如图5所示，时效处理温度为130℃，140℃，150℃，每个时效温度下保温时间分别为2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，12 h，14 h，16 h，18 h，20 h，22 h，24 h，26 h，28 h，30 h.由图5可见，每组时效处理实验硬度较好的为130℃/24 h空冷维氏硬度为130 HV;140℃/ 10 h空冷维氏硬度为130 HV;150℃/24 h空冷维氏硬度为120.8 HV.7055铝合金的硬度随着不同时效温度的进行，在150℃时效下时间分别在12 h和24 h合金明显出现了双峰硬化现象，阎大京［14］研究表明第1个硬度峰值的出现是由于GP区的形成所造成，而第2个硬度峰值的出现则是由于η'相对合金的硬度性能起到了重要的作用.陈小明等［15］研究认为第2峰硬度主要是随着时效时间的延长合金组织出现了相变.

3.2 拉伸性能

在一定程度上，硬度的高低反映了抗拉强度的大小［11］;因此，通过硬度测试得出每组较好的硬度值，再对其进行抗拉强度和延伸率的测试.选取图5中每组时效处理硬度最高的工艺进行抗拉强度及伸长率的研究，如图6所示.由图6可知，抗拉强度呈现下降趋势，而延伸率的变化基本不大.

图5 固溶处理及时效处理后试验组硬度图Fig.5 The hardness of the experimental group after solid solution-aging treatment

图6 固溶处理及时效处理后试验组力学性能图Fig.6 The Mechanical properties of the experimental group after solid solution-aging treatment

时效温度的提高或者时效时间的增加会导致基体中非平衡η'脱溶物析出量的增加，位错运动需要穿过高应变的基体区域，强度进一步提高.随着η'脱溶物数量增多，分布更加均匀，对位错运动的阻力也越大，强化效果越明显，合金强度也将达到峰值［16］.实验结果表明(图6):7055铝合金时效后的抗拉强度相对于挤压态抗拉强度提高了60 MPa～100 MPa，即双级固溶470℃/60 min+495℃/ 20 min，130℃/24 h时效处理达到峰值时效态，合金的抗拉强度为515.9 MPa，延伸率为12％，相比合金未时效前的力学性能，其抗拉强度提高了9.1％，延伸率下降了7.7％，这主要是因为时效后的合金组织中回溶的溶质原子再次从基体中析出，从而使合金组织中的第二相增多且分布越为弥散［17］，导致合金强度升高，延伸率下降.

3.3 显微组织

图7给出了时效温度变化显微组织.戴晓元等［18］研究认为析出相的大小和分布、析出相粒子与基体的界面关系以及晶界特征决定着合金的最终力学性能.由图可知，合金显微组织在24 h时效情况下温度130℃时组织晶粒细化，析出相较为细小且均匀分布;而在140℃，150℃情况下组织晶粒的长大现象明显，并且晶界间伴随有较大析出相的产生，降低了合金的强度.

图7 时效温度变化显微组织Fig.7 Microstructure of variable aging temperature

3 结论

1)7055铝合金挤压带板的较好双级固溶时效处理工艺为470℃/60 min+495℃/20 min，经过此工艺处理后合金中粗大第二相已逐步溶入铝基体中，其抗拉强度为472.8 MPa，延伸率为13％;

2)在双级固溶处理工艺470℃/60 min+495℃/20 min下，最佳时效制度为130℃/24 h达到峰时效，其组织晶粒得到明显细化，硬度值为130 HV，抗拉强度为515.9 MPa，延伸率为12％，相比挤压态，合金硬度值、抗拉强度和伸长率分别提高了22.3％，13.6％，50％，合金表现出较好的力学性能.

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Effects of solution treatment and aging process on mechanical properties of 7055 aluminum alloy

ZHOU Xue-hao，SUN You-ping*，ZHANG Yang-yang，FU Jing
(School of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

In the paper，the effect of solution-aging on microstructure and mechanical properties of 7055 aluminum alloy are studied by means of hardness tester，tensile testing machine and optical microscope.The results show that the better solution treatment process of the alloy is 470℃/60min+495℃/20min.A large number of second phase dissolve into the aluminum matrix.Its tensile strength and elongation is respectively 472.8MPa and 13％.Then it is concluded that the aging process of the130℃/24h can achieve the refinement of the grain structure of the peak aged state，the tensile strength is 515.9MPa and elongation rate is 12％.Through the above research，the optimum heat treatment process for 7055 aluminum alloy is 470℃/60min+495℃/20min，130℃/24h.

7055aluminum alloy;heat treatment;two-stage solution;single-stage aging

TG156.9

A

2095-7335(2016)02-0081-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.02.014

(学科编辑:黎娅)

2015-10-11

国家自然科学基金项目(51301044)资助.

*通信作者:孙有平，博士，教授，研究方向:板材成型技术与理论研究，E-mail:syptaiji@126.com.