淬火转移时间对7050铝合金组织及性能的影响

吴道祥，林 林，陈焕良，李丹丹

(西南铝业(集团)有限责任公司，重庆401326)

淬火转移时间对7050铝合金组织及性能的影响

吴道祥，林 林，陈焕良，李丹丹

(西南铝业(集团)有限责任公司，重庆401326)

采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、力学性能测试及断裂韧性试验研究了淬火转移时间对7050铝合金组织和力学性能的影响。结果表明，水淬工艺下，随着淬火转移时间的增加，淬火过后合金板材中第二相粒子逐渐增多，时效后的合金板材的力学性能逐渐下降。另外，随着淬火转移时间的增加，合金试样断裂时穿晶断裂所占比例逐渐下降，韧窝的数量及深度也随之下降。当淬火转移时间达到80s时，还可以观察到一些大的晶界面，合金断裂时裂纹会沿着这些晶界面扩展，形成沿晶断裂。

7050铝合金；淬火转移时间；显微组织；力学性能；断裂韧性

0 前言

7050铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是典型的通过固溶－淬火－时效等热处理方法来强化的合金[1]。Al-Zn-Mg-Cu系合金存在AlZnMgCu、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2CuMg)和Al7Cu2Fe等多种相。当这些粗大的第二相作为未溶相存于铝基体时，会大大地降低合金的强度、韧性以及耐腐蚀性能[2]。

合金经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础[3～5]。合金试样从固溶炉中取出转移至淬火液中需要一定的时间。试样在这个过程中相当于进行了一段时间的空气淬火，合金中会析出一定量沉淀相，影响合金固溶后的过饱和度，从而对合金的性能产生较大影响。因此，本文通过研究淬火转移时间对7050铝合金第二相粒子、晶粒结构、材料强度及断裂韧性的影响，为7050铝合金淬火工艺的制定提供参考。

1 实验材料及方法

实验用材料为180mm厚的7050铝合金热轧板材，其基本化学成分为Al-6.7%Zn-2.6%Mg-2.6%Cu-0.06%Ti-0.13%Zr-0.15%Fe-0.12%Si。从板材厚度1/4位置截取4组20mm厚试样进行研究，所有试样在473℃温度下进行固溶，保温时间1h。固溶后的试样经过不同淬火转移时间后进行水淬，后续再进行121℃+24h的人工时效。

合金的金相组织观察在ZEISS Axiovert 200 MAT光学显微镜上进行，腐蚀剂采用Graff试剂（16mL HNO3+1mL HF+3g CrO3+83mL H2O）；试样初始态、固溶及时效后的第二相粒子、断口形貌观察在TESCAN VEGA 3 LMH SEM扫描电镜上进行，加速电压为20kV；室温拉伸试样按照国家标准GB/T 228-2002标准制备，拉伸试验在CMT 5305微机控制电子万能试验机上进行，拉伸速率为2mm/min；断裂韧性试验按照国家标准GB-4161制定，拉伸试验在CMT 5305微机控制电子万能试验机上进行。

2 实验结果

2.1 7050铝合金试样初始态SEM分析

图1所示为7050铝合金试样初始态SEM像。从图中可知，板材中的第二相粒子主要沿轧向分布，形状各异，有的呈块状，有的呈柳叶状，有的呈棒状，更多的是均匀分布在基体中的微小粒子。通过对不同形状的第二相粒子进行EDX分析可知（见表1），呈暗色块状分布的是Al2CuMg相，呈亮色块状分布的是AlZnMgCu相，呈柳叶状和棒状分布的是Al2Mg3Zn3相，均匀分布在基体中的微小粒子也是Al2Mg3Zn3相。大部分的第二相粒子会随着固溶处理的进行逐渐地融入到基体中去，固溶温度越高，第二相粒子溶解越充分。然而随着固溶温度的升高，晶粒发生再结晶的比例也会增大，当温度升到一定高度后，甚至会造成合金组织过烧。

图1 7050铝合金试样初始态SEM像

表1 试样初始态第二相粒子能谱分析（质量分数%）

2.2 淬火转移时间对合金第二相粒子的影响

7050铝合金试样在不同淬火转移时间下的SEM像如图2所示。图3给出了不同淬火转移时间下的合金试样中第二相粒子体积分数的变化情况。由图2和图3可知，水淬工艺下，随着淬火转移时间的增加，合金试样中第二相粒子逐渐增多。在淬火转移时间2～40s范围内，合金试样中第二相粒子体积分数变化不大；当淬火转移时间由2s增大到20s时，合金试样中第二相粒子体积分数只有非常微小的提升；当淬火转移时间由20s上升至40s时，合金试样中的第二相粒子体积分数有了小幅度的增长，由20s时的0.38%上升到0.44%；当淬火转移时间达到60s时，合金试样中开始出现少量的线状析出物，经EDX分析这些线状析出物也是AlZnMgCu相。此时合金试样中第二相粒子体积分数有了较大的提高，由40s的0.44%上升到了0.6%，增加了36.37%；当淬火转移时间延长至80s时，此时合金试样中析出的第二相粒子较60s时的更多，除了粗大的第二相粒子，线状析出物也有所增多，此时合金试样中第二相粒子体积分数达到了0.69%。

图2 7050铝合金试样在不同淬火转移时间下的SEM像

图3 7050铝合金试样中第二相粒子体积分数

2.3 淬火转移时间对合金强度及断裂韧性的影响

图4所示为不同淬火转移时间下的7050铝合金试样强度及断裂韧性。从图4中可以看出，当淬火介质为水时，随着淬火转移时间的延长，时效后的7050铝合金板材的力学性能逐渐下降。当淬火转移时间由2s延长到20s时，合金板材的抗拉强度（σb）、屈服强度（σ0.2）没有较为明显的变化，但是其断裂韧性（KIC）由2s时的38.8MPa·m1/2下降到37.8MPa·m1/2，降低了2.58%。随着淬火转移时间的进一步延长，当淬火转移时间由20s上升到40s时，7050铝合金板材的抗拉强度（σb）、屈服强度（σ0.2）以及断裂韧性（KIC）都有了小幅度的下降，由20s时的561 MPa、532MPa和37.8MPa·m1/2分别下降到538MPa、513MPa和36.6MPa·m1/2。当淬火转移时间延长到60s时，合金的抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性都有了较大梯度的降低，分别降低到492MPa、468MPa和33.6MPa·m1/2。当淬火转移时间达到80s时，此时合金的力学性能更低，其抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性相比2s时分别下降了17.38%、15.76%和18.04%。

图4 不同淬火转移时间下的试样强度及断裂韧性

2.4 不同淬火转移时间合金断口形貌

图5所示为不同淬火转移时间下7050铝合金试样断口形貌。由图5可知，水淬工艺下，随着淬火转移时间的增加，合金试样断裂时穿晶断裂所占比例逐渐下降，韧窝的数量及深度也随之下降，当淬火转移时间达到80s时，还可以观察到一些大的晶界面，合金断裂时裂纹会沿着这些晶界面扩展，形成沿晶断裂。

图5 不同淬火转移时间下7050铝合金试样断口形貌

3 结论

(1)水淬工艺下，随着淬火转移时间的增加，淬火过后合金板材中第二相粒子逐渐增多，时效后的合金板材的力学性能逐渐下降。

(2)随着淬火转移时间的增加，合金试样断裂时穿晶断裂所占比例逐渐下降，韧窝的数量及深度也随之下降。当淬火转移时间达到80s时，还可以观察到一些大的晶界面，合金断裂时裂纹会沿着这些晶界面扩展，形成沿晶断裂。

[1]DUMONT D,DESCHAMPS A,BRECHET Y.Characterisafion of precipitation microstructures in aluminium alloys 7040 and 7050 and their relationship to mechanical behavior[J].Acta Materialia,2003,51(3):713－729

[2]熊创贤,邓运来,万里,等.7050铝合金在固溶过程中的微结构与织构的演变[J].中国有色金属学报,2010,20(3):427-434

[3]LIM S T,YUN S J,NAM S W.Improved quench sensitivity in modified aluminum alloy 7175 for thick forming applications[J].Materials Science and Engineering A,2004,371(1/2):82-90

[4]DENG Yun-lai,WAN Li,ZHANG Yun-ya,ZHANG Xinming.Influence of Mg content on quench sensitivity of Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloys[J].Journal of Alloys and Compounds,2011,5(9):4636－4642

[5]韩念梅,张新明,刘胜胆,何道广,张荣.固溶处理对7050铝合金强度和断裂韧性的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(3):855-863

Effect of Quenching Transfer Time on Microstructures and Mechanical Properties of 7050 Aluminum Alloy

WU Dao-xiang,LIN Lin,CHEN Huan-liang,LI Dan-dan
(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)

The effect of the quenching transfer time on the microstructures,tensile properties and fracture toughness of 7050 alumi⁃num alloy were investigated by means of optical microscopy(OM),scanning electron microscopy(SEM),tensile test and plane-strain fracture toughness test.Results show that the second phase particles of quenched alloy plate gradually increased with the increase of quenching transfer time.After aging treatment,the mechanical properties of alloy plate also reduced correspondingly.In addition,un⁃der water quenching,the proportion of transgranular fracture decreases during the fracture of alloy specimen as quenching transfer time increases.Furthermore,the number and depth of dimples also decrease.When quenching transfer time reaches 80s,some large crystal interfaces are observed.During the fracture of alloy,crack extends along these crystal interfaces,forming intergranular fracture.

7050 aluminum alloy;quenching transfer time;microstructures;tensile properties;fracture toughness

TG146.21

A

1005-4898(2017)05-0011-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.02

吴道祥(1988-)，男，贵州人，博士，从事铝合金塑性成形工艺研究。

2017－06－12