热处理对高强度铝合金微观组织和力学性能的影响

韦旭良 WEI Xu-liang；周好斌 ZHOU Hao-bin

（①中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089；②西安石油大学，西安 710065）

0 引言

铝合金因其轻质、高强度和出色的抗腐蚀性质，在众多工业领域中被广泛应用。尤其在航空、航天、汽车及高速列车等高科技领域，其重要性日益凸显。但为满足这些领域对材料性能的更高要求，如何进一步提高铝合金的力学性能成为了研究的焦点。热处理技术作为金属材料性能调控的重要手段，提供了一个解决方案。通过特定的热处理工艺，可以有效调整铝合金的微观组织，从而优化其宏观的力学性能。过去的研究已经证明，合金的强度、延性及其它机械性能可以通过微观组织的调整而得到显著的提高。尤其是强化固溶、时效制度和淬火这三种热处理方法，已被证实在此方面有着显著的效果。本研究将进一步深入探讨这些热处理工艺对高强度铝合金微观组织和力学性能的具体影响，期望为现代工业领域提供更为高效和可靠的材料应用方案。

1 高强度铝合金的热处理工艺技术

1.1 强化固溶

强化固溶是一种针对铝合金的热处理方法，旨在将合金中的溶质原子强制进入基体晶格中，从而使其达到超饱和状态。这一过程对于提高材料的强度和硬度起到了关键作用。在强化固溶过程中，铝合金首先被加热到特定的高温，使其处于单相固溶状态。在这个温度下，合金中的溶质原子在基体中的溶解度达到最大。随后合金迅速冷却到室温，通常使用水淬或空气冷却，以固定超饱和的溶质原子，防止其在冷却过程中发生析出[1]。经过强化固溶处理的铝合金，其晶格中的溶质原子数量大大超过了在常温下的平衡溶解度。这些超饱和状态的溶质原子会产生很大的晶格畸变，从而显著增强合金的抗滑移能力，提高了其屈服强度和硬度。

1.2 时效制度

时效制度是一种常用于铝合金及其他合金的热处理方法，主要用于产生细小的沉淀物，以进一步增强材料的力学性能。这种处理通常是在强化固溶处理之后进行的。在经过强化固溶后，铝合金中的溶质原子大都处于超饱和状态。随着时间的推移，这些溶质原子会逐渐聚集，形成细小的沉淀相，称为时效硬化。此过程可以在室温（自然时效）或在较高温度（人工时效）下进行。例如对于7075 铝合金（含Zn、Mg、Cu）：在室温下，经过约24 小时，合金的屈服强度可以从340MPa 提高到410MPa。在120°C 下，经过6小时时效处理，合金的屈服强度可以进一步增加，达到480MPa。时效的具体条件（如温度和时间）需要根据铝合金的具体成分和所需的性能来确定[2]。例如，对于含有较多Cu 的铝合金，更高的时效温度和较长的时效时间可能会导致Cu 沉淀，从而产生更好的强化效果。然而，过度的时效可能会导致沉淀物过大，使得材料的韧性下降。

2 材料和方法

2.1 材料选择与准备

本研究选择了高强度铝合金7075 作为主要的研究对象，铝合金7075 的主要成分包括：铝（Al）90.0%-91.4%，锌（Zn）5.1%-6.1%，镁（Mg）2.1%-2.9%，铜（Cu）1.2%-2.0%，以及微量的锰（Mn）、铬（Cr）和其他元素。

准备过程如下：

①切割和研磨，从标准7075 铝合金板材中切割出多块试样。每块试样的尺寸为10mm×10mm×5mm。为保证试样表面的平整度，所有试样都经过细研磨，使用从粗到细的砂纸，最后使用0.05μm 的氧化铝悬浮液进行抛光。

②清洁，为去除切割和研磨过程中产生的任何油污和杂质，所有试样都在超声波清洗机中使用无水酒精清洗15 分钟，然后在流动的去离子水下进一步冲洗，最后使用干燥气体吹干[3]。

③评估与标记，为确保实验的可追溯性，每个试样都被编号。使用显微镜检查试样，确保其表面没有可见的划痕、氧化物或其他缺陷。通过这一系列准备步骤，确保了试样的质量和一致性，为后续的热处理实验和性能测试打下了坚实的基础。

2.2 热处理实验设备和条件

为确保铝合金7075 的热处理实验能够在精确和可控的条件下进行，本研究选择了先进的热处理设备，并设定了严格的实验条件。在设备选择上，使用了一台数字控制的箱式电阻炉，它能够保证温度在整个热处理过程中的稳定性。该炉具有卓越的温度均匀性和快速的升温能力，温度范围可以从室温升至800°C。淬火池设计用于快速冷却试样。我们采用了特制的水冷却系统，配有冷却介质循环和过滤装置，确保淬火液的清洁性和恒温性。同时时效热处理箱选择上，专为低温长时间的热处理设计，能够在150°C 以下精确控制温度，保证了时效过程的稳定性[4]。在实验条件设计上，①试样在490°C 下加热2 小时，以确保合金成分完全固溶。加热完成后，立即将试样转移到淬火池中进行水淬。②试样在淬火池中的冷却时间为3 分钟，以确保从高温迅速冷却至室温，锁定超饱和状态。③时效处理：根据前期实验确定的最佳时效条件，试样在120°C下进行时效6 小时，然后慢慢冷却至室温。

3 结果

3.1 微观组织变化

3.1.1 强化固溶后的微观组织

在未处理状态下，7075 铝合金表现为一个相对均匀的晶粒结构，没有明显的沉淀相或其他二次相，晶粒尺寸分布主要在50-60μm。晶界清晰且分布均匀，溶质原子浓度则相对较低。经过强化固溶处理后，其晶粒尺寸明显增长，达到60-70μm。这种晶粒的增长可以解释为在固溶处理的高温条件下，小的晶粒与周围较大的晶粒合并，导致晶粒尺寸的增大。更为重要的是，溶质原子在晶格中呈现出分散均匀的状态，与原始状态的低溶质浓度形成鲜明对比，如图1 所示。这种分散状态确保了合金进入一个超饱和固溶状态，为后续的时效处理奠定了基础。

图1 微观组织

3.1.2 时效制度后的微观组织

通过透射电子显微镜（TEM）的分析，观察到Guinier-Preston（GP）区的形成。这些GP 区是在时效初期形成的微细沉淀物，作为沉淀硬化过程的早期标志。随着时效时间的延续，GP 区逐渐转化为更为稳定且尺寸较大的MgZn2相。具体地，这些沉淀物的形态从初期的片状逐渐过渡到晚期的棒状，其平均尺寸从约10nm 增加到约25nm。图2展示了在135℃下预时效5h 的合金在不同RRA（退火再时效）处理后的TEM 显微图。在135℃预时效5h 的情况下，合金中析出的相形态细小且均匀分布，而晶界的析出物主要为微小的平衡相。经过RRA 处理后，合金内部的析出相再次发生变化并增大，而晶界处的析出物表现出过度时效的明显特征，它们大而孤立[5]。仔细对比图（b）和（c），可以观察到，RRA 时间越长，合金内部和晶界的析出相都越来越粗大。同时，合金内部的析出相间距也相应增大，导致其分布的均匀性下降。扫描电子显微镜（SEM）进一步揭示了时效制度对晶界上沉淀物的影响。晶界上的沉淀物呈现为连续的薄膜状结构，这些沉淀膜为合金提供了额外的强化效应。与强化固溶状态相比，时效制度明显增加了晶界沉淀物的数量和尺寸。综合上述分析，可以得出结论，时效制度对7075 铝合金的微观组织产生了显著的影响，主要表现为沉淀相的形成、晶界沉淀物的增加以及基体组成的变化。

图2 各阶段合金组织观察

3.2 力学性能结果

3.2.1 强化固溶后合金力学性能

强化固溶处理目的是确保合金中的溶质元素在基体中均匀分布。为了解这一处理对7075 铝合金力学性能的影响，本研究对经过强化固溶处理的合金进行了一系列的力学测试。一是拉伸测试，从拉伸实验中获得的数据显示，强化固溶处理后的7075 铝合金的抗拉强度为510MPa，而其屈服强度为480MPa。这两个值都比未经处理的铝合金高出约20%。同时，材料的断裂伸长率也得到了提高，达到了8%。二是压缩测试，在压缩测试中，该合金展现出了545MPa 的压缩强度，这比未经强化固溶处理的样品高约15%。此外，压缩塑性也有所改善。三是弯曲测试，强化固溶处理对合金的弯曲性能也产生了积极影响。经测试，其弯曲模量为71GPa，比未处理的合金高出5GPa。四是硬度测试，经过强化固溶处理后的7075 铝合金硬度测得为150HB，相比于原始状态提高了约18HB。实验数据明确地表明，强化固溶处理显著提高了7075 铝合金的力学性能，如表1 所示。这些提高主要归因于溶质元素在铝基体中的均匀分布，这为后续的时效处理创造了有利条件。

表1 强化固溶处理前后合金力学性能数据

3.2.2 时效制度合金力学性能

如表2，可以看出, 随着时效温度的提高和时间的延长，7075 铝合金的力学性能均有所提高。具体来说，抗拉强度、屈服强度和硬度都随时效条件的变化而增大。断裂伸长率在初期随时效有所增加，但在150℃/6h 的条件下增加更为显著。这些数据说明，合适的时效制度可以进一步优化铝合金的力学性能。另外，与未经时效的铝合金相比，经过时效处理的铝合金在微观结构上有所改变，这可能是导致力学性能变化的主要原因。适当的时效制度能够促进合金中的析出相的形成和增长，从而增强其力学性能。但也需注意，过度的时效可能会导致析出相的过度增长，从而降低材料的韧性。因此，选择合适的时效制度对于实现铝合金的最佳性能至关重要。

表2 不同时效下合金力学性能数据

结果：本研究系统探讨了高强度铝合金热处理工艺技术下的微观组织变化及其对力学性能的影响。通过对比实验，明确了强化固溶、时效制度和淬火处理对7075 铝合金微观组织的影响。实验结果表明，热处理可以显著改善铝合金的微观结构，进而优化其力学性能。具体地，强化固溶可以显著提高铝合金的抗拉强度和硬度。时效制度处理是影响铝合金力学性能的重要环节，随着时效温度的提高和时间的延长，铝合金的力学性能均有所增强。特别是在合适的时效条件下，可以进一步优化铝合金的性能，实现其在各种工程应用中的最佳表现。总体上，热处理工艺是铝合金材料科学和工程领域中的关键环节，对于满足未来更高性能要求的铝合金开发具有重要的指导意义。在实际生产中，需要根据具体的应用需求和材料基础，选择合适的热处理工艺，确保铝合金的性能得到充分的发挥。

4 结语

热处理对高强度铝合金的微观组织和力学性能有着深远的影响。首先，热处理可以有效调控高强度铝合金的微观组织。这种调控可以实现材料内部结构的细化，增加合金的硬度，提升其抗疲劳性，同时保持足够的韧性以应对复杂的工作环境。这种精确调控的能力，为材料性能的优化提供了可能，使其在航空航天、交通运输和精密制造等领域中表现出卓越的性能。其次，热处理对高强度铝合金的力学性能有着重要影响。通过合适的热处理工艺，可以显著提高铝合金的强度和硬度，同时增强其抗腐蚀能力，使得铝合金在各种复杂环境中都能保持稳定的性能，从而满足了工程应用中对材料性能的各种要求。综上所述，热处理技术对高强度铝合金微观组织和力学性能的影响不容忽视。这一技术不仅在高强度铝合金的生产和应用中占据重要地位，也为其他材料和工艺的研究提供了有益的借鉴和参考。