7075鋁合金力學性能不合格原因分析

■ 顧卓倫，屠征

7系列鋁合金為超高強度鋁合金，以Al為基體，主要添加元素Zn、Mg、Cu，是一種可熱處理強化的鋁合金。起主要強化作用的元素為Zn、Mg，Cu也有一定強化效果，但其主要作用是為了提高材料的耐蝕性，被廣泛應用于航空航天、汽車、列車等領域。因此，可以說超高強度鋁合金是以減輕承載結構件為目的發展起來的一種高強度、高韌性、耐腐蝕的結構受力材料。

鋁合金板材在飛機結構件中被大量采用，板材的缺陷有可能是原材料遺留下來的，也有可能是熱處理過程產生的，缺陷的存在會嚴重影響零件的強度和韌性，一旦鋁合金零件失效，由此而產生的后果將不可估計。我公司從國外購買的一批7075-T6鋁合金板材在做原材料試驗時，力學性能未達到規范要求。為找出不合格原因，本文對該7075板材進行全面的分析和研究，對原材料的力學性能、化學成分、金相組織等進行分析，確定了材料力學性能低產生的原因。

1. 試驗用材料

購買的板材尺寸規格為3657.6mm×1219.2mm（144in×48in），厚板4mm，試樣尺寸縱×橫為203.2mm×25.4mm（8in×1in），試驗取樣位置見圖1。首次試驗從原材料上取兩根試樣（1-1、1-2），試驗結果1-1試樣抗拉強度和屈服強度均未達到材料技術規范要求，1-2試樣屈服強度未達到規范要求。對原材料重復取4根試樣（2-1、2-2、2-3、2-4）進行復試，2-1試樣抗拉強度和屈服強度仍不合格，測試結果見表1。

2. 試驗過程及結果

（1）化學成分分析 對原材料進行光譜化學成分檢驗，結果見表2，材料各元素含量均符合技術要求。

（2）金相組織、顯微硬度檢查 將試樣1-1和1-2分別做成金相試樣，兩試樣經侵蝕后組織正常，均為在α固溶體基體上均布著沉淀析出相的質點，晶粒較細小，未發現有過熱、過燒現象，如圖2、圖3所示。兩試樣金相組織顏色有色差，圖3中金相組織的對比度比圖2大。

將試樣1-1和1-2進行顯微硬度檢查，其測試值見表3。測試結果表明，試樣1-1的顯微硬度值比試樣1-2稍低。

表1 力學性能測試結果

圖1 取樣位置

（3）能譜分析 將試樣1-1和1-2放在掃描電鏡下進行能譜分析，化學成分能譜分析見圖4、表4、圖5、表5，二者成分變化不大。

（4）材料力學性能測試 分析前2次的試驗結果，我們懷疑取樣位置對試驗結果會有影響，故重新取樣進行試驗，共取樣12根，并在試樣上做好位置標記。試驗結果為12根試樣中有2根（3-11、3-12）屈服強度不合格，抗拉強度也偏低，2根不合格試樣都取在板材的邊緣部位。測試結果見表6，取樣位置見圖1。

分析以上三次試驗，不合格試樣都位于板材的邊緣部位，懷疑原材料的缺陷引起板材邊緣強度的下降，從板材兩個邊緣部位各取2根（共4根）試樣，按熱處理規范進行了T6固溶時效，對熱處理后的試樣再做力學性能試驗，4根試樣力學性能全部符合規范要求，抗拉強度、屈服強度和伸長率的平均值要高于前三次試驗數值。對金相組織進行熱處理前后對比，發現熱處理后的組織比熱處理前的要亮。測試結果見表7，取樣位置見圖1，試樣4-2熱處理前后的金相組織見圖6、圖7。

3. 分析與討論

由材料的三次力學性能測試結果表明，不合格試樣都位于板材邊緣部位，合格試樣和不合格試樣金相顯微組織存在明顯的色差，對取自板材邊緣的試樣重新進行T6熱處理，力學性能全部合格，金相顯微組織色差也較熱處理前有改善。能譜分析表明，合格與不合格試樣的化學成分基本一致，故不存在化學成分偏析。

圖2 試樣1-1金相組織

圖3 試樣1-2金相組織

圖4 試樣1-1成分分析能譜圖

圖5 試樣1-2成分分析能譜圖

表2 化學成分分析結果（質量分數） （%）

表3 顯微硬度測試結果 （HV50gf）

表4 試樣1-1成分（質量分數）（%）

表5 試樣1-2成分（質量分數）（%）

7075鋁合金為可熱處理強化的鋁合金，其淬火及時效狀態的組織性質是其使用性能的基礎。鋁合金的淬火，是在加熱至第二相全部或最大限度地溶入固溶體并保持一段時間后，以快于第二相自固溶體中析出的速度（淬火）冷卻，獲得過飽和固溶體。此過飽和固溶體處于不平衡狀態，在室溫下是不穩定的，有發生分解和析出過剩溶質原子（強化相）的自發趨勢。鋁合金的時效，就是利用某些強化相的脫溶過程而產生硬化（即時效強化）來提高合金強度的。因此，鋁合金淬火的目的，是把合金在高溫的固溶體組織固定到室溫獲得過飽和固溶體，以便在隨后的時效中使合金強化。另外，有資料記載，對于含有銅、鋅的合金在再結晶晶粒間還有不同的顏色對比度，對比度越大，說明合金固溶越充分。

眾所周知，由于工件與環境快速的熱交換，工件自加熱爐中取出轉移至淬火槽的過程中，板材邊緣部位溫度下降最多，冷卻速度要大于中間部位冷卻速度。由于Al-Zn-Mg-Cu合金含有Cu、Mn、Cr等元素，增大了對淬火冷卻速度的敏感性，因此合金在淬火時應盡量縮短淬火轉移時間。如工件自加熱爐中取出轉移至淬火槽中淬火，轉移時在空氣中停留時間過長，會使固溶體部分分解，強化相沿晶析出，合金固溶體的過飽和程度會下降，則不僅會降低時效后的強度，還會影響合金晶界腐蝕抗力，所以在淬火冷卻時轉移時間要快，以抑制固溶體分解，避免強化相沉淀析出。

圖6 試樣4-2熱處理前金相組織

由于原材料邊緣部位熱處理合金固溶不充分，引起固溶體的過飽合度下降，使其最后形成的組織成分結構發生了變化，金相組織和正常熱處理的組織就會存在顏色的差異。試樣經T6重新熱處理后提高了材料固溶體的過飽合度，故強度得到了提高。

圖7 試樣4-2熱處理后金相組織

表6 力學性能測試結果

表7 力學性能測試結果

4. 結語

7075鋁合金板材強度未達到規范要求的主要原因，是由于熱處理轉移過慢，在空氣中停留時間過長，使板材邊緣部位熱處理合金固溶不充分，從而引起固溶體的過飽合度下降，導致材料強度不足。