淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對7050鋁合金組織及性能的影響

吳道祥，林 林，陳煥良，李丹丹

(西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶401326)

淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對7050鋁合金組織及性能的影響

吳道祥，林 林，陳煥良，李丹丹

(西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶401326)

采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、力學(xué)性能測試及斷裂韌性試驗(yàn)研究了淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對7050鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，水淬工藝下，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，淬火過后合金板材中第二相粒子逐漸增多，時(shí)效后的合金板材的力學(xué)性能逐漸下降。另外，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，合金試樣斷裂時(shí)穿晶斷裂所占比例逐漸下降，韌窩的數(shù)量及深度也隨之下降。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間達(dá)到80s時(shí)，還可以觀察到一些大的晶界面，合金斷裂時(shí)裂紋會(huì)沿著這些晶界面擴(kuò)展，形成沿晶斷裂。

7050鋁合金；淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間；顯微組織；力學(xué)性能；斷裂韌性

0 前言

7050鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是典型的通過固溶－淬火－時(shí)效等熱處理方法來強(qiáng)化的合金[1]。Al-Zn-Mg-Cu系合金存在AlZnMgCu、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2CuMg)和Al7Cu2Fe等多種相。當(dāng)這些粗大的第二相作為未溶相存于鋁基體時(shí)，會(huì)大大地降低合金的強(qiáng)度、韌性以及耐腐蝕性能[2]。

合金經(jīng)固溶處理后，必須經(jīng)過快速淬火才能避免脫溶析出，獲得高過飽和度的固溶體，為時(shí)效提高合金的強(qiáng)度奠定基礎(chǔ)[3～5]。合金試樣從固溶爐中取出轉(zhuǎn)移至淬火液中需要一定的時(shí)間。試樣在這個(gè)過程中相當(dāng)于進(jìn)行了一段時(shí)間的空氣淬火，合金中會(huì)析出一定量沉淀相，影響合金固溶后的過飽和度，從而對合金的性能產(chǎn)生較大影響。因此，本文通過研究淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對7050鋁合金第二相粒子、晶粒結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度及斷裂韌性的影響，為7050鋁合金淬火工藝的制定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用材料為180mm厚的7050鋁合金熱軋板材，其基本化學(xué)成分為Al-6.7%Zn-2.6%Mg-2.6%Cu-0.06%Ti-0.13%Zr-0.15%Fe-0.12%Si。從板材厚度1/4位置截取4組20mm厚試樣進(jìn)行研究，所有試樣在473℃溫度下進(jìn)行固溶，保溫時(shí)間1h。固溶后的試樣經(jīng)過不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間后進(jìn)行水淬，后續(xù)再進(jìn)行121℃+24h的人工時(shí)效。

合金的金相組織觀察在ZEISS Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，腐蝕劑采用Graff試劑（16mL HNO3+1mL HF+3g CrO3+83mL H2O）；試樣初始態(tài)、固溶及時(shí)效后的第二相粒子、斷口形貌觀察在TESCAN VEGA 3 LMH SEM掃描電鏡上進(jìn)行，加速電壓為20kV；室溫拉伸試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)制備，拉伸試驗(yàn)在CMT 5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為2mm/min；斷裂韌性試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB-4161制定，拉伸試驗(yàn)在CMT 5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 7050鋁合金試樣初始態(tài)SEM分析

圖1所示為7050鋁合金試樣初始態(tài)SEM像。從圖中可知，板材中的第二相粒子主要沿軋向分布，形狀各異，有的呈塊狀，有的呈柳葉狀，有的呈棒狀，更多的是均勻分布在基體中的微小粒子。通過對不同形狀的第二相粒子進(jìn)行EDX分析可知（見表1），呈暗色塊狀分布的是Al2CuMg相，呈亮色塊狀分布的是AlZnMgCu相，呈柳葉狀和棒狀分布的是Al2Mg3Zn3相，均勻分布在基體中的微小粒子也是Al2Mg3Zn3相。大部分的第二相粒子會(huì)隨著固溶處理的進(jìn)行逐漸地融入到基體中去，固溶溫度越高，第二相粒子溶解越充分。然而隨著固溶溫度的升高，晶粒發(fā)生再結(jié)晶的比例也會(huì)增大，當(dāng)溫度升到一定高度后，甚至?xí)斐珊辖鸾M織過燒。

圖1 7050鋁合金試樣初始態(tài)SEM像

表1 試樣初始態(tài)第二相粒子能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2.2 淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對合金第二相粒子的影響

7050鋁合金試樣在不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下的SEM像如圖2所示。圖3給出了不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下的合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)的變化情況。由圖2和圖3可知，水淬工藝下，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，合金試樣中第二相粒子逐漸增多。在淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間2～40s范圍內(nèi)，合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)變化不大；當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間由2s增大到20s時(shí)，合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)只有非常微小的提升；當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間由20s上升至40s時(shí)，合金試樣中的第二相粒子體積分?jǐn)?shù)有了小幅度的增長，由20s時(shí)的0.38%上升到0.44%；當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間達(dá)到60s時(shí)，合金試樣中開始出現(xiàn)少量的線狀析出物，經(jīng)EDX分析這些線狀析出物也是AlZnMgCu相。此時(shí)合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)有了較大的提高，由40s的0.44%上升到了0.6%，增加了36.37%；當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間延長至80s時(shí)，此時(shí)合金試樣中析出的第二相粒子較60s時(shí)的更多，除了粗大的第二相粒子，線狀析出物也有所增多，此時(shí)合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.69%。

圖2 7050鋁合金試樣在不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下的SEM像

圖3 7050鋁合金試樣中第二相粒子體積分?jǐn)?shù)

2.3 淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對合金強(qiáng)度及斷裂韌性的影響

圖4所示為不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下的7050鋁合金試樣強(qiáng)度及斷裂韌性。從圖4中可以看出，當(dāng)淬火介質(zhì)為水時(shí)，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長，時(shí)效后的7050鋁合金板材的力學(xué)性能逐漸下降。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間由2s延長到20s時(shí)，合金板材的抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σ0.2）沒有較為明顯的變化，但是其斷裂韌性（KIC）由2s時(shí)的38.8MPa·m1/2下降到37.8MPa·m1/2，降低了2.58%。隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的進(jìn)一步延長，當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間由20s上升到40s時(shí)，7050鋁合金板材的抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σ0.2）以及斷裂韌性（KIC）都有了小幅度的下降，由20s時(shí)的561 MPa、532MPa和37.8MPa·m1/2分別下降到538MPa、513MPa和36.6MPa·m1/2。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間延長到60s時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷裂韌性都有了較大梯度的降低，分別降低到492MPa、468MPa和33.6MPa·m1/2。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間達(dá)到80s時(shí)，此時(shí)合金的力學(xué)性能更低，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷裂韌性相比2s時(shí)分別下降了17.38%、15.76%和18.04%。

圖4 不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下的試樣強(qiáng)度及斷裂韌性

2.4 不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間合金斷口形貌

圖5所示為不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下7050鋁合金試樣斷口形貌。由圖5可知，水淬工藝下，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，合金試樣斷裂時(shí)穿晶斷裂所占比例逐漸下降，韌窩的數(shù)量及深度也隨之下降，當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間達(dá)到80s時(shí)，還可以觀察到一些大的晶界面，合金斷裂時(shí)裂紋會(huì)沿著這些晶界面擴(kuò)展，形成沿晶斷裂。

圖5 不同淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間下7050鋁合金試樣斷口形貌

3 結(jié)論

(1)水淬工藝下，隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，淬火過后合金板材中第二相粒子逐漸增多，時(shí)效后的合金板材的力學(xué)性能逐漸下降。

(2)隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的增加，合金試樣斷裂時(shí)穿晶斷裂所占比例逐漸下降，韌窩的數(shù)量及深度也隨之下降。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間達(dá)到80s時(shí)，還可以觀察到一些大的晶界面，合金斷裂時(shí)裂紋會(huì)沿著這些晶界面擴(kuò)展，形成沿晶斷裂。

[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]熊創(chuàng)賢,鄧運(yùn)來,萬里,等.7050鋁合金在固溶過程中的微結(jié)構(gòu)與織構(gòu)的演變[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),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]韓念梅,張新明,劉勝膽,何道廣,張榮.固溶處理對7050鋁合金強(qiáng)度和斷裂韌性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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

吳道祥(1988-)，男，貴州人，博士，從事鋁合金塑性成形工藝研究。

2017－06－12