熱處理對鋁合金力學性能的作用機制研究

陶治穎

（合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230000）

鋁合金憑借其低密度、高韌、高強的優良性能，使其被廣泛應用于交通運輸、航天航空、建筑業等多個領域。由于鋁合金中摻入了較高含量的Zn、Mg等元素，這使得鋁合金在熱處理工藝中未得以充分固溶時，這些元素的存在很容易影響到鋁合金的綜合性能，而且Zn、Mg元素的含量過高，還會對鋁合金造成嚴重的應力腐蝕問題，這勢必會大幅降低鋁合金的結構強度。

為了解決上述問題，本文便以熱處理工藝作為出發點，深入研究熱處理對鋁合金力學性能的作用機制，以期能夠為鋁合金的應用提供可靠的技術依據。

1 研究材料及方法

1.1 材料

本文將7075鋁合金作為研究材料，該鋁合金材料預先已經進行了均勻化的退火處理，其內部化學元素的主要成分包括Zn、Mg、Cu、Mn、Fe、Si、Cr、Ti以及AL,這些化學元素的含量分別為6.5%、2.2%、1.5%、0.6%、0.5%、0.5%、0.15%以及0.1%。

1.2 熱處理工藝

本文在熱處理工藝中采取分級淬火雙級時效，即將高溫預析出固溶處理、分級淬火以及雙級時效處理進行結合起來，以鋁合金加工作為參考，利用正交試驗方法來對具體的熱處理工藝進行制定。在研究上述熱處理工藝對鋁合金力學性能的作用機制時，通過HR-150A洛式硬度計來對鋁合金的硬度進行測試，并在各個鋁合金試樣中篩選出10個測試點，然后將10個測試點的測試值取平均值，利用Neophot21型金相顯微鏡來觀察鋁合金在熱處理工藝中的金相組織，將NHO3、HCL、HF以及H2O按照2.5%、1.5%、1%、95%的比例配置成腐蝕液，對熱處理后的鋁合金試樣進行腐蝕測試，最后通過CSS-400拉伸機來檢測鋁合金試樣的力學性能。

2 研究結果

2.1 固溶處理對鋁合金力學性能的作用機制

試驗結果表明，鋁合金試樣的力學性能及組織結構會在很大程度上受到固溶處理溫度的影響，通過觀察不同固溶處理溫度下，鋁合金試樣在硬度及力學性能上的變化曲線可以發現，固溶處理溫度的不斷升高，會使7075鋁合金的力學性能在抗拉、硬度以及屈服強度上分別出現先增后降趨勢，當固溶處理溫度達到470℃時，此時鋁合金的抗拉、屈服以及硬度也達到了一個峰值，分別是625MPa、550MPa和46.5HRB。

當固溶溫度持續升高時，固溶體的過飽和度也會隨之增加，這時其相變驅動力也會增加，從而減小了其臨界晶核尺寸，提高了形核率的同時，也進一步增強了強化效果，這也使鋁合金具有更高的硬度與強度。當固溶溫度超過470℃時，會加快晶粒尺寸的增長速度，不過融入的溶質因子量卻并未出現較大變化，從而降低了鋁合金的強度。當固溶溫度未達到470℃時，會有較多的過剩相，這也使晶粒的尺寸增長并不明顯，從而使強化因子在鋁合金力學性能中起到主導作用，并在強化因子的作用下提高了鋁合金的硬度與強度。但當固溶溫度超過470℃，過剩相已所剩無幾，這時在鋁合金力學性能中主要是受到軟化作用的影響，這也造成鋁合金試樣的力學性能降低。

當固溶溫度達到470℃，并且鋁合金試樣已經經過了1h的淬火處理，并與試樣在固溶后經過1h的緩冷至350℃的試樣微觀組織進行對比，可以發現試樣在進行分級淬火以后，基體中已經溶入了大多數的強化性，這會使晶界析出相在彌散分布上得以顯著提高，而人工時效又會對晶界的析出相結構進行改變。由此可推斷出，晶界析出相的結構是影響鋁合金試樣抗應力腐蝕性能的重要因素。

2.2 雙級時效處理對鋁合金力學性能的作用機制

由于本文所采用的7075鋁合金處于固溶態時所具有的硬度與強度較低，因此需要進行時效處理來提高合金的韌性與強度，并通過固溶處理以及分級淬火，對一級與二級時效的相關時間參數以及具體的時效溫度進行嚴格控制，這樣才能確保鋁合金試樣具備高強高硬特性，同時還可以兼顧良好的抗應力腐蝕性能，從而使鋁合金性能得以最大限度的發揮。通過分析試驗結果，預時效溫度的不斷提高，會使鋁合金在雙級時效作用下，其硬度會呈現出先升高后下降的趨勢，當時效溫度達到115℃時，鋁合金的硬度會達到峰值。通過分析一級時效時間給鋁合金硬度帶來的影響可以發現，預時效時間的增加，會使二級時效后鋁合金的硬度呈現出先上升后降低的趨勢。一級時效下，熱處理工藝的最佳溫度為115℃左右，變動幅度在5℃以內，而熱處理時間應以5h～6h為宜。二級時效下，熱處理工藝的最佳溫度為175℃左右，變動幅度在5℃以內，熱處理時間應以14h～16h為宜。采用上述雙級時效工藝的最佳參數，經測試后，鋁合金試樣在抗拉、屈服、伸長率等力學性能指標上的測試值分別是663MPa、560MPa以及13.6%。

通過對雙級時效后的鋁合金試樣利用掃描電鏡來進行測試，可以發現其時效析出相的聚集現象比較嚴重，而且晶界無析出帶也較寬，究其原因在于鋁合金試樣在進行高溫預析出固溶處理時，造成其η'相與η相發生粗化和尺寸增加，進而使析出相的間距變得更大、更均勻。由此可以了解到，通過高溫預析出固溶處理，能夠進一步增加晶界的優先析出傾向，進而使晶界的析出相結構發生變化，使后續時效中晶界析出相呈現出明顯的不連續分布狀態，同時通過對雙級時效的工藝參數進行合理調整，能夠有效確保鋁合金具有高韌性與高強度等力學性能，并可使其抗應力腐蝕性能得到顯著改善。

3 結語

綜上所述，本文深入研究了熱處理工藝對鋁合金力學性能的作用機制，從而明確了熱處理工藝下鋁合金在力學性能上的變化趨勢，當固溶溫度達到470℃、固溶時間為1h時，會使鋁合金的硬度、強度以及伸長率等力學性能保持在一個最佳的水平，通過對固溶后的鋁合金進行350℃+1h的緩冷與水淬處理，可顯著改善鋁合金在后續時效下的抗腐蝕性能。在此基礎上，還確定了雙級時效的最佳工藝參數，即（115±5）℃×(5～6)h+(175±5)℃×(14～16)h，在此工藝參數下，能夠使鋁合金獲得最佳的力學性能表現。