時效溫度對7050鋁合金屈服強度的影響與本構模型研究

周慶珩，肖雪蓮，黃遐,2，李勇，李東升，周文彬*

時效溫度對7050鋁合金屈服強度的影響與本構模型研究

周慶珩1，肖雪蓮1，黃遐1,2，李勇1，李東升1，周文彬1*

（1.北京航空航天大學，北京 100191；2.中國航空制造技術研究院，北京 100024）

預測不同時效條件下7050鋁合金力學性能的演化規(guī)律，為多級快速時效熱處理工藝提供理論基礎。分別在120、160、180 ℃溫度下對7050鋁合金進行0～8 h時效熱處理，并進行室溫單拉試驗，獲得相應時效條件組合的應力-應變曲線及屈服強度演化曲線，建立統(tǒng)一時效本構模型，模擬微觀組織（沉淀半徑、溶質濃度）的演化規(guī)律，根據(jù)微觀組織的演化規(guī)律，模擬由析出強度與固溶強度組成的屈服強度的演化規(guī)律。在不同時效溫度下，模擬的屈服強度演化規(guī)律與試驗結果基本保持一致，模擬的微觀組織演化規(guī)律與理論分析結果基本保持一致。在160 ℃時效熱處理8 h和180 ℃時效熱處理2 h條件下得到了試驗峰值屈服強度，分別為578.6 MPa和555.8 MPa，在模擬結果中也得到了相應的演化結果。在120 ℃下，屈服強度的試驗結果與模擬結果均呈上升趨勢。所建立的統(tǒng)一本構模型考慮了時效溫度、時效時間的影響，成功預測了不同時效溫度條件下析出相半徑、溶質濃度等微觀變量的演化規(guī)律，這些變量都有助于預測合金析出強度與固溶強度的演化規(guī)律，進而成功預測了由這2個強度分量組成的屈服強度的演化規(guī)律。

時效熱處理；本構模型；時效溫度；鋁合金；強度預測

7050鋁合金具有高強度、低密度等優(yōu)異力學性能，是機械結構部件中常用的一種材料[1-2]。鋁合金經(jīng)過長時間的熱處理（固溶熱處理、淬火和時效）后可以獲得機械構件需要的優(yōu)異屈服強度和抗腐蝕性能[3-4]。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)低成本、高生產效率的發(fā)展需求[5]，需要優(yōu)化鋁合金的熱處理工藝以縮短所需時長。因此，需要深入研究鋁合金熱處理工藝溫度對其屈服性能的影響。

為了提高鋁合金的力學強度、抗腐蝕性能和抗疲勞性能，國內外研究學者基于時效工藝對7050鋁合金的熱處理過程進行了廣泛的探索，包括單級時效熱處理、雙級時效熱處理、回歸再時效處理（Retrogressive and Re-Ageing，RRA[6]）等。一些傳統(tǒng)單步時效工藝常在120 ℃或170 ℃左右進行長時間的時效以獲得合金的最佳力學性能[7]。Song等[8]對7050鋁合金在121 ℃下進行了150 h的時效試驗，在時效24 h條件下得到了合金的最大硬度。Lei等[9]對7050鋁合金在165 ℃下進行了18 h的蠕變試驗，將合金的屈服強度提高至514 MPa。這些傳統(tǒng)的單步時效工藝不僅效率低，而且合金屈服強度的提高效果并不顯著，因而一些學者對熱處理工藝進行了改良。Yang等[10]進行了雙步時效試驗，先在121 ℃下時效8 h，然后在165 ℃下時效1 h，7050鋁合金屈服強度提高至573 MPa。Oliveira等[11]通過RRA工藝，先在120 ℃條件下時效24 h，然后在200 ℃下回歸時效處理40 min，最后在120 ℃條件下時效24 h，使材料的屈服強度提高至600 MPa。?zer等[12]將上述RRA工藝中回歸時效處理的溫度設置為180～220 ℃，結果表明，在200 ℃條件下回歸時效處理30 min后，材料力學性能的提升效果最佳，硬度提升了5%左右，同時，由于RRA的作用，晶界處的連續(xù)網(wǎng)狀結構被分解，析出相更為粗大，從而阻礙了腐蝕進程，提高了合金的耐蝕性。Gai等[13]對7050鋁合金進行了三步時效處理，他們先進行了121 ℃、6 h時效處理，然后進行了177 ℃、10 h時效處理，最后分組進行了160 ℃、5～30 h的時效處理，結果表明，隨著時效時間的延長，屈服強度由525 MPa小幅度提升至535 MPa，在25 h時開始下降到485 MPa，并在30 h時再次提升至545 MPa。

當前，雖然針對7050鋁合金熱處理工藝的研究較多，但大多局限于試驗研究，缺乏基于溫度的統(tǒng)一時效本構模型；且在現(xiàn)有的研究中，大多基于傳統(tǒng)單級時效或對其進行工藝改良，缺乏多種溫度條件下的時效試驗研究。因此，本文通過7050鋁合金的時效試驗，研究了不同時效條件對其力學性能的影響，建立了統(tǒng)一時效本構模型，研究了不同時效條件下7050鋁合金力學性能的演化規(guī)律，以期為多級快速時效熱處理工藝提供理論基礎。

1 試驗

鋁合金試驗件采用圓柱形拉伸試樣，材料為7050鋁合金，拉伸試樣沿鋁板軋制方向制造，根據(jù)GB/T 228.2—2015，試樣標距為25 mm，拉伸截面直徑為5 mm，如圖1所示。依次對試樣進行固溶熱處理、淬火和時效熱處理，具體工藝流程如下：1）固溶熱處理，將試樣在（475±5）℃的環(huán)境箱中保溫1 h，之后立即放入水中淬火，淬火轉移時間控制在3 s以內；2）時效熱處理，溫度分別為120、160、180 ℃，在此3個溫度下分別保溫0.5、1、2、4、6、8 h，試驗流程如圖2所示。在時效熱處理后，將7050鋁合金空氣冷卻至室溫。采用萬能拉伸試驗機對時效后的試樣進行室溫拉伸性能測試，應變采用引伸計測量，根據(jù)GB/T 228，拉伸速率為0.025 mm/s。

2 結果與分析

2.1 熱處理過程對7050鋁合金室溫拉伸曲線的影響

3個溫度條件下不同時效時間對7050鋁合金工程應力-應變曲線的影響如圖3所示。可見，在每種溫度條件下，隨著時效時間的延長，合金的延伸率均有相同的下降趨勢。但合金的強度變化趨勢并不相同，時效溫度越高，合金越快達到該溫度條件下的峰值強度，如在180 ℃條件下，屈服強度在時效1 h時已經(jīng)達到551.4 MPa，而在160 ℃和120 ℃條件下，時效1 h時的屈服強度分別為503 MPa和461.6 MPa。

圖1 拉伸試驗試樣尺寸示意圖

圖2 試驗流程

在同一時效時間條件下，合金的延伸率隨時效溫度的提高呈下降趨勢，如在時效1 h條件下，合金的延伸率從120 ℃下的15.3%下降至180 ℃下的11.6%；在時效8 h條件下，合金的延伸率從120 ℃下的13.9%下降至180 ℃下的10.7%。此外，時效溫度越高，合金在進入塑性強化階段的強化速率下降越明顯，即工程應力-應變曲線在強化階段初始時的斜率越小。同時，時效溫度越高，合金在達到峰值強度后開始頸縮直至斷裂的持續(xù)時間越短。

2.2 熱處理過程對7050鋁合金屈服強度的影響

屈服強度的演化曲線如圖4所示。可見，隨著時效時間的延長，時效溫度越高，時效進程越快。在120 ℃時效溫度下時效8 h內，強度還沒有達到峰值，隨著時效時間的延長，屈服強度整體呈現(xiàn)上升的趨勢，從固溶后的190.3 MPa逐漸增到562.0 MPa（時效8 h）；在160 ℃時效溫度下，隨著時效時間的延長，屈服強度逐漸提高，之后于8 h時達到578.6 MPa，接近試驗峰值時效狀態(tài)。而在180 ℃時效條件下，屈服強度在時效2 h左右達到試驗峰值555.8 MPa，之后在時效8 h后降低到504.6 MPa，處于過時效狀態(tài)。

圖3 時效時間對工程應力-應變曲線的影響

圖4 屈服強度的演化曲線

3 統(tǒng)一時效本構模型

本文建立的模型旨在模擬多種溫度和時間組合時效條件下7050鋁合金力學性能的演化規(guī)律。首先模擬微觀組織（沉淀半徑、溶質濃度）的演化規(guī)律，并根據(jù)微觀組織的演化規(guī)律，模擬由析出強度A與固溶強度ss組成的屈服強度y的演化規(guī)律。

3.1 析出相粗化現(xiàn)象

對于鋁合金，其主要的析出相呈圓盤狀[14]。因此，利用立方粗化定律[15]推導出本文時效過程中析出相半徑n的演化規(guī)律，如式（1）所示。

因為c與動力學因子1都是常數(shù)，所以在不同時效溫度下，析出相半徑的增長與溫度密切相關，進一步整合與溫度相關的常數(shù)，引入r，如式（4）所示。

將式（4）代入式（3），得到析出相半徑的生長速率演化方程如式（5）所示。

經(jīng)固溶熱處理+淬火后，材料處于過飽和固溶體狀態(tài)，此時還未析出沉淀相，即n為0，在時效初期，由式（5）計算得到的析出相半徑生長速率近似于無窮大。為了消除該影響，將析出相半徑的生長速率演化方程式（5）改進為式（6），其中的計算如式（7）所示。

式中：1為控制析出相生長速度的常數(shù)；為與溫度相關的歸一化析出相半徑峰值常數(shù)；0為材料常數(shù)；2為能量常數(shù)。

3.2 溶質濃度的演化

基質中平衡溶質濃度也與溫度密切相關[17-18]。溶質濃度在固溶熱處理+淬火后達到過飽和狀態(tài)，在隨后的時效過程中，由于溶質析出，溶質濃度會降低到時效溫度的平衡值。為了簡化模型，將溶質濃度歸一化，如式（8）所示。

式中：s為初始濃度。將時效溫度下的平衡溶質濃度歸一化，如式（9）所示。

式中：2為材料常數(shù)。

3.3 時效硬化現(xiàn)象

在7050鋁合金時效過程中，材料的屈服強度y主要由析出強度ppt和固溶強度ss組成，如式（12）所示，其中固溶強度包括過飽和固溶體強度與晶粒強度。

在時效初期，析出相半徑還未開始增長，合金處于過飽和固溶體狀態(tài)[20]，材料的固溶強度處于峰值，此時的屈服強度主要由固溶強度提供。固溶強度的變化主要受溶質濃度的影響，隨著時效過程中溶質的不斷析出，當溶質濃度下降到時效溫度下的平衡值時，固溶強度也達到平衡。因此，固溶強度的速率可建模為式（13）[21]。

式中：2為與初始和平衡溶質濃度有關的物質常數(shù)；2為量化溶質轉化為沉淀物過程的常數(shù)。

在時效過程中，析出相半徑是不斷增大的[22]，并于時效初期迅速增長，這也使屈服強度并沒有因時效初期固溶強度的迅速降低而抵消。隨著析出相尺寸的不斷增大，合金的總強度隨時間的延長而不斷增大。當析出相的半徑和間距達到最優(yōu)匹配時[23]，析出相半徑達到峰值c，從而得到了峰值屈服強度。因此，析出強度的速率可建模為式（14）[21]。

式中：3為描述析出相間相互作用的常數(shù)；3和4為材料常數(shù)。

3.4 材料常數(shù)的確定

本文提出的7050時效條件下的統(tǒng)一本構方程如式（15）所示。

首先，在固溶熱處理后，材料的析出相半徑近似等于0，因此析出強度的初始值也為0，此時材料的屈服強度全部由固溶強度提供。根據(jù)固溶熱處理后的材料室溫單拉試驗結果，確定了固溶強度的初始值，此時歸一化溶質濃度為1。其次，利用不同時效條件下材料常溫拉伸試驗數(shù)據(jù)，針對理論曲線采用擬合的方法確定此模型的材料常數(shù)。結合文獻[24-25]中鋁合金時效及蠕變過程中平均析出相的尺寸和溶質濃度，確定式（4）、（6）、（7）、（10）和（11）中的材料常數(shù)。最后，將計算得到的屈服強度演化曲線和試驗得到的屈服強度演化曲線進行比較，得到式（13）和（14）中的常數(shù)。7050鋁合金時效條件下模型的材料常數(shù)如表1所示。

3.5 模型預測的結果與分析

不同時效溫度條件下，模擬（實線）和試驗（符號）的屈服強度演化結果如圖5所示。可知，所建立的模型對不同時效溫度條件下的屈服強度演化規(guī)律具有一定的預測能力，在不同時效溫度條件下，模擬的屈服強度演化規(guī)律與試驗結果基本保持一致，在160 ℃、6.5 h和180 ℃、2.5 h條件下分別模擬得到了各自溫度下的峰值屈服強度，依次為565 MPa和572 MPa。同時也模擬出高溫推進時效進程的趨勢。

圖5 時效過程中屈服強度預測曲線

固溶強度和析出強度的預測曲線如圖6所示。由圖6a可知，在時效初期，固溶強度由186.29 MPa迅速降低，當降低至相應時效溫度的平衡區(qū)間時逐漸趨于穩(wěn)定，如在120 ℃條件下穩(wěn)定在43.5 MPa左右，在160 ℃條件下穩(wěn)定在69.2 MPa左右，在180 ℃條件下穩(wěn)定在82.9 MPa左右。由圖6b可知，在不同溫度條件下，析出強度的演化趨勢并不一致，時效溫度越高，析出強度越快達到該溫度下的峰值。屈服強度的綜合演化是固溶強度和析出強度共同作用的結果，這在模擬結果中也得到了充分的體現(xiàn)。

圖6 時效過程中各種強度分量的預測曲線

表1 7050鋁合金時效本構模型的材料常數(shù)

Tab.1 Summary of material constants of 7050 ageing constitutive model

歸一化溶質濃度和歸一化析出相半徑的預測曲線如圖7所示。由圖7a可知，歸一化溶質濃度的變化趨勢和固溶強度的變化趨勢具有高度的一致性，歸一化溶質濃度直接導致了固溶濃度的變化。由圖7b可知，時效溫度越高，析出相半徑增長越快，這也使析出強度越快達到峰值。當析出相半徑達到峰值后繼續(xù)增長，合金處于過時效狀態(tài)，這也使析出強度出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，進而導致屈服強度下降。

圖7 時效過程中主要微觀結構變量的預測曲線

綜上所述，本文建立的7050鋁合金時效條件模型成功預測了在多種時效溫度和時效時間組合條件下合金屈服強度的演化規(guī)律，且與試驗結果吻合良好，模擬強度與試驗強度的平均誤差為3.5%。此外，該模型可以模擬相關微觀結構變量的演化規(guī)律，模擬結果與理論分析結果一致。該模型給出了析出相半徑、溶質濃度等微觀變量與時效溫度、時效時間的關系，這些微觀變量將影響屈服強度，通過將溫度變化數(shù)據(jù)輸入該模型，即可預測不同溫度和時間組合條件下微觀變量的演化規(guī)律，進而得到屈服強度的演化規(guī)律，從而確定最佳時效條件組合，為多級快速時效提供理論基礎，從而進一步提高7050鋁合金的熱處理效率。

4 結論

1）在不同溫度條件下，對7050鋁合金進行了時效0～8 h處理，通過室溫單拉試驗，得到了不同溫度條件下合金屈服強度的演化規(guī)律：在120 ℃時效溫度下，屈服強度隨時效時間的延長呈上升趨勢；在160 ℃時效溫度下，屈服強度在時效時間為8 h時穩(wěn)定在578.6 MPa；在180 ℃時效溫度下，屈服強度在時效時間為2 h時達到試驗峰值555.8 MPa后開始下降。

2）根據(jù)7050鋁合金在不同時效條件下的試驗數(shù)據(jù)，建立了一套統(tǒng)一的時效本構方程。這套本構模型可以預測7050鋁合金在本文所涉及的時效條件下析出相半徑、溶質濃度等微觀變量的演化規(guī)律，有助于預測合金析出強度與固溶強度的演化規(guī)律，進而預測由這2個強度分量組成的屈服強度的演化規(guī)律。模擬預測結果與試驗結果保持一致，在條件為160 ℃、6.5 h和180 ℃、2.5 h時，模擬得到了峰值屈服強度，分別為565 MPa和572 MPa；在120 ℃條件下，模擬得到的屈服強度呈上升趨勢。

3）這套本構模型給出了一系列宏觀及微觀變量與時效溫度、時效時間的關系，因而可以通過調節(jié)溫度數(shù)據(jù)預測多種時效溫度與時效時間組合條件下的屈服強度，進而確定最佳時效條件組合，為多級快速時效熱處理工藝提供了理論基礎。

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Effect of Ageing Temperature on Yield Strength of Aluminium Alloy 7050 and Constitutive Modeling Investigation

ZHOU Qingheng1, XIAO Xuelian1, HUANG Xia1,2, LI Yong1, LI Dongsheng1, ZHOU Wenbin1*

(1. Beihang University, Beijing 100191, China; 2. AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China)

The work aims to predict the evolution of mechanical properties of aluminium alloy 7050 under different ageing conditions so as to provide a theoretical basis for the multi-steps rapid ageing heat treatment process. In this study, after ageing at 120 ℃, 160 ℃ and 180 ℃ for 0-8 h, the uniaxial tensile tests of AA7050 at room temperature was carried out to obtain the stress-strain curve and yield strength evolution curve of the samples after the corresponding ageing conditions. A unified ageing constitutive model was established to simulate the evolution of microstructure (precipitation radius, solute concentration). According to the evolution of microstructure, the evolution of yield strength composed of precipitation strength and solution strength was simulated.At different ageing temperature, the simulated yield strength evolution was basically consistent with the experimental results, and the simulated microstructure evolution was basically consistent with the theoretical analysis. The peak yield strength, which resulted from experiments, was obtained at after ageing at 160 ℃ for 8 h and ageing at 180 ℃ for 2 h, 578.6 MPa and 555.8 MPa respectively. The corresponding evolutionary trend was also obtained in the simulation results. At 120 ℃, both the experimental results and the simulated results of yield strength showed an increasing trend. The established unified constitutive model takes into account the effects of ageing temperature and ageing time, and successfully predicts the evolution of micro-variables such as precipitation radius and solute concentration at different ageing temperature. These variables are helpful to predict the evolution of precipitation strength and solid solution strength of AA7050, and then successfully predict the evolution of yield strength composed of these two strength components.

ageing heat treatment; constitutive model; ageing temperature; aluminium alloy; prediction of strength

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.010

TG166.3

A

1674-6457(2024)03-0108-07

2024-01-14

2024-01-14

國家自然科學基金（52305332）

The National Natural Science Foundation of China (52305332)

周慶珩, 肖雪蓮, 黃遐, 等. 時效溫度對7050鋁合金屈服強度的影響與本構模型研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 108-114.

ZHOU Qingheng, XIAO Xuelian, HUANG Xia, et al. Effect of Ageing Temperature on Yield Strength of Aluminium Alloy 7050 and Constitutive Modeling Investigation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 108-114.

（Corresponding author）