热处理对铝合金力学性能的作用机制研究

陶治颖

（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230000）

铝合金凭借其低密度、高韧、高强的优良性能，使其被广泛应用于交通运输、航天航空、建筑业等多个领域。由于铝合金中掺入了较高含量的Zn、Mg等元素，这使得铝合金在热处理工艺中未得以充分固溶时，这些元素的存在很容易影响到铝合金的综合性能，而且Zn、Mg元素的含量过高，还会对铝合金造成严重的应力腐蚀问题，这势必会大幅降低铝合金的结构强度。

为了解决上述问题，本文便以热处理工艺作为出发点，深入研究热处理对铝合金力学性能的作用机制，以期能够为铝合金的应用提供可靠的技术依据。

1 研究材料及方法

1.1 材料

本文将7075铝合金作为研究材料，该铝合金材料预先已经进行了均匀化的退火处理，其内部化学元素的主要成分包括Zn、Mg、Cu、Mn、Fe、Si、Cr、Ti以及AL,这些化学元素的含量分别为6.5%、2.2%、1.5%、0.6%、0.5%、0.5%、0.15%以及0.1%。

1.2 热处理工艺

本文在热处理工艺中采取分级淬火双级时效，即将高温预析出固溶处理、分级淬火以及双级时效处理进行结合起来，以铝合金加工作为参考，利用正交试验方法来对具体的热处理工艺进行制定。在研究上述热处理工艺对铝合金力学性能的作用机制时，通过HR-150A洛式硬度计来对铝合金的硬度进行测试，并在各个铝合金试样中筛选出10个测试点，然后将10个测试点的测试值取平均值，利用Neophot21型金相显微镜来观察铝合金在热处理工艺中的金相组织，将NHO3、HCL、HF以及H2O按照2.5%、1.5%、1%、95%的比例配置成腐蚀液，对热处理后的铝合金试样进行腐蚀测试，最后通过CSS-400拉伸机来检测铝合金试样的力学性能。

2 研究结果

2.1 固溶处理对铝合金力学性能的作用机制

试验结果表明，铝合金试样的力学性能及组织结构会在很大程度上受到固溶处理温度的影响，通过观察不同固溶处理温度下，铝合金试样在硬度及力学性能上的变化曲线可以发现，固溶处理温度的不断升高，会使7075铝合金的力学性能在抗拉、硬度以及屈服强度上分别出现先增后降趋势，当固溶处理温度达到470℃时，此时铝合金的抗拉、屈服以及硬度也达到了一个峰值，分别是625MPa、550MPa和46.5HRB。

当固溶温度持续升高时，固溶体的过饱和度也会随之增加，这时其相变驱动力也会增加，从而减小了其临界晶核尺寸，提高了形核率的同时，也进一步增强了强化效果，这也使铝合金具有更高的硬度与强度。当固溶温度超过470℃时，会加快晶粒尺寸的增长速度，不过融入的溶质因子量却并未出现较大变化，从而降低了铝合金的强度。当固溶温度未达到470℃时，会有较多的过剩相，这也使晶粒的尺寸增长并不明显，从而使强化因子在铝合金力学性能中起到主导作用，并在强化因子的作用下提高了铝合金的硬度与强度。但当固溶温度超过470℃，过剩相已所剩无几，这时在铝合金力学性能中主要是受到软化作用的影响，这也造成铝合金试样的力学性能降低。

当固溶温度达到470℃，并且铝合金试样已经经过了1h的淬火处理，并与试样在固溶后经过1h的缓冷至350℃的试样微观组织进行对比，可以发现试样在进行分级淬火以后，基体中已经溶入了大多数的强化性，这会使晶界析出相在弥散分布上得以显著提高，而人工时效又会对晶界的析出相结构进行改变。由此可推断出，晶界析出相的结构是影响铝合金试样抗应力腐蚀性能的重要因素。

2.2 双级时效处理对铝合金力学性能的作用机制

由于本文所采用的7075铝合金处于固溶态时所具有的硬度与强度较低，因此需要进行时效处理来提高合金的韧性与强度，并通过固溶处理以及分级淬火，对一级与二级时效的相关时间参数以及具体的时效温度进行严格控制，这样才能确保铝合金试样具备高强高硬特性，同时还可以兼顾良好的抗应力腐蚀性能，从而使铝合金性能得以最大限度的发挥。通过分析试验结果，预时效温度的不断提高，会使铝合金在双级时效作用下，其硬度会呈现出先升高后下降的趋势，当时效温度达到115℃时，铝合金的硬度会达到峰值。通过分析一级时效时间给铝合金硬度带来的影响可以发现，预时效时间的增加，会使二级时效后铝合金的硬度呈现出先上升后降低的趋势。一级时效下，热处理工艺的最佳温度为115℃左右，变动幅度在5℃以内，而热处理时间应以5h～6h为宜。二级时效下，热处理工艺的最佳温度为175℃左右，变动幅度在5℃以内，热处理时间应以14h～16h为宜。采用上述双级时效工艺的最佳参数，经测试后，铝合金试样在抗拉、屈服、伸长率等力学性能指标上的测试值分别是663MPa、560MPa以及13.6%。

通过对双级时效后的铝合金试样利用扫描电镜来进行测试，可以发现其时效析出相的聚集现象比较严重，而且晶界无析出带也较宽，究其原因在于铝合金试样在进行高温预析出固溶处理时，造成其η'相与η相发生粗化和尺寸增加，进而使析出相的间距变得更大、更均匀。由此可以了解到，通过高温预析出固溶处理，能够进一步增加晶界的优先析出倾向，进而使晶界的析出相结构发生变化，使后续时效中晶界析出相呈现出明显的不连续分布状态，同时通过对双级时效的工艺参数进行合理调整，能够有效确保铝合金具有高韧性与高强度等力学性能，并可使其抗应力腐蚀性能得到显著改善。

3 结语

综上所述，本文深入研究了热处理工艺对铝合金力学性能的作用机制，从而明确了热处理工艺下铝合金在力学性能上的变化趋势，当固溶温度达到470℃、固溶时间为1h时，会使铝合金的硬度、强度以及伸长率等力学性能保持在一个最佳的水平，通过对固溶后的铝合金进行350℃+1h的缓冷与水淬处理，可显著改善铝合金在后续时效下的抗腐蚀性能。在此基础上，还确定了双级时效的最佳工艺参数，即（115±5）℃×(5～6)h+(175±5)℃×(14～16)h，在此工艺参数下，能够使铝合金获得最佳的力学性能表现。