热处理工艺对7003铝合金组织性能影响研究

2022-03-23 12:33丁浩DINGHao剡苏荣YANSurong刘雄LIUXiong王向东WANGXiangdong
内燃机与配件 2022年6期

0 引言

7003 铝合金属于可热处理强化的铝合金,具有高的比强度和比刚度、良好的挤压性及可焊性,现已广泛应用于航空航天、轨道交通等领域

。随着轨道交通事业的不断发展,高速、轻量、安全成为重要的发展方向,因而对于材料的使用性能提出了更高的要求。由于Al-Zn-Mg合金自然时效速度低,长时间内很难达到稳定状态,为了满足较高的强度、优异的耐蚀性能的要求,需要采用人工时效的方式来进行合金性能的改善。研究表明:Al-Zn-Mg铝合金采用单级时效处理,虽然能得到较高的强度,但是抗应力腐蚀性能不佳;而采用单级过时效处理时,抗应力腐蚀性能得到大幅度提高,但强度却有所下降

。因而,本文探究不同热处理工艺对于7003铝合金材料组织、力学性能和耐蚀性能的影响,进而获得优质的铝合金材料。

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1 试验材料和研究方法

1.1 试验材料

本文所用的材料为5mm厚的7003铝合金挤压型材,其化学成分如表1所示,该合金的力学性能标准要求见表2所示。

1.2 热处理试验方案

1.2.1 固溶处理

固溶处理主要工艺参数为固溶温度和时间,本文中固溶时间恒定为1h,而改变固溶温度,分别选择450℃、470℃、490℃用作固溶处理的输入变量,加热后立即在25℃水中进行淬火处理,随后进行时效处理,采用双级时效制度为105℃/8h+155℃/6h进行时效后

,进行不同固溶温度下的组织性能检测分析。

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1.2.2 时效处理

经固溶处理后,选用不同的时效处理制度对7003铝合金型材进行人工时效处理。本文通过设计正交试验探究最佳的时效热处理制度,研究不同时效制度下7003铝合金型材组织及性能变化规律。

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1.3 试验研究方法

1.3.1 微观组织

2.3.1 微观组织

1.3.2 力学性能

固溶处理对合金室温拉伸性能影响如图4所示,可以看出,随固溶温度的升高,拉伸性能呈现先增加后降低的变化,在470℃时抗拉强度、屈服强度均达到最大值,分别为343MPa、298MPa。而伸长率则随固溶温度的升高逐步降低,在490℃时最小,最小值为10.1%。这主要与该铝合金在较高温度下的再结晶行为有关,随着固溶温度的升高,合金内的第二相粒子固溶更为充分,在随后的时效后会产生更多的析出相,对合金起到重要的析出强化作用,因此强度会随温度升高而增加;然而继续升高温度,合金发生再结晶的程度增大,组织中出现较多且晶粒较大的再结晶组织,降低了合金的性能。

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1.3.3 耐蚀性能

电导率测试参考GB/T 6892-2015执行,测量前先采用标准块对电导率进行校准,铝合金型材测量位置的内表面、外表面均需测试,单位Ms/m,换算成国际标准退火铜(%IACS):1Ms/m=1.724%IACS。应力腐蚀试验按照GB/T15970.7-2000执行,试验环境为25℃空气以及3.5%的中性NaCl溶液。借助MFDL-100型慢应变速率应力腐蚀试验机进行应力腐蚀试验,并计算应力腐蚀敏感性指数(ISSRT)。(图2)

2 结果与分析

2.1 固溶处理

2.1.1 微观组织

图3为经不同固溶温度处理后的型材组织,可以看出随固溶的温度的增加,型材挤压“流线”组织特征逐渐模糊了,但均未出现较大的再结晶组织,表明所选择的固溶温度对于该合金组织影响较小。这可能与7系铝合金的再结晶行为有关

,通常认为当固溶温度超过450℃时,合金会发生再结晶,经时效后获得细小的晶粒;随着温度的升高,组织中的部分晶粒开始出现二次再结晶,晶界粗化,进而改变原有细晶组织,使得挤压“流线”特征模糊。

2.1.2 室温拉伸性能

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室温拉伸试验参考ISO 6892-1执行,拉伸试验在DDL100电子万能材料试验机上进行,拉伸速率为2mm/min。(图1)

2.2.1 正交试验

2.2 双级时效处理

从固溶处理的结果中可以得知,选择470℃的固溶温度时,7003铝合金型材具有较高的强度。因此在研究不同双级时效制度对于合金的组织性能影响时,固溶处理温度(470℃)保持恒定。

图5为不同固溶温度处理后试样的拉伸断口形貌。可以看到断口上均布满等轴状韧窝,为典型的韧性断裂特征。在450℃的断口中韧窝的数量较多,深度较大且形状更接近等轴状,说明其塑性比之后温度稍高的固溶处理更好。同时在韧窝中可以清晰的看到第二相粒子的存在。随着固溶温度的提高,第二相粒子的数量呈减少的趋势,说明高温固溶时,合金内第二相粒子粗化比较严重,从而影响合金的综合力学性能。

为了测定不同的双级时效制度对合金性能的影响,合金双级时效的主要实验参数为:预时效温度A(105、120℃)、预时效时间B(4、6、8h)、终时效温度C(145、155、165℃)和终时效时间D(6、8、10h)。故此实验采用正交实验来设计实验方案,然后对实验结果进行极差分析得出最佳的双级时效处理制度。从表3结果中可以看出,实验经2、3两个实验点双级时效后合金具有更高的电导率。

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2.2.2极差分析

极差结果分析如表4所示,在试验取值范围内,采用双级时效对合金电导率影响最大的为终时效温度(C)其次是预时效温度(A)和预时效时间(B),终时效时间(D)影响最小。同时,合金最优的双级时效制度就是合金相应的性能取得最佳值时所对应的各个双级时效的参数,故选择A1B3C2D1,即双级时效制度为先进行105℃/8h的预时效,随后再进行155℃/6h的终时效。

2.3 时效制度对比分析

通过正交试验获得7003铝合金型材最佳双级时效制度,并对比分析工业生产常用的单级时效制度(120℃/24h)下的铝合金组织及性能差异。

不同热处理条件下的金相试样经机械研磨并抛光后,采用Keller腐蚀试剂(1.0mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO

+95mL H

O)进行腐蚀,然后在ZEISSObserver.Z1m金相显微镜进行组织观察。采用离子减薄法制备透射试样,然后置入JEOL-2100透射电子显微镜中,对析出相的形态、分布进行观察。

图6(a)为合金经120℃/24h单级时效处理后的TEM组织,此时合金晶内析出大量的弥散析出相,为G.P区和少量的η′(MgZn

)相,晶界析出为连续状态的η′(MgZn

)相;图6(b)为合金经过105℃8h+155℃/6h双级时效处理后的TEM组织,晶内的析出相出现了长大并发生了粗化。晶界处析出相多为链状的平衡态η(MgZn

)相,也出现了少量的块状η平衡相,晶界析出相不连续。主要是由于双级时效使得合金的晶内和晶界析出相具有明显的长大和粗化特征,晶界析出相的分布变得更加离散。

2.3.2 力学性能

图7为7003铝合金单级时效(120℃/24h)与双级时效(105℃/8h+155℃/6h)的性能对比。与单级时效相比,双级时效处理的合金的硬度从132HV降低到118HV。合金的抗拉强度从362MPa降低到343MPa。但是电导率从30.1%IACS提高到34.2%IACS,一般情况下,电导率与合金抗应力腐蚀性能呈正比关系,表明合金通过双级时效处理在满足力学性能基础上,能够显著提高耐腐蚀性能。

2.3.3 应力腐蚀

图8为不同时效热处理的试样在腐蚀溶液中慢应变速率拉伸曲线。可以看出,双级时效处理的合金在腐蚀溶液中断裂强度为295MPa左右,对应断裂时的应变为14.7%;而单级时效处理的合金在腐蚀溶液中断裂强度为280MPa左右,应变为8.5%。通过计算两种时效制度的应力腐蚀敏感指数(ISSRT%)

,单级时效(120℃/24h)合金的ISSRT为27.2%,双级时效(105℃/8h+155℃/6h)合金的ISSRT为15.8%,表明双级时效能够提高该类合金的抗应力腐蚀性能。这主要是由于双级时效处理后晶界析出相不连续,可以降低晶界析出相与基体的电位差,从而降低腐蚀驱动力,在晶界处形成腐蚀坑的难度增大,降低了应力集中,从而提高了合金的抗应力腐蚀性能。

师:同学们大致浏览了一下这首诗,那有没有一个初步的感受了呢?下面请同学们再细心朗读这首诗,咀嚼它带来的美。

3 结论

①7003铝合金型材随固溶温度的增加,力学性能呈现先增加后减少,470℃时具有最高的抗拉强度和屈服强度,分别为343MPa和298MPa。

②通过正交试验得出7003铝合金型材热处理过程中,影响因素的优先顺序为:终时效温度>预时效温度>预时效时间>终时效时间。优化后的热处理工艺为470℃固溶处理后水淬,人工双级时效(105℃/8h+155℃/6h)热处理后,晶粒细小且第二相弥散分布,合金具有较高的强度和抗腐蚀性能。

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