过烧对7003铝合金组织与性能的影响

　　LAFT48轻　合　金　加　工　技　术2009,Vol.37,№2

　　陈小明,宋仁国,张　宇,李　杰

　　(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,浙江杭州310014)

　　摘要:采用显微硬度计、电子拉伸试验机、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等手段,对7003铝合金过烧前后的组织和性能进行了研究。结果表明,随着温度的提高过烧程度不断加重,合金的力学性能也随之不断下降。且当温度达到763K后,合金性能开始大幅度下降。过烧使合金组织产生复熔结构,弱化晶界,从而使合金断口由“穿晶断口”向“沿晶断口”的形貌转变。

　　关键词:7003铝合金;过烧;第二相;显微组织;性能

　　中图分类号:TG146121文献标识码:A文章编号:1007-7235(2009)02-0048-05

　　Effectsofoverfireonmicrostructureandpropertiesof7003aluminumalloy

　　CHENXiao2ming,SONGRen2guoYu,LIJie

　　(KeyLaboratoryofMechanicalManufactureandZhejiangUniversityofT,Abstract:Inordertofindtheruleofofandpropertiesof7003alloys,themicrostruc2tureandpropertiesofoverfirehavebeeninvestigatedbymeansofmicrohardnesstester,elec2tronictensile,microscopy(SEM),opticalmicroscope(OM)andenergydispersiveX2rayspectrometer(EDS).Itπsshowedaging,theoverfirelevelof7003aluminumalloyraisedwhilethepropertiesfelldownwithincreasingtheburnttemperature;whenburnttemperaturewasover763K,http://www.wendangwang.compound2meltingstructureappeared(namelyburntstructure)in7003alloysandthenavianizedgrain

　　boundary,henceresultedinthetransitionoffracturesurfaces:transcrystallinefracture—intercrystallinefracture.

　　Keywords:7003alloys;overfire;secondphase;microstructure;properties

　　7系铝合金是一种可热处理强化的合金。

　　它具有良好的塑性加工性能、力学性能、耐蚀性和焊

　　接性能。因此在航空航天工业、车辆、建筑、桥梁、工

　　兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应

　　用[1-4]液相线温度接近时,固溶处理比较困难,尤其是对于尺寸较大的零件,稍有不慎就会引起过烧,即使是轻微的、局部的过烧,产品也要报废。因此判断过烧组织形态,研究过烧对合金性能影响的基本规律十分必要。但至今很少有文献对此进行系统报

　　道[1-18]。一直以来,为了提高合金的各种性能,人们

　　[5-18]在7系铝合金的固溶、时效处理以及常规力学性能方面做了大量的工作。固溶处理的目的就

　　是使Zn、Mg、Fe或Si这类硬化溶质溶入铝合金基体

　　中,以获得高浓度的过饱和固溶体,从而使合金在时

　　效过程中析出更多、更均匀、更细小的第二相,以达

　　到对合金基体强化的目的[4],本文研究了7003铝合金的过烧组织特征及其对合金性能影响规律,旨在为实际的工程检测提供参考。1　试验材料及方法试验用料是美国ALCOA公司加工生产的15mm。然而,当固溶温度和

　　收稿日期:2008-08-30

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(50771093)

　　第一作者简介:陈小明(1983-),男,安徽庐江人,硕士研究生。

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　　厚的7003铝合金板材。其化学成分见表1。合金热处理原始状态T651,其变形量为80%。平均显微硬

　　2

　　度为(HV0.1)108134,Rp0.2=280100NΠmm,Rm=340100NΠmm,A=12%。热处理试样尺寸为15mm10mm10mm,采用空气炉在733K,738K,743

　　2

　　K,748K,753K,758K,763K,768K,773K,778K,783K不同温度下进行70min固溶处理,淬火转移时间

　　在5s以内,水温在283K以下,时效制度为393K

　　50h。

　　表1　7003铝合金的化学成分(质量分数)

　　Zn6.20

　　Mg0.60

　　Cu0.20

　　Zr0.10

　　Ti0.20

　　Mn0.30

　　Cr0.20

　　Fe0.35

　　Si0.30

　　%Al

　　余量

　　拉伸试样严格按照GBΠT1686521997标准执行,-4-1

　　标距为20mm,应变速率为813310s,试样长轴垂直于轧制方向。拉伸试验在日本岛津AG210TA型万能材料试验机上进行的。

　　将截取的试样依次用400、600、800、1000、#

　　1200水磨砂纸预磨后进行机械抛光,用混合酸腐蚀,其成分为:215%HNO3+115%HCl+110%HF+95%H2O,腐蚀时间5s左右。然后在北京万泰机电技术开发公司生产的HMV21T显微硬度及图像分析系统上进行显微组织观察和分析,并测试第二相及基体的显微硬度,测试载荷分别为10g和100g,s在tachiS24700扫描电子显微镜(SE)口形貌,#

　　#

　　#

　　#

　　由表2可以看出,时效前基体的硬度、抗拉强度、屈服强度都随着固溶温度的升高而不断下降;时效后合金的基体的硬度、抗拉强度、屈服强度随着固溶温度的提高先升高后下降,尤其当温度达到763K后,合金的性能出现大幅度下降。时效前合金的伸长率随着温度的提高不断提高;而时效后,合金的伸长率先出现先小幅度下降,,然后又下降,尤763K后,降p0.2R7003铝合金光学。由图可见,743K70min固溶的合金组织未发生过烧,呈现纤维状,晶界较细,晶界上很少有第二相存在,晶粒内部分布着一定量的第二相。而753K70min固溶的合金组织中第二相溶解相对充分,但是组织已经发生了比较明显的回复再结晶,且出现了局部过烧现象(晶界上出现复熔球组织)。尤其当温度达到763K时组织已经出显明显的过烧现象:第二相呈现复熔球状态;晶界明显粗化,且有部分晶界呈现连续复熔结构。

　　2　为了研究过烧温度对7003铝合金的力学性能的影响规律,对多种不同温度固溶处理的试样时效前后的基体的显微硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长率以及第二相的显微硬度进行了测试,结果如表2所示;第二相的平均显微硬度(HV0.01)为1340100。

　　表2　固溶温度对7003铝合金力学性能的影响

　　固溶温度

　　K733738743748753758763768773778783

　　HV

　　(N?RmΠmm-2)

　　(N?Rp0.2Πmm-2)

　　Rp0.2ΠRm

　　AΠ%

　　时效前

　　81.179.578.176.574.573.573.171.069.168.668.0

　　时效前

　　256.11

　　时效前

　　149.01

　　时效后

　　115.1116.2117.2113.2109.0108.1107.4102.297.096.589.1

　　时效后

　　336.21

　　时效后

　　279.01

　　时效前

　　0.582

　　时效后

　　0.830

　　时效前

　　23.29

　　时效后

　　16.51

　　252.00345.86146.10291.540.5790.84424.0115.22

　　246.59336.85142.03280.410.5770.83124.7116.01

　　242.51334.21139.06277.450.5720.82925.3117.25

　　230.12295.12129.14256.590.5610.87125.6811.2

　　210.02263.51108.29236.180.5140.89426.009.21

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　　图2所示的是不同热处理状态下7003铝合金组织中的第二相形态及其过烧组织形貌。由图可见,未过烧组织中的第二相,呈现条状或短棒状,结构边界均较完整清晰(见图2a);而发生过烧后组织中的第二相呈现复熔状,结构边界不完整(见图2b、c);温度达到763K时,过烧现象比较明显,晶界明显粗化,部分晶界呈现连续复熔结构(见图2d)。这些与光学

　　显微镜的观察结果一致。

　　图3为不同热处理状态下合金的拉伸断口形貌的SEM照片。由图可见,没有发生过烧的拉伸断口形貌为“穿晶断口”,图3a所示;图3b所示的断口为

　　[19]

　　“韧窝断裂”断口。这两种断口均为“穿晶断口”;出现过烧的断口形貌为非常典型的“沿晶断口”,图

　　[19-20]

　　3c所示,呈现“冰糖状”。

　　图1　7003()7003铝合金的组织(SEM)

　　图3　7003铝合金拉伸断口SEM照片

　　在扫描电镜下对7003铝合金中的第二相和过烧组织进行了能谱分析,分析结果如表3所示。由

　　表3可见,正常组织中的第二相主要是由Al、Zn、Mg、Fe、Si等元素组成的富Fe相,且时效后组织中第二

　　相中的Fe、Si含量降低,且未发现Mn、Cr元素。过烧组织中的第二相有大量的O元素存在,未发现Mn、

　　Cr、Fe、Si等元素。

　　表3　7003铝合金中粗大第二相和过烧组织的能谱分析

　　分析点

　　A(时效前)B(时效前)C(时效前)D(时效后)E(时效后)F(过烧结构)G(过烧结构)H()

　　Zn2.181.841.432.182.111.412.080.81

　　Mg0.380.791.110.672.850.780.790.89

　　Mn0.430.360.52

　　Cr0.16

　　Fe3.

　　973.326.971.771.77

　　Si1.791.192.640.580.66

　　O

　　Al

　　34.5010.7016.34

　　余量余量余量余量余量余量余量

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　　3　讨　论

　　影响固溶处理的主要因素有温度、保温时间和淬火的转移速度,其中温度的影响最为明显。在一定的范围内提高温度可以增加溶质原子在合金基体中的固溶度,从而提高合金的固溶效果。但是温度的提高也有负面的作用:温度的提高会导致回复再结晶和晶粒长大,从而使合金时效后基体相对软化;另外,当温度高于合金共晶点的温度,温度的提高则会导致组织过烧,会严重影响合金时效的组织与性能。由表1可知,固溶温度低于743K的情况下,合金的性能随着温度的提高而提高,原因是温度的升高使固溶效果增强了,从而使组织在时效后沉淀出更多、更细小的第二相,实现了对合金组织更好的强化;而当固溶温度高于743K后,合金的性能则开始缓慢下降,这是因为组织发生了比较明显的回复再结晶以及晶粒长大现象;尤其是当温度达到753K后组织中还出现比较明显的过烧现象,这些因素共同促使了合金时效后的性能降低。而当温度达到763K后合金的力学性能出现大幅度的下降,7003[4]

　　烧比较敏感度,(第二相复熔球、晶界复熔结构),如图1所示,当过烧温度较低时,有明显回复再结晶,晶界处有第二相析出;随过烧温度升高,晶界明显加粗且变形严重,这时晶界和晶粒都析出第

　　二相,且第二相数量明显增多;随着温度继续升高,导致组织过烧严重,第二相数量急剧增多,出现大量复熔球且晶界呈现连续复熔结构。这是由于晶界处能量较高,当过烧温度较低时,低熔点化合物容易在晶界处富集形成小的复熔球团(见图1b)。而随着温度继续升高,不仅晶界处获得能量继续产生复熔结构,晶粒内部也获得了足够的能量,也开始出现复熔球(见图1c)。当过烧温度达到一定界面能条件时,过烧明显加重,晶界被严重弱化,部分晶界呈现连续复熔结构(见图1d),因此,合金性能急剧下降(见表1)。过烧前后,合金拉伸断口形貌分别呈现“穿晶断口”和“沿晶断口”。这是由于未过烧时,晶界强度高

　　(见于晶粒本身强度,所以断裂形貌是“穿晶断口”

　　图3a及图3b);而过烧后,晶界粗化,甚至产生复熔结构,这样就弱化了晶界,使合金晶界强度低于晶粒内部强度,所以过烧后合金的拉伸断口裂形貌呈现“沿晶断口”。

　　4(748K后,随着固溶处理温

　　,7003铝合金过烧程度不断加重,力学性能也随之下降,且当温度达到763K时,合金的力学性能开始大幅度下降。

　　(2)组织过烧后,第二相呈现“复熔球”状,晶界被弱化了且呈现“复熔结构”。

　　(3)过烧前后,7003合金拉伸断口形貌分别呈现“穿晶断口”和“沿晶断口”。

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