（材料加工工程专业论文）固溶和淬火工艺对7050铝合金厚板断裂韧性的影响.pdf

原创性声明 i l l ijir l l l lr 1 l li l j l l l li i i l l i l l i ji ij y 2 19 5 7 9 3 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：( 豳筮亍 日期：加f 磐臼z 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名而盏卞师签名： 镑彤期：加f2 年f 月易日 中南大学硕士学位论文 摘要 7 x x x 系铝合金厚板被广泛地应用于航空航天工业，其中7 0 5 0 铝合金由于淬火敏感性较低、韧性好、抗疲劳性能好、抗腐蚀性能好 等高的综合性能，被大量地应用于制备厚板和大型锻件。近年来，随 着航空工业的飞速发展，对具备优良性能的大规格结构件有迫切的需 求；曲于国内在厚板研究和生产工艺方面起步较晚，与国际相比存在 较大差距，为此如何获得高综合性能的7 0 5 0 铝合金厚板已经成为亟 待解决的一个重大课题。本文以1 6 0 m m 厚的7 0 5 0 铝合金厚板为研究 对象，系统地研究了固溶制度以及淬火工艺对该合金组织和性能的影 响；并通过常温拉伸性能和断裂韧性的测试以及借助金相显微镜、扫 描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、差示量热分析( d s c ) 等手段进行较为 深入的分析。通过这些研究，获得了如下的一些结论： ( 1 ) 最佳的单级固溶制度为4 7 3 2 5 h 。固溶时间一定时，随着 单级固溶温度的增加，粗大第二相逐渐溶解而再结晶分数则逐渐增 大，合金的强度和断裂韧性都先增大后减小；固溶温度一定时，随单 级固溶时间的增加，粗大第二相先减少而后趋于不变而再结晶分数一 直增大，合金最优化的单级固溶时问为2 5 h o ( 2 ) 多级逐步升温固溶有利于延长固溶过程中的回复阶段，抑制 再结晶过程，能使固溶极限温度超过多相共晶温度而不过烧，增加粗 大第二相的固溶程度；最优化的多级升温固溶制度为j ( 2 0 0 ，l l h ) + ( 随炉升温l h ) + ( 3 0 0 。c ，ll h ) + ( 随炉升温l h ) + ( 4 0 0 。c ，5 h ) + ( 随炉升温 1 h 计( 4 5 0 ，4 h ) + ( 随炉升温1 h ) + ( 4 9 3 ，2 5 h ) ，此时合金的k i c 为3 7 4m p a m u 2 ，屈服强度t y o 2 为5 0 0 6 m p a , 抗拉强度o b 为5 3 4 m p a 。 ( 3 ) 淬火介质( 冷却速率) 与该合金强度和断裂韧性的关系式其 分别为( q t 代表为淬火冷却速率) ： 1 s 0 2 = 4 4 5 + 7 2 1 n ( q t ) 吼= 4 7 1 + 7 1l n ( q t ) k i c = 2 9 3 + o 8 i n ( q t ) 淬火速率低时( 如空气淬火) ，在淬火时合金在晶界和a 1 3 劢粒子等 处析出粗大的t 1 平衡相，降低了固溶体中的溶质原子削弱了时效强化 中南大学硕士学位论文 摘要 效果，同时会使得晶界时效相变得粗大，无沉淀析出带( p f z ) 宽化， 断裂韧性降低。 ( 4 ) 揭示了淬火转移时间对该合金组织和性能的影响。当淬火转 移时间9 0 s 时，对该合金的影响较小。随着淬火转移时间的继续增 加，晶界析出相变粗，无沉淀析出带( p f z ) 加宽，合金拉伸时沿晶 断裂增加，断裂韧性降低；晶内析出相也相应粗化，时效强化析出相 减少，合金的强度降低。 关键词：7 0 5 0 铝合金厚板，固溶，淬火工艺，力学性能，断裂韧性，显微 组织 中南大学硕士学位论文a b s l r a c t a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o y7 x x xh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ea n d a e r o n a u t i c si n d u s t r y a l u m i n u ma l l o y7 0 50h a sac o m b i n a t i o no fl o w s q u e n c hs e n s i t i v i t y , h i g h f r a c t u r e t o u g h n e s s ，h i g hf a t i g u ea n ds t r e s s c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，f o rt h i c kp l a t ea n dh e a v yc a s t i n g s i nr e c e n ty e a r s ， r a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r yh a su r g e n t l yd e m a n d e dt h e l a r g e s t r u c t u r eo fc o m p o n e n t so fh i g hp r o f o r m a n c e h o w e v e rt h e a l u m i n u ma l l o y7 0 50t h i c kp l a t e sa r eb e h i n dt ot h es a m ep r o d u c t sa b r o a d ， b e c a u s eo ft h er e s e a r c ho fa l u m i n u ma l l o y7 0 5 0t h i c kp l a t ew a st o ol a t e f o c u s e do nt h ee x c e l l e n tc o m b i n e dp r o p e r t i e so ft h i sa l l o y , t h ei n f l u e n c e o fs o l u t i o nt r e a t m e n ta n dq u e n c h i n gw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f a m b i e n tt e m p e r a t u r et e n s i l et e s t i n g ，f r a c t u r et o u g h n e s st e s t i n g ，o p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s o c o p y ( t e m ) a n dd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p t i m a ls i n g l e s t a g es o l u t i o ni s4 7 3 。c 2 5 h w h e ns o l u t i o n t i m ei st h es a m e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fs i n g l e - s t a g es o l u t i o nt e m p e r a t u r e ， t h ev o l u m ef r a c i o no ft h e r e s i d u a lp h a s ed e c r e a s e s ，w h i l et h ev o l u m e f r a c i o no ft h er e c r y s t a l l i z e dg r a i n si n c r e a s e t h u s ，t h es t r e n g t ha n d f r a c t u r et o u g h n e s so ft h es i n g l e s t a g es o l u t i o nt r e a t e ds a m p l e si n c r e a s e f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e w h e ns o l u t i o nt e m p e r a t u r ei st h es a m e ，w i t ht h e i n c r e a s i n g o f s i n g l e - s t a g e s o l u t i o nt i m e ，t h ev o l u m ef r a c i o no ft h e r e s i d u a lp h a s ed e c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nk e e pi n v a r i a n t ，w h i l et h ev o l u m e f r a c i o no ft h e r e c r y s t a l l i z e dg r a i n si n c r e a s e t h u s ，t h eo p t i m a l s i n g l e - s t a g es o l u t i o nt i m ei s2 5 h ( 2 ) t h er e c o v e r yi sp r o l o n g e dt h e nt h er a c r y s t a l l i z a t i o ni s ：i n h i b i t e d w h e nt h es a m p l e sa r eh e l db ys t a g e s o l u t i o nt r e a t m e n t m o r e o v e gt h e r e s i d u a lp h a s eo fs t a g eb ys t a g e e n h a n c e ds o l u t i o n - t r e a t e ds a m p l e si s m u c hl e s st h a nt h a ti nt h es i n g l e s t a g es o l u t i o n - t r e a t e ds a m p l e s ，b e c a u s e i t ss o l u t i o nt e m p e r a t u r ec a nb e y o n dt h em u l t i p h a s ee u t e c i ct e m p e r a t u r e t h eo p t i m a ls t a g eb ys t a g ee n h a n c e ds o l u t i o ni s ( 2 0 0 。c ，11h ) + ( 1 h i n f u r n a c e ) + ( 30 0 。c ，llh ) + ( 1 h i nf u r n a c e ) + ( 4 0 0 。c ，5 h ) + ( 1h i nf u r n a c e ) + i i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 4 5 0 0 c ，4 h ) + ( 1 h i nf u r n a c e ) + ( 4 9 3 ，2 5 h ) t h et e n s i l es t r e n g t h ( 6 0 2 ) ，y i e l ds t r e n g t h ( 哪) a n df r a c t u r et o u g h n e s s ( k i c ) a r e5 0 0 6 m p aa n d 5 3 4 o m p aa n d3 7 4 m p a m l 2 r e s p e c t i v e l y 。 ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i po ft h es t r e n g t h ，f r a c t u r et o u g h n e s s ( k i c ) a n d q u e n c h i n gm e d i u m ( c o o l i n gr a t e ) a r e ：g 0 2 = 4 4 5 + 7 2 1 n ( q t ) ；g b = 4 71 + 7 1l n ( q t ) ；k i c = 2 9 3 + o 8 1 n ( q t ) ，w h e r et h eq ti st h ec o o l i n gr a t e d u r i n gt h es l o wq u e n c hc o o l i n gr a t e ( s u c ha sq u e n c h i n gi na i r ) ，m a n y c o a r s ee q u i l i b r i u mt 1 p h a s e sw i l lp r e c i p i t a t ep r i m a r i l yo nt h ei n c o h e r e n t a 1 3 z rd i s p e r s o i d sa n da th i g ha n g l eg r a i nb o u n d a r i e s ，w h i c hd e p l e t e st h e s o l u t e si nt h em a t r i xa n dr e d u c e d h a r d e n i n gp r e c i p i t a t e sd u r i n g s u b s e q u e n ta g i n g w i t ht h ee q u i l i b r i u mt 1p h a s e sa th i g ha n g l eg r a i n b o u n d a r i e sb e c a m ec o a r s ea n dp f zb e c a m eb r o a d e n i n g ，t h ef r a c t u r e t o u g h n e s s ( k i c ) o f a l u m i n u ma l l o y7 0 5 0t h i c kp l a t ed e c l e a s e d ( 4 ) t h e i n f l u e n c eo ft h e q u e n c h t r a n s f e rt i m ea st ot h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sw a s i n v e s t i g a t e d m e nt h eq u e n c h t r a n s f e rt i m ew a sl e s st h a n30s e c o n d ，t h em i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e s o fa l u m i n u ma l l o y7 0 5 0t h i c kp l a t ew e r es t a b l e w i t hq u e n c ht r a n s f e r t i m ew a sm o r et h a n3 0s e c o n d s ，t h ee q u i l i b r i u m1 1 p h a s e sa th i g ha n g l e g r a i nb o u n d a r i e sb e c a m ec o a r s e rq u i c k l y , t h ep f zb e c a m eb r o a d e n i n g a n dt h ep h a s e so nt h eg r a i n sb e c a m ec o a r s e rq u i c k l yt o o ，t h et e n s i l e s t r e n g t h ( g o 2 ) ，y i e l ds t r e n g t h ( 吼) a n df r a c t u r et o u g h n e s s ( k i c ) d e c r e a s e d f a s t l y k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y7 0 5 0t h i c k p l a t e ，s o l u t i o nt r e a t m e n t ，q u e n c h ， f r a c t u r et o u g h n e s s ，m e c h a n i c a l i v 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 1 第一章文献综述i 1 1 7 0 5 0 铝合金厚板的发展现状1 1 2 7 0 5 0 铝合金的相组成和时效脱溶序列3 1 3 7 x x x 系铝合金的热处理工艺5 1 3 1固溶处理5 1 3 2 淬火工艺7 1 4预拉伸工艺9 1 5时效工艺10 1 5 1单级时效1 0 1 5 2 双极时效1 0 1 5 3 、三级时效工艺( r r a ) 1 1 。1 5 4 t 6 1 4 t 6 1 6 时效处理1 1 1 6断裂韧性及其影响因素1 2 ，1 6 1 断裂韧性的表征1 2 1 6 2 铝合金断裂的基本方式13 1 6 3 影响合金断裂韧性的因素1 4 1 6 4 晶界和晶内沉淀相的影响1 5 1 7本文研究的目的、意义和主要内容1 6 第二章 实验研究方法一1 8 2 1 实验材料18 2 2实验方案18 2 3组织分析1 9 2 3 1 d s c 分秒i 1 9 2 3 2 金相组织分析2 0 2 3 3 扫描电镜( s e m ) 观察2 0 2 3 4 透射电镜( t e m ) 组织分析2 0 2 4 性能测试与分析2 1 2 4 1 室温拉伸性能2 1 2 4 2 断裂韧性2 1 中南大学硕士学位论文目录 2 5实验中使用的仪器和设备2 3 第三章固溶处理对7 0 5 0 铝合金厚板组织和性能的影响2 4 3 1 热轧板材初始态d s c 和s e m 分析2 4 3 2单级固溶处理对7 0 5 0 铝合金厚板组织和性能的影响2 5 3 2 1 经不同温度单级固溶后板材的组织和性能2 6 3 2 2 经不同单级固溶时间固溶后板材的组织和性能2 9 3 3多级升温固溶处理对7 0 5 0 铝合金厚板组织和性能的影响3 2 3 3 1多级升温固溶处理后板材中粗大第二相的分布3 3 3 3 2 多级升温固溶处理后板材中再结晶组织变化3 5 3 3 3 经不同多级升温固溶处理后板材的强度和断裂韧性3 6 3 4 不同固溶制度处理后的7 0 5 0 铝合金断口扫描图3 7 3 5 分析与讨论4 0 3 6 本章小结4 2 第四章淬火工艺对7 0 5 0 铝合金厚板强度和断裂韧性的影响4 3 4 1 实验过程和方法4 3 4 2 淬火介质对7 0 5 0 铝合金强度和断裂韧性的影响。 4 4 4 2 1强度和断裂韧性随淬火冷却速率的变化：4 5 4 2 。2 不同淬火速率工艺处理后合金的透射组织。一4 7 4 2 2 不同淬火速率工艺处理后合金的断口形貌4 9 4 3 淬火转移时间对7 0 5 0 铝合金强度和断裂韧性的影响5 0 4 3 2 不同淬火转移时间处理后合金的透射组织5 1 4 3 3 不同淬火转移时间处理后合金的断口形貌5 2 4 4 分析与讨论5 3 4 5 本章小节5 5 第五章结论5 6 参考文献5 7 致 谢一6 5 攻读硕士学位期间主要的研究成果j 6 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 超高强7 x x x ( a 1 - z n - m g - c u ) 系合金由于其高强、低成本、耐腐蚀和易加工 成形等优点，已大力地应用于航空航天领域，其中7 0 5 0 铝合金由于淬火敏感性 较低j 已成功地应用于制备厚板和大型锻件【l 3 l 。随着现代工业的发展，对高强 高韧铝合金的要求逐步提高；断裂韧性、强度、抗腐蚀性能、抗疲劳性能并列为 衡量高强度铝合金是否具备高综合性能的4 项指标【4 5 】。这一章主要从7 0 5 0 铝 合金厚板的研究现状和面临的挑战、7 0 5 0 铝合金的热处理工艺、国内外关于7 0 5 0 铝合金断裂韧性的研究现状等方面加以阐释。 1 - 17 0 5 0 铝合金厚板的发展现状 7 x x x ( a i z n m g c u ) 系铝合金为时效强化型铝合金，在现有铝合金系列中， 其时效强化效果最大，因此备受到人们重视。二十世纪初，德国科学家w s a n d e r 等人研究发现a 1 z n - m g 系合金具有很高的时效强化效果【2 1 ，在这基础上，发展 出了后来的7 x x x 系铝合金。由于该系铝合金对飞机的制造和发展具有非常重 要的作用，世界各地的学者对其进行深入的研究【6 】。 2 0 世纪7 0 年代，美国a l c o a 公司用z r 元素代替7 0 7 5 合金中的元素c r ，降 低了f e 、s i 杂质元素含量，并调整z n m g 元素比，开发出了7 0 5 0 铝合金，并 已在波音7 5 7 、7 6 7 客机制各中应用。通过大量的实验和工程应用检验，研究人 员发现7 0 5 0 铝合金比7 0 7 5 铝合金具有更好的韧性和抗腐蚀性能以及较低的淬火 敏感性，更适合用于生产厚截面的大型结构件，例如飞机机身框架、隔框架、托 架、加强筋【7 】如图( 1 1 ) 所示等。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图卜17 0 5 0 铝合金制飞机部件m ( a ) 前起落架舱侧壁梁；( b ) 前起落架舱横梁；( c ) 风挡窗框；( d ) 对接肋上缘条 随着世界航空工业的发展以及出于对制造成本的考虑，航空工业大力采用整 体结构件来代替由大量模锻件或者挤压件组成的装配件，需大力发展7 0 5 0 铝合 金厚板以满足其需求。 目前，世界各国对铝合金厚板的分类仍没有一致的规定。欧洲将厚度超过 6 m m 的板材定义为厚板；美国将厚板定义为厚度6 3 5 m m 的平直轧制板材；中 国的国标( g b 厂r 8 0 0 5 ) 中对铝合金厚板没有明确的定义。实际上，人们习惯将 板材厚度在4 5 1 0 m m 之间的板材称为中厚板；将厚度在1 0 5 0 m m 之间的板材为 厚板；厚度大于5 0 m m 的板材为超厚板。 生产高综合性能铝合金板材，必须要求有高品质的铝合金铸锭、大型热轧生 产系统、大型预拉伸机械、热处理设备、水浸探伤仪等先进机械设备。 目前，比较成熟的中厚板生产厂商主要分布在一些发达国家，例如美国铝业 公司麦库克( m o c o o k ) 、特兰特伍德( t r e n t w o o d ) 轧制厂；俄罗斯的s m a r a 冶 金厂；加拿大i s s o i r e 铝合金轧制厂已及日本神户钢铁公司中的真冈轧制厂等。 国内，目前我国拥有已经投产的中厚板项目有：东北轻合金公司拥有1 条3 9 5 0 m m 热轧机中厚板生产线，西南铝业公司拥有2 8 0 0 m m ( 1 + 1 ) 4 3 0 0 m m 热轧机生产 线；浙江精美铝业拥有1 条3 2 0 0 m m 中厚板生产线。 随着世界航空制造业的快速复苏以及运载工具轻量化要求，航空工业对铝合 金板材的综合性能提出了更高的要求【8 】： ( a ) 板材厚向的诸如强度和韧性等性能必须进一步提高； 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 ( b ) 为了能够制备出适用于大飞机用的板材，铝合金厚板的厚度须增大； ( c ) 尽量消减铝合金厚板中的残余应力，防止在加工使用过程中发生蠕变 形。 针对上述对铝合金板材性能的要求，国内由于铝合金中厚板发展较晚、技术 较为薄弱，生产的铝合金板材与国外的同类型相比，在一些关键的性能上还存在 较大差距，急需大力发展。 面对世界现代工业和科学技术的发展趋势，国务院在二十世纪七十年代批准 了一系列大飞机研制项目；与此同时，大规格及厚截面高性能铝材( 例如厚为 8 0 3 0 0m m ) 已成为地面运载工具( 如高速列车) 、核反应堆等大型设施的重要 构件材料；所以，铝合金板材在国防工业和航空航天领域扮演着极其重要的角色， 而其需要大量依赖进口，这严重制约着我国的国防和社会的发展。 综上所述，国家国防以及基础工业的发展对高性能铝合金具有迫切的需求， 而国内铝合金工业发展水平相比国际先进水平仍有较大差距，所以必须大力强化 高性能铝合金的研究和创新，来支撑航空航天领域的发展。 1 27 0 5 0 铝合金的固态相组成和时效脱溶序列 7 0 5 0 铝合金属于可时效增强型合金，其含有的主要合金元素为z n 、m g 、 c u ，以及m n 、z r 、c r 、t i 、f e 、s i 等微量元素，相关的成分含量范围如表1 1 所示： 表卜1 7 0 5 0 铝合金的化学元素含量分布范围( 质量分数，) a i z n m g c u 系铝合金是在a l - z n - m g 系三元合金的基础上添加c u 元素发 晨而来。a i - z n m g 系合金相组成十分复杂，如图1 - 2 所示，在3 3 5 保温时，在 三元系的富铝角附近主要可以形成的主要相为m g z n 2 ；相、d 固溶体、a 1 2 z n 3 m 9 3 相等p 1 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图卜2a 1 一z n - m g 三元系合金3 3 5 c 等温界面图1 9 1 对于7 x x x ( a 1 z n m g c u ) 系铝合金，其相组成主要处于，a ( a 1 ) + ( m g z n 2 ) + s ( a 1 2 c u m g ) ，a ( a 1 ) + ( m g z n 2 ) + t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) 或者a ( a 1 ) + ( m g z n 2 ) + t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) + s ( a 1 2 c u m g ) 四相区交界处附近【l o 】，具体能形成的固态相有：a 1 2 c u 、a 1 3 z r 、 a 1 2 z n 3 m 9 3 、m g z n 2 、s ( a 1 2 c u m g ) 、t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) 、a 1 z n m g c u 以及a 1 7 c u 2 f e 等相。 这些相的分布和形状对合金的性能有重要影响，通过改变热加工工艺以改变它们 在合金的形态和分布，能较大地影响合金的组织和性能。 7 0 5 0 铝合金之所以能获得高强度、高韧性，与其经过固溶一淬火一时效后的 析出过程有重大的关系。7 0 5 0 铝合金作为a 1 z n - m g c u 系铝合金，一般地，其 时效脱溶序列为l l 卜1 3 j ： as s s ( 过饱和固溶体) 一g p 区一”7 相一t 1 相，各个阶段具备不同的特点： ( 1 ) as s s ( 过饱和固溶体) ：其是由在高温过程中，合金元素融入基体中 形成。其过饱和程度受材料所处的温度、淬火条件等影响；与此同时，固溶体过 饱和程度的大小又会严重地影响后续的时效析出过程。 ( 2 ) g p 区( 包括g pi 区和g pi i 区) ：g p 区是合金在时效早期时形成的。g p i 区为富含z n 、m g 的原子层，与铝基体( 1 0 0 ) 面相平行，和基体完全共格 1 4 - 1 5 】。 g pi i 区通常在铝合金 l l1 ) 面上形成，而且只会在合金淬火温度高于4 5 0 才能 存在1 6 1 。 ( 3 ) 1 1 亚稳相：t 1 相为过渡相，与基体共格或半共格，呈板条状，六方结构 1 1 7 1 。a 1 z n m g c u 系铝合金表现出的高强度和显著的时效硬化现象，其主要的影 4 响因素是t 1 相，控制t 1 的析出、大小和分布，能获得具备高的综合性能的合金。 ( 4 ) 1 1 平衡相：其与基体界面不共格，和基体问存在9 种不同的取向关系， 具有六方结构【1 8 】。在1 9 0 。c 以上可以转变成具有体心结构的t ( a 1 z n ) 4 9 m 9 3 2 ) 相。较小的1 1 相，根据其析出时位向不同，相应的相形态可以为圆盘状、棒状以 及片状【1 9 】。”相为平衡相对于合金强化效应小，存在晶内和晶界时，其大小、 形态、分布都能严重影响合金的性能。 为了使7 0 5 0 铝合金获得优异的综合性能，必须通过合理的措施调节合金中 固态相和时效析出相。为此，国内外已经成熟应用或正在研究的一系列热处理工 艺，下面将做具体的介绍。 l37 x x x 系铝合金的热处理过程 7 x x x ( a 1 z n m g c u ) 系的热处理过程主要包括：均匀化处理、热变形( 轧制、 挤压等) 、预拉伸、固溶处理、淬火工艺、时效处理等工序。对于7 0 5 0 铝合金热 轧板材而言，其后续热处理过程还有：固溶处理、预拉伸处理、淬火工艺、时效 处理等，通过这些工艺参数的合理调配，调控合金的微观组织( 如再结晶、晶内 晶界析出相、粗大第二相等) 以获得高综合性能的厚板。 1 3 1 固溶处理 固溶处理的原理是将合金加热至一个特定的温度，使合金中的非平衡结晶过 程产生的粗大第二相尽可能地溶解在固溶体中，而后使合金在快于第二相自固溶 体中析出的速度快速冷却，获得高过饱和度为后续的时效热处理过程做准备【2 0 1 。 固溶时，合金组织发生的变化有：合金中第二相逐渐溶解入固溶体中，同时合金 也会发生再结晶行为【2 1 1 ，如图( 1 - 3 ) 所示。 、 主堕奎兰堡主兰垡笙茎一二 一篁二主苎蔓堡垄一 图卜3 固溶过程中铝合金组织演变及第二相溶解示意刚2 1 】 ( a ) 变形态；( b ) 回复；( c ) 部分再结晶；( d ) 完全再结晶 再结晶和基体中残余的粗大第二相对铝合金的断裂韧性都有较大的影响。 f j e l d l y 2 2 1 、潘志军【2 3 】等研究发现未再结晶状态时的铝合金比其处于再结晶时有 更高的断裂韧性；同时，d o r w a r d 2 4 j 等人研究发现再结晶晶粒对提高合金断裂韧 性非常不利。此外，合金中第二相尤其是粗大第二相的溶解，有利于提高时效前 过饱和固溶体的过饱和度。由于粗大第二相在基体中会发展成为微裂纹源，大量 减少这些微裂纹源有利于合金综合性能的提高。陈康华【2 5 1 、刘文辉【2 6 】等研究发 现通过调节固溶工艺减少合金中的粗大第二相，有利于提高合金的断裂韧性。铝 合金固溶时，合金中的第二相和再结晶会同时变化，通过改变固溶工艺统筹第二 相和再结晶向有利于合金的综合性能方向发展，以达到相应的研究和工业应用需 要。 固溶最关键的两个参数为固溶温度和固溶时间【2 7 】。固溶温度较低时，合金 中的元素和第二相得不到充分溶解，从而影响后续的时效效果；同时第二相溶解 不够充分尤其是粗大第二相，会转变为缺陷和微裂纹源从而降低合金的性能；随 着温度的提高合金元素逐渐溶解，同时再结晶程度也随着增大；对于 7 x x x ( a 1 z n m g c u ) 系而言，固溶温度的提升不可能无限制地提高，当温度超过 一定阶段时样品会出现过烧同时再结晶会剧烈增大。文献表明固溶对7 0 5 0 铝合 金有较大的影响，熊先创等【2 8 】研究发现固溶制度对7 0 5 0 铝合金再结晶晶粒、粗 大第二相以及织构都有较大影响，在极力消除可溶性粗大第二相时再结晶分数却 快速增加，这仍需改进；y u n l a id e n g 2 9 1 研究发现采用逐步升温固溶处理能有效 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 地消除7 0 5 0 合金中的可溶性粗大第二相；李杰等【3 0 】该合金最佳的单级固溶为 4 7 0 1 h ；这些研究发现，固溶过程中在提高合金粗大第二相固溶程度的时候， 伴随着合金的再结晶分数的快速增大，这制约了其综合性能的提高，为此，需进 一步研究。 围溶过程制约着固溶体的过饱和度、合金的再结晶程度、晶粒尺寸等，这些 因素都对铝合金最终的强度和断裂韧性产生重大影响【3 1 1 。为此，高强高韧 7 x x x ( a 1 z n m g c u ) 系铝合金经历了从单级固溶一多级固溶一多级复合固溶 3 2 3 5 】 的发展过程。单级固溶采用一个的温度和时间，这种固溶处理方式的限制是合金 的固溶温度有一定限制，当固溶温度超过一定程度时，会产生过烧。多级固溶时 指有两个或者两个以上的固溶时间和温度，采用多级固溶工艺，合金元素能溶解 的更充分而且基体中残余的粗大第二相也会尽量地溶解，在提高过饱和程度的同 时减少微裂纹源。多级复合固溶方式是指在考虑多级固溶温度和固溶时间的同 时，考虑各级固溶处理之间采用的升温速率等方面，通过多级升温固溶处理，合 金能够突破传统的固溶温度上限而不过烧，使得合金元素和粗大第二相固溶更充 分，合金的性能也相应较好。 1 ，3 2 淬火工艺 铝合金淬火是指以快速冷却的方式使亚稳的过饱和固溶体保存下来，为后续 的时效过程析出均匀弥散的沉淀相做准备0 6 1 。一般地，淬火过程中如何获得恰 当的冷却速率是衡量淬火工艺是否适合的最重要标准。如果淬火冷却速率太小， 过饱和固溶体会析出粗大平衡相，以至于在时效过程中造成局部析出不均匀降低 时效的效果。淬火冷却速率也不是越大越好，对于合金特别是中厚板，淬火冷却 速率大时易使样品产生较大应力而开裂。 影响铝合金淬火过程的重要因素是淬火介质和淬火转移时间【3 7 】。淬火介质 对合金性能的影响，目前，已有较多报道：例如李惠中等【3 8 】发现淬火介质对2 5 1 9 铝合金腐蚀性能较大影响；刘胜胆等【3 9 】发现淬火介质对7 0 5 5 铝合金晶界析出行 为具有较大影响。此外，淬火转移时间对合金的性能也能产生影响，相关的报道 有：例如李国峰等【4 0 】发现淬火转移时间能影响7 0 5 5 铝合金晶界晶内析出状态对 从而影响其晶间腐蚀性能。由这些文献可知，淬火介质和淬火转移时间都对合金 的组织和性能产生较大影响，如何控制这些参数是调节合金的淬火效果的关键。 于此同时，关于淬火介质以及淬火转移时间对7 0 5 0 铝合金的影响已有见诸报道， d o r w a r drc 等【4 1 】研究发现合金固溶后采用慢速淬火对a a 7 0 5 0 t 6 态铝合金 的断裂韧性不利；李培跃等【4 2 】研究发现淬火介质能够影响7 0 5 0 铝合金的析出相； 这些研究只是在一个较小的方面研究了其对7 0 5 0 铝合金的影响，并未能较为系 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 统的研究淬火对7 0 5 0 铝合金板材性能尤其是关于这些因素对合金断裂韧性的影 响，即有待做进一步的研究。 由于存在淬火敏感性，铝合金厚板的淬火时表层冷却速率大，由表面向中心 淬火冷却速率逐渐减小，容易造成微观组织的不均匀性分布。刘文军等【4 3 】通过 分级淬火方法获得了7 0 5 0 铝合金的t t p 曲线( 如1 - 4 所示) ，通过这些曲线发 现t t p 曲线的鼻尖温度为3 3 0 c ，在3 3 0 。c 附近，合金中的平衡相析出速率比较 大，容易析出较大的平衡相；曲线中显示，其淬火敏感温度区间为2 4 0 4 3 0 ， 为此在淬火过程中希望在4 3 0 以上时采用较小的冷却速率，在淬火敏感温度区 间加快冷却速率，以减小板材残余应力。 0 n e 。s t e pa g e ： i l lm e a s 删9 5 o f t t v1 9 7 一f i t t e d 9 5 o f h v1 9 7 。一f i t t e d 9 9 5 o f v1 9 7 t w os t a g ea g e ： m a 塔l l 托d 9 5 o f h v1 9 2 o f i t t e d ，9 5 o f h v1 9 2 一f i t t e d ，9 9 ，5 o f h v1 9 2 1 5 宁占厂亩j 爷气， t i m e s 图1 - 47 0 5 0 铝合金的t t p 曲线1 4 3 目前，中厚板生产厂家大都采用辊底式淬火炉进行固溶淬火处理。辊底式淬 火炉生产线主要由五部分组成( 如图卜5 所示) 。铝合金淬火是在设备的高压区 进行，通过喷淋嘴向样品表面喷出淬火水使得样品迅速冷却，喷嘴集管集中布置 在铝板经过的上下表面，可根据厚板的厚度调节喷嘴集管的高度。在冷却之后， 经过低压淬火区，将厚板冷却至出料温度。该设备可进行处理的板材厚度范围为 2 2 0 0m m 。 装料辊道 辊底式炉 组合式高“氐压力冷却区 卸料辊道 曝霉簧孽豢蒸瓣蠢嚣雾氅习 图卜5辊底式淬火工业炉示意图 如 如 如 6 5 4 3 2 p9jn一墨ua巨3工 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4预拉伸工艺 7 x x x ( a i z n - m g - c u ) 铝合金厚板在机械加工时，会引入附加应力即为残余应 力，其会使得板材在后续的塑性加工过程中出现翘曲变形畔】，使得合金性能诸 如屈服极限、疲劳寿命、应力腐蚀等降低，同时由于残余应力的存在会造成板材 局部应力集中从而促使裂纹扩展得更快使得断裂韧性降低。 消除残余应力最常用的方法有【4 5 】：预拉伸、超声波冲击以及热冲击时效等。 预拉伸消除板材内部残余应力的原理为：通过在拉伸机上给于淬火后的铝合金板 材施加一个与残余应力反向的应力，使得板材内部重新建立内部应力平衡即使得 内部非平衡应力得到逐渐释放。 目前，国内外在用预拉伸处理铝合金板材以消除残余应力方面已得到较大应 用【4 9 1 。在国际上，许多先进的铝合金公司( 例如美铝、加铝等) 都具备预拉伸 装置和成熟的技术，并在实际的生产中广泛应用。在国内，研制预拉伸板材是从 2 0 世纪7 0 年代初开始的，经过几十年的发展，技术相对比较成熟的生产线有： 中国铝业西南铝业集团可生产板材厚度在6 - 1 2 0 m m , 宽度为2 5 0 0 m m ，长为 5 0 0 0 1 2 0 0 0 m m 的种类铝合金中厚板材；而东北轻合金有限责任公司目前能生产 厚度在6 5 4 0 m m 之间，宽度在1 0 0 0 1 5 0 0 m m 之间，长度为4 0 0 0 m m 以内的各种 铝合金厚板。 相比较而言，我国生产的预拉伸板材从规模和质量上都比国外同类产品差， 这主要是由于我国的预拉伸板材生产工业起步晚。为了满足我国国防以及航空航 天的需求，发展预拉伸板材已经成为大势所趋；但是对于中厚板在实验室通过