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7003合金双峰时效工艺研究 7003 合金双峰时效工艺研究 3 陈小明 ,宋仁国 ,张  宇 ,何  源 (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 :采用洛氏硬度计、显微硬度计、光学显微镜 (OM) 、拉伸试验机等技术对 7003 铝合金时效行 为、力学性能及组织进行了研究。结果表明 ,7003 合金的硬度及强度都具有时效双峰特征。两个时效峰 的硬度和强度相差不多 ,在较低温度下 ,时效第二峰的强度、硬度、塑性、韧性较高。 关键词 :7003 合金 ;双峰时效 ;组织 ;性能 中图分类号...

7003合金双峰时效工艺研究
7003 合金双峰时效工艺研究 3 陈小明 ,宋仁国 ,张  宇 ,何  源 (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 :采用洛氏硬度计、显微硬度计、光学显微镜 (OM) 、拉伸试验机等技术对 7003 铝合金时效行 为、力学性能及组织进行了研究。结果表明 ,7003 合金的硬度及强度都具有时效双峰特征。两个时效峰 的硬度和强度相差不多 ,在较低温度下 ,时效第二峰的强度、硬度、塑性、韧性较高。 关键词 :7003 合金 ;双峰时效 ;组织 ;性能 中图分类号 : T G 146. 11   文献标志码 :A Study of Double2peak Ageing Technology on 7003 Alloy CH EN Xiaoming ,SON G Renguo ,ZHAN G Yu , H E Yuan ( Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation of Minist ry of Education ,Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310014 ,China) Abstract :In this paper the aging behavior ,mechanical p roperties and microst ructure of 7003 aluminum alloys were stud2 ied by means of Rockwell hardness tester ,microhardness tester ,optical microscope (OM) and tensile testing machine. The result s show that the hardness and st rength properties of 7003 aluminum alloy all have the features of double peaks. Al2 though the hardness and st rength of two peaks are almost equal but when it is at lower temperature ,the st rength ,hardness , plasticity and ductility of the alloy at the second ageing peak are higher than those at the first ageing peak. Key words :7003 alloy ,Double2peak ageing ,Microst ructure ,Properties   热处理可以改变 7000 系铝合金的组织 ,而组织 的变化则会改变合金的性能。为了获得最佳的综合 性能 ,人们对 7000 系铝合金进行了各种热处理工艺 研究[ 126 ] 。如峰值时效 ( T6)处理、双级时效 ( T73) 处 理、三级时效 (回归再时效 ,RRA) ,但这些工艺都有 自身的缺点 ,很大程度上限制了其应用。因此 ,继续 探寻新的热处理工艺十分必要。阎大京[7 ] 等在对 7475 合金时效中发现 ,硬度、强度随着时效时间变 化存在双峰现象 ,把这种经过超长时效且强度、硬度 出现双峰的工艺 ,称为双峰时效工艺。然而 ,这种双 峰现象是否在其他合金中也存在 ,第二峰的出现在 工业应用的是否存在潜在的价值 ,还有待于研究工 作的进一步开展。本文采用洛氏硬度计、显微硬度 计、电子拉伸试验机、光学显微镜等手段对 7003 铝 合金超长时间时效行为、力学性能及组织进行探索 和分析 ,以期为 7000 系铝合金的产业化应用提供新 的参考。 参考文献 [1 ] 费逸伟 ,黄之杰 ,唐卫红 ,等. 颜料对低发射率涂料红外 辐射特性的影响 [J ] . 材料科学与工程 , 2002 ,20 (3) : 4492 452. [2 ] 潘逴 ,赵振声 ,何华辉 ,等. 低红外发射率材料的研究 [J ] . 华中科技大学学报 (自然科学版) ,2003 ,31 (7) : 282301 [3 ] 吴湘伟 ,陈振华 ,黄培云. 制备低团聚掺锑氧化锡超细粉 体的新方法[J ] . 中国粉体技术 ,2005 ,11 (1) : 72101 [4 ] 张志超. 粉体电阻的测量 [J ] . 中国仪器仪表 ,1996 (2) : 21223. [5 ] 粉尘层电阻率测定方法[ S] . GB/ T 16427 ,1996. [6 ] 刘小强 ,杜仕国 ,闫军 ,等. 国内纳米 A TO 导电粉体制备 的研究现状[J ] . 表面技术 ,2005 ,34 (4) : 7. [7 ] 张建荣 ,顾达 ,杨云霞. Sb 掺杂 SnO2 纳米粉体的结晶行 为和电学性能[J ] . 应用化学 ,2002 ,19 (6) : 5522555. [8 ] 陶亮 ,张道礼 ,梁延彬 ,等. 化学共沉淀工艺对 A TO 粉体 粒度的影响[J ] . 压电与声光 ,2007 ,29 (2) : 2072209. [9 ] 秦长勇 ,罗美芳 ,古宏晨 ,等. 制备工艺对 A TO 超细粉体 粒度及其分布的影响[J ] . 现代陶瓷技术 ,2000 (2) : 3. 作者简介 :孙国亮 (19852) ,男 ,硕士 ,主要从事武器装备隐身 技术研究。 收稿日期 :2009 年 7 月 15 日 责任编辑  王亚昆 ·601· 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究  2009 年  第 9 期 1  试验材料及方法 1. 1  材料 试验用料是美国 AL COA 公司加工生产的 7003 铝合金板材。其化学成分见表 1。采用空气炉 进行固溶处理 ,固溶 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 为 743 K ×70 min ,室温水 淬后在 393 K、413 K温度下进行超长时效 ,淬火转 移时间在 5 s 以内。 表 1  7003 合金的化学成分 元素 Zn Mg Zr Ti Mn Cr Fe Si Al 质量分 数 ( %) 6. 20 0160 01 10 01 20 0130 0120 01 35 0130 余量 1. 2  洛氏硬度试验 试样尺寸约为 10 mm ×10 mm ×10 mm ,经过 热处理后 ,用 200~1 200 号砂纸打磨试样表面去除 氧化膜 ,在 HR - 150 型洛氏硬度计上测试其洛氏 硬度 ,测定 5 个值取平均值。 1. 3  拉伸试验 拉伸试样严格按照 GB/ T16865 - 1997 标准执 行 ,标距为 30 mm ,试样长轴垂直于轧制方向。拉 伸试验在日本岛津 A G - 10 TA 型万能材料试验机 上进行 ,测定 3 个试样取平均值。试验前用 200~ 1 200号砂纸将试样表面磨光除去氧化膜。 1. 4  显微硬度及组织观察 将 393 K 温度下时效的欠时效 (16 h) 、峰时效 (50 h) 、过时效 (90 h) 、第二峰时效 (126 h)及过时效 (180 h)状态下的试样经过 200~1 200 号砂纸打磨 后进行机械抛光 ,在北京万泰机电技术开发公司生 产的 HMV - 1 T 显微硬度及图像分析系统上测试 基体的显微硬度 ,测试状态为腐蚀前 ,测试载荷分别 为 200 g ;用混合酸腐蚀后观察显微组织 ,混合酸成 分为 :2. 5 % HNO3 + 1. 5 % HCl + 1. 0 % HF + 95 % H2 O ,腐蚀时间 30 min 左右。 2  试验结果及分析 2. 1  硬度 7003 合金洛氏硬度的测试结果如图 1 所示。 由图可见 ,7003 合金的硬度值在两种温度下都是随 着时效时间的延长 ,先增大到峰值后减小到最小值 , 再增大后又缓慢减小 ,而且两种温度下均存在“双 峰”现象。从整体上看 ,两个时效峰的硬度值相差不 大。比较不同时效温度下时效硬化曲线 , 发现 393 K时效温度下 ,第一峰位约在 50 h ,第二峰位约 在 126 h ;413 K时效温度下 ,第一峰位约在 30 h ,第 二峰位约在 70 h。随着时效温度的提高 ,“峰位”前 移 ,而且合金的时效硬化曲线整体出现下移 ,并发现 图 1  7003 铝合金不同温度下 的时效硬化曲线 393 K的时效曲线 “第二峰”峰值比 “第一峰”峰值略 高。可见 ,时效温 度 强 烈 影 响 着 7003 合金的硬度。 为了进一步 证明 7003 合金的 时效存在双峰现 象 ,对 393 K 时效 的欠时效 (16 h) 、 峰时效 (50 h) 、过 时效 (90 h) 、第二 峰时效 (126 h) 及 过时效 (180 h) 状 态下的试样进行 显微硬度测试 ,压 痕如图 2 所 示。 从图 2 可以看出 , 欠时效 (16 h) 时压痕较大 ;峰时效 (50 h) 时压痕较 小 ;过时效 (90 h) 时压痕较大 ;第二峰时效 (126 h) 时压痕较小 ;过时效 (180 h)时压痕较大。明显的压 痕越大 ,显微硬度则越小。因此这就进一步证明了 7003 合金时效过程中存在双峰现象。 图 2  7003 合金不同时间的显微硬度压痕 (393 K) 2. 2  力学性能 对 7003 合金 393 K 温度下不同时效时间的力 学性能进行研究 ,结果如表 2 所示。 表 2  7003 铝合金的力学性能 时效工艺 σp012/ MPa σb/ MPa σp012/σb δ( %) 743 K/ 70 min + 393 K/ 16 h 249 308 01810 15. 6 743 K/ 70 min + 393 K/ 50 h 283 345 01820 15. 3 743 K/ 70 min + 393 K/ 90 h 264 312 01845 14. 3 743 K/ 70 min + 393 K/ 126 h 288 354 01816 15. 5 743 K/ 70 min + 393 K/ 180 h 270 320 01844 14. 0   从表 2 中可以发现 ,合金的强度也存在双峰现 象 :欠时效 (16 h) 较小 ;峰时效 (50 h) 时较大 ;过时 效 (90 h)时较小 ;第二峰时效 (126 h) 较大 ;过时效 (180 h)较小。这和洛氏硬度及显微硬度测试结果 一致。另外还发现随着时效时间的延长 ,合金的延 伸率先减小后又增大 ,然后再减小。合金的延伸率 虽然不存在双峰现象 ,但是合金在第二峰时的延伸 ·701·《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究  2009 年  第 9 期 率比第一峰好。延伸率是反应塑性的 ,延伸率越大 , 则塑性越好 ;而塑性又和韧性密切相关 ,第二峰具有 比较好的延伸率 ,则在一定程度上反应了合金在第 二峰时也具有比较好的韧性。研究表明 ,断裂韧性 是和σp012 /σb 比值成反比的 ,从表中可以看出第二峰 的σp012 /σb 比值为 01816 ,较第一峰σp012 /σb比值为 01820 要小。这就进一步说明了 ,第二峰具有比较 高的断裂韧性。可见 ,第二峰具有高强高韧性。 2. 3  显微组织分析 为了探寻 7003 合金显微组织随着时效时间的 变化规律 ,对其 393 K不同时效时间的合金进行显 微组织观察 ,试验结果如图 3 所示。 图 3  7003 合金不同时间的显微组织 (393 K) 从图中可以看出第二相的析出情况随着时效时 间延长的变化。16 h (欠时效)的合金组织中析出很 少的第二相 ; 50 h (峰时效) 合金组织中析出了比较 多的第二相 ;90 h (过时效) 合金组织的第二相又变 少 ,而且出现聚集形成较大的颗粒 ; 126 h (第二峰) 合金组织中又重新析出第二相 ,而且颗粒细小 ,分布 比较均匀。组织中比较粗大的黑色颗粒应该是合金 中的杂质。阎大京等[7 ] 人研究表明 ,峰时效的强化 主要靠 GP 区 ;第二峰的强化主要靠η′( MgZn2 ) 相 和少量的 GP 区。主要原因是随着时效时间的延 长 ,合金组织中出现了相变[829 ] :α(过饱和固溶体) → GP 区 →亚稳定相η′(MgZn2 ) →平衡相η(MgZn2 ) 。 因此 50 h (峰时效) 合金组织中析出的第二相很可 能是 GP 区。126 h (第二峰) 合金组织中又重新析 出第二相应该是η′(MgZn2 )相。16 h (欠时效) 的合 金组织中析出的第二相也应该是 GP 区 ,但是析出 很不充分。90 h (过时效)合金组织的第二相应该是 GP 区的颗粒团聚变大造成。析出相的数量、分布、 大小对合金的性能有重大的影响。析出相数量越 多、分布越均匀、颗粒越小 ,对基体的弥散强化效果 就越好。这就是 50 h (峰时效) 和 126 h (第二峰) 时 效合金强度、硬度较高而 16 h (欠时效) 和 90 h (过 时效) 时效强度、硬度较低的原因。比较 50 h (峰时 效)和 126 h (第二峰) 时效合金组织 ,可以发现 126 h (第二峰) 时效合金组织中的第二相数量更多、分 布更均匀、颗粒更细小 ,所以 126 h (第二峰) 时效合 金性能最好 ,即强度、塑性、韧性都好。 3  结语 7000 系铝合金广泛地应用于航空航天工业、桥 梁、兵工、车辆、大型容器等领域[123 ] 。然而 ,现有的 热处理工艺还不能满足日益发展的现代工业应用的 需求。因此 ,新的热处理工艺的开发十分迫切。而 双峰时效工艺的开发随之应运而生。对 7003 合金 的双峰时效研究表明 ,7003 合金的硬度及强度都具 有时效双峰特征 ,两个时效峰的硬度和强度相差不 多 ,但在较低温度下时效第二峰的强度、硬度、塑性、 韧性较高。第二峰具有的优越性能主要因为合金组 织中析出了数量更多、分布更均匀、颗粒更细小的第 二相。同时也表明第二峰在工业应用中有重要的潜 在价值 ,其很可能为 7000 系合金应用开辟新的领 域。然而 ,这种新的科学现象 ,还有很多工作有待进 一步开展 ,如第二峰的抗应力腐蚀 ( SCC) 性能的如 何 ? 除了 7475、7003 合金 ,这种工艺在其他 7000 系 合金中是否具有普适性 ? 以及相关的机理又是什 么 ? 相信 ,随着科学工作的进一步开展、科学技术水 平的提高和各位科学工作者的共同努力 ,上述科学 问题将获得圆满的解决。 参考文献 [1 ] 宋仁国.高强度铝合金的研究现状及发展趋势 [J ] . 材料 导报 ,2000 ,14 (1) :20234. 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