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2024届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计(论文)

)

热处理对7系铝合金力学性能的影响

湖北汽车工业学院科技学院

材料成型及控制工程

k成型202

张健

2020900245

导师(校内)

陈祥

导师(校外)

18

2024届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计(论文)

摘要

7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu合金(7XXX系列铝合金),其具有高强度比、良好的断裂韧性、抗应力腐蚀开裂性和抗疲劳性,在汽车和航空航天工业以及轨道交通领域得到广泛应用。通常,热处理铝合金机械性能的至关重要,通过调整固溶时效工艺参数来提高7075铝合金的力学性能,为其实际生产应用提供指导。本文以热轧态7075铝合金板材为研究对象,研究了不同时效工艺参数对7075铝合金显微组织和力学性能的影响,利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM),分析了不同时效工艺影响下的晶粒尺寸和析出相的变化;同时通过硬度和拉伸性能测试等实验方法探索了不同的时效工艺参数对7075铝合金的硬度、强度、延伸率等性能的影响。研究结果表明

1固溶7075铝合金经时效处理后晶粒尺寸呈现轻微增加,同时包含弥散析出第二项,主要为AlCuFeZn相和AlCuFe

27075铝合金的硬度受时效时间和时效温度显著影响时效温度和时效时间的增加均使得7075铝合金的硬度总体呈现先增大后减小的趋势。比如,在时效时间(0.5 h)的情况下时效温度从130 °C增加到160 °C再增加到190 °C,硬度从168.6 HV增加到171.0 HV,然后降低163.5 HV。

3在三种工艺条件下,即130 °C/3 h,160 °C/1 h,190 °C/0.5.h三种时效工艺条件下的7075铝合金的抗拉强度分别为710 MPa750 MPa700 MPa,而断裂延伸率分别为14%,15%17%。其中,经160 °C/1 h时效后所获得的7075铝合金具有优良的综合力学性能。

关键词:7075铝合金;热处理;微观组织;硬度;力学性能

抽象

7075铝合金属于Al Zn Mg Cu合金(7XXX系列铝合金),具有较高的强度/重量比、断裂韧性、耐应力腐蚀开裂性和抗疲劳性。它广泛用于飞机、航空航天工业和轨道交通的结构应用。通常,热处理系统是决定铝合金机械性能的重要因素。通过适当调整固溶时效工艺参数,可以提高7075铝合金的力学性能,为7075铝合金的实际生产和应用提供有益的参考。本文以热轧 7075 铝合金薄板为研究对象,调整其热处理过程中不同的固溶和时效工艺参数,利用金相显微镜和扫描电子显微镜 (SEM) 分析了不同热处理工艺下 7075 铝合金中析出物的数量、大小和分布;通过硬度和拉伸性能测试等实验方法,研究了不同热处理工艺参数对 7075 铝合金硬度、抗拉强度、屈服强度等性能的影响。论文的主要结论如下:

(1)原轧制的7075铝合金含有复杂的析出相特性,主要包括Al2CuMg相、Al7Cu2Fe相、AlZnMgCu相和MgZn2在第一前处理步骤后部分溶解。

(2)时效时间和时效温度对7075铝合金的硬度有显著影响。时效温度和时效时间的增加导致 7075 铝合金硬度呈先增后降的总体趋势。当老化时间恒定(0.5h)时,老化温度从130°C上升到160°C,然后到190°C,硬度从168.6HV增加到171.0HV,然后降低到163.5HV。

(3)7075铝合金在选择的130°C/3h、160°C/1h、190°C/0.5h三种时效工艺条件下的抗拉强度分别为710 MPa、750M Pa和700 MPa。其中,在 160 °C 下老化 1 小时后获得的强度为

最高。

关键词7075铝合金;热处理;微观结构; 硬度;机械性能

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绪论

1.1 7075铝合金特性

全球能源短缺日益严重,轻质材料的进步也愈演愈烈。减轻重量一直是选择用于航空航天、汽车和运输应用的轻质材料的主要标准。Al-Zn-Mg-Cu合金(7XXX系列铝合金)具有高强度/重量比、断裂韧性、抗应力腐蚀开裂性和抗疲劳性,特别是疲劳损伤容限[1],被广泛用于飞机和航空航天工业的结构应用。通常,时效热处理决定了铝合金的机械性能。7000系列铝合金通常的析出顺序可以表示如下:SSS(饱和固溶体)→GPI.GPII.→η'→η相。7XXX系超高强铝合金近百年的发展迅速(图1.1),取得了系列重要的研究进展。

1.1 7XXX系超高强铝合金发展趋势

7075铝合金属于7XXX系列铝合金,其化学成分如表1.1所示,它表现出高强度重量比和高断裂韧性。这种合金的出色性能是由于其基体中细小且均匀分布的沉淀物,这些沉淀物在时效过程中沉淀。强度和断裂韧性的完美结合使7075铝合金成为航空航天工业的理想材料选择。

1.1 7075铝合金的化学成分

元素

毫克

质量分数(%

5.7

2.7

1.7

0.005

0.16

0.16

0.02

89

1.2 7075铝合金固溶处理

7XXX系列铝合金厚板已广泛用于制造无需焊接和铆接的飞机结构机翼部件。与2XXXAl-Li合金等传统铝合金相比,7XXX系列铝合金在强度和断裂韧性之间表现出良好的结合。因此,对7XXX系列铝合金的微观结构和性能进行了许多研究。通常,固溶处理是热处理过程中主要和关键的步骤。在固溶处理过程中,凝固过程中形成的可溶性相可以重新溶解到基质中。在较高的固溶温度下,可溶相可以更充分地重新溶解。然而,对于单级固溶处理,固溶温度必须低于每种特定组合物的初始熔点;否则,合金可能会过度燃烧。用增强固溶处理的试样在屈服强度和断裂韧性方面表现出显著提高,因为残余相可以在单级固溶处理的过燃温度之后重新溶解到基体中。高温预沉淀处理提高了对晶间腐蚀和剥落腐蚀的抵抗力,但降低了力学性能。7075铝合金在固溶处理后,合金元素在微观组织中的显著重新分布导致初级Al相的超饱和固溶体(SSSS)基体,以及大块晶界相的细化,仅产生大块的SCuMgAl2)相,带有SigmaMgZn,Al,Cu))相;同时合金的强度显著提高(YS→315 MPa),伸长率增加7.3 %,这是由Al基体完全均质化为SSSS的,并且与Al基体界面明显圆润的块状晶界相的数量和分布减少引起的[10]7075铝合金晶间腐蚀的敏感性随着固溶处理温度的升高而先降低后增加;然而,晶界η-MgZn,Cu)中的Cu含量因发生沉淀反应而产生了相反的变化[11]7075铝合金的固溶处理包括单级固溶处理(SST)、增强固溶处理(EST)和高温预沉淀处理(HTPT)。与7075铝合金轧制板相比,细小的次生相颗粒溶解在单级固溶处理和增强固溶处理样品的基体中。7075铝合金中第二相颗粒随着单级固溶处理样品固溶温度的升高而降低。增强固溶处理的样品在基质中产生少量残相颗粒,与490 °C单级溶液处理样品非常相似。然而,在高温预沉淀处理样品的基质中观察到大量细小的第二相(AlZnMgCu)。高温预沉淀处理样品的第二相颗粒的体积分数与单级固溶处理样品相似。7075铝合金的强化机理主要是不同条件下固溶处理时的析出强化和细晶强化,然后在相同条件下进行时效处理。沉淀强化归因于固溶处理过程中第二相颗粒的溶解,这些颗粒提供了大量的溶液原子,有利于后续时效处理中的沉淀。随着固溶温度的升高,越来越多的残相溶解到基体中,提供越来越多的溶液原子,从而使7075铝合金的强度更高[12]。但随着固溶温度的升高,重结晶晶粒的体积分数和亚晶粒的尺寸显著增加,导致平均晶粒尺寸变大,细晶强化度降低。因此,随着固溶温度的升高,7075铝合金的抗拉强度是析出强化和细晶粒强化的平衡[13]。随着固溶温度的升高,沉淀强化度增加,而细粒强化度降低。单级固溶处理7075铝合金的综合强度在475 °C固溶处理时达到峰值。对于增强固溶处理样品,较低温度的溶液促进了合金的回复,从而抑制了后续热处理中的再结晶,较高温度的溶液尽可能溶解残相。增强固溶处理试样具有沉淀强化和细粒强化的最佳组合,其强度高于单级溶液处理试样的最大强度。高温预沉淀处理样品的晶粒结构与增强固溶处理样品相似,但基体中析出大量细小的AlZnMgCu相,降低了合金的析出强化性[14]。随着固溶温度的升高,残相可以重新溶解到基体中,同时,重结晶晶粒的体积分数和亚晶粒的尺寸急剧增加。因此,单级固溶处理样品的强度和断裂韧性随着固溶温度的升高而先增大后减小。

1.3 7075铝合金时效处理

为了获得更好的机械性能[1],铝合金经常经过不同的热处理。时效热处理是提高强度和塑性的最佳方法,可以同时提高机械强度和延展性,传统上应用过时效热处理来降低铝合金对应力腐蚀开裂(SCC)的敏感性。然而,经过热处理的合金必然导致此类合金的最大强度牺牲(10-15%[2-5],而这些合金又富含η相沉淀物。这些特性受微观结构控制,即无沉淀区(PFZ)、晶界沉淀物(GBP)和基质内沉淀物的特征,包括类型、结构、大小、数量密度、形态和组成[1]。目前,已经开发了多级时效热处理来定制开发的微观结构,以产生良好的机械性能组合,同时增强7XXX系列铝合金的腐蚀性能。研究人员已经付出了巨大的努力,以在铝7XXX系列合金中实现更好的抗拉强度和抗应力腐蚀开裂性。为了提高机械强度和应力腐蚀开裂之间的性能,研究人员提出了取代这些合金的传统两级时效热处理。在这些方法中,提出了等温时效、多级时效、非等温时效和应力时效(即蠕变时效)。此外,阶梯淬火和时效处理及其他一些热机械处理也得到了发展。对7075铝合金在时效处理过程中的晶粒演化进行了定量分析。时效形成过程中的弛豫导致晶粒伸长并增加低角度边界体积分数,晶粒沿应力方向伸长和低角度边界体积分数增加的影响对时间不敏感。另一方面,在时效形成过程中,取向不稳定的晶粒倾向于沿滚动方向的应力而向稳定取向旋转,随着时效时间的增加,晶粒旋转导致时效形成样品中滚动织构的比例逐渐增加,但由于时效形成过程中的应力衰减和沉淀,这种影响减弱[2]。经过两级时效处理(102 °C/60 min+136 °C/60 min)后的7075铝合金的拉伸强度提高了23.10 %,屈服强度提高了26.56 %,伸长率提高了9.85 %,硬度提高了14.25 %[3]7075铝合金模锻件在双级时效过程中,当第一级时效时条件相同,随着第二级时效时间的延长,7075铝合金的断裂韧性和抗应力腐蚀性降低,但具有良好的压缩性能[4]Xiong等人通过分别在125 °C下进行162448小时时效处理,研究了时效处理对7075铝合金性能的影响,结论得出随着时效时间的增加,显微硬度和屈服强度值逐渐降低,但时效处理可以提高轧制合金的耐腐蚀性[5]

在不降低强度的情况下增加抗应力腐蚀开裂性的另一种方法是三级时效处理。提出该方法是为了实现与铝合金相关的耐腐蚀性和强度的良好组合,同时保持较高的强度水平。第一次时效是在130 °C下进行24小时,它富含η'相。由于回复阶段在较高的温度范围(180-260 °C)下发生很短的时间(5-2400 s),因此部分GP区和η相被溶解,并从η相转变为η'相。时效的最后阶段发生在较低温度(115-125 °C)下24小时,η'η沉淀物将增长,GPII区将从上一步中溶解的溶质原子中析出。第一次时效处理后7075铝合金样品的沉淀半径较小,导致强度高但断裂韧性低;高温及后续低温时效试样试样的基质析出变粗,晶界析出物面积分数变低,断裂韧性分别提高了8 %29 %,强度分别降低了3.5 %7 %。最后阶段的时效试样的基质析出细小,晶界析出的面积分数较低,在不牺牲强度的情况下提高了17 %的断裂韧性[6]。在各种多级时效样品中,三级时效处理样品表现出最高的拉伸性能和延展性,同时表现出优异的疲劳性能[7]。对7075铝合金进行三级时效处理(120 °C/24 h+180 °C/60 min+120 °C/24 h)后,铝合金由于晶界处的细η析出物的不连续分布,其耐腐蚀性会显著提高[8]

此外,实验研究还强调了与铝合金相关的其他替代热处理,例如,中断时效处理,该处理在与T6条件(120 °C/24 h)相关的温度范围内(例如130 °C)进行短时间以产生未时效条件,然后在较低温度范围(例如25-65 °C)进行第二次时效较长时间。第一次时效产生大部分GP区,而第二次时效有助于GP区转化为η沉淀物。这两个时效阶段导致η'沉淀物的密度更高,结合了良好的拉伸性能以及改进的断裂韧性和延展性。中断时效可以为7075铝合金提供改进的机械性能组合,中断时效处理后的7075铝合金具有较高的强化沉淀体积分数和更小的尺寸,表现出更高的延展性和韧性,同时保持较高的屈服应力和极限抗拉强度。而且中断时效会导致缺口疲劳抗性提高,从而降低缺口灵敏度[9]

不同热处理都会导致双峰微观结构特征,这些沉淀物结构表现出沉淀物的长度和宽度之间的相关性。换句话说,由于颗粒-位错相互作用,含有不同密度的可剪切GP区和抗剪切η'沉淀物,这些共存的相导致强化机制的结合,从而降低了7075铝合金的屈服强度和延展性以及屈服强度和断裂韧性之间的负相关关系,使得断裂韧性增加,延展性没有显著变化,但屈服强度降低。对于相同的7075合金,中断时效处理可以保持强度,同时降低晶间和剥落腐蚀敏感性。由于沉淀物的数量密度得到改善,第一个时效步骤可以有效地提高7075铝合金的强度,这归因于η析出物的分布更细更密,PFZ更窄,而延展性不降低。研究还表明,η沉淀物的高密度和均匀分布最终导致了高产率强度。7XXX铝合金时效热处理的目的是改善基体沉淀物、晶界沉淀物(GBP)和无沉淀区(PFZ)三种组织特征使合金具有良好的综合性能,以及沉淀物的双峰尺寸分布的形成,从而改善合金的拉伸性能和断裂韧性。

1.4 7075铝合金固溶时效处理的研究现状

固溶处理和时效处理均可提高铝合金挤出试样的强度和伸长率,固溶处理后,样品没有晶间腐蚀,只有剥落腐蚀,时效处理后的样品由于晶界连续侵蚀覆盖,耐腐蚀性最差[16]。几十年来,国内外研究人员不断创新和改进固溶时效处理制度。Qi等人[17]采用固溶处理(470 °C×2 h)和时效热处理(135 °C/8,1624 h)结合,发现8 h时效状态后铝合金的氢致性应力和氢敏感性最高,24 h时效后的铝合金敏感性最低2012年,韩念梅等[18]采用单级固溶(470 °C×2.5 h)和双级时效相结合的方法对飞机蒙皮和框架用7075铝合金进行了研究。结果表明,铝合金的抗拉强度和屈服强度在480 °C时分别达到了543 MPa510 MPa的峰值,断裂韧性在480 °C时达到了36.8 MPa m1/2的峰值。2013年,宋丰轩[19]采用(473 °C×1 h)单级固溶和121 °C×24 h时效处理相结合的工艺,研究了7075铝合金中第二相的演变过程,分析表明,基体中含有S相和Al7Cu2Fe相,而η相已完全溶解,第二相的体积分数约为3.6%。Chen等人[20] 采用固溶处理(470 °C×1 h)和时效热处理(120 °C/24 h110 °C/6 h + 160 °C/10 h)结合,发现Al-Zn-Mg-Cu合金的强化机理主要基于沉淀强化和细晶强化,重结晶晶粒的体积分数从10%提高到70%,合金的力学性能降低约3-4 %,主要断裂模式由穿晶断裂转变为晶间断裂

7075合金样品在固溶处理后时效状态下的性能由GP区的大小和密度决定,其中GP区的尺寸是主要因素[11]。双级固溶可以突破单级固溶的温度限制,基本消除粗大的第二相,获得更小的晶粒尺寸,进一步提高铝合金的综合性能。2016年,刘浩等[12]采用(450 ℃×1.5 h+495 ℃×1 h)固溶和双级时效相结合的方法研究了7075铝合金的显微组织和力学性能,使用能谱分析仪测得粗第二相的体积分数为0.19%,拉伸强度和屈服强度达到最大值,分别为655 MPa694 MPa。但双级固溶同时也会引起再结晶体积分数和亚晶粒度的增加,从而导致合金强度和断裂韧性的下降。为了尽可能减少上述矛盾的发生,研究人员发现了一种更优化的分步固溶处理工艺。Zhang等人采用固溶处理(487 °C×3 h)和时效热处理(120 °C/24 h)结合,通过端部淬火试验方法研究了影响7075铝合金性能的因素,发现7075铝合金具有更高的淬火敏感性,其淬火后会产生优先在(亚)晶粒边界成核和生长的析出相。2009年,邓运来[14]等人采用单级固溶和120 ℃×24 h时效相结合的方法,通过末端淬火实验研究了7075铝合金的淬火层深度,此时7075铝合金的淬火层深度增加了36 %2012年,贾科[15]等人采用单级固溶工艺研究了7075铝合金在不同时效温度(120150180 ℃)下的晶间腐蚀性能,实验数据分析发现,晶界析出物越大,抗腐蚀性能越好。201910月,李海等研究了490 ℃×1 h固溶和120 ℃×24 h时效相结合的7075铝合金的晶间腐蚀性能,研究表明,当固溶温度超过490 ℃时,合金的晶间腐蚀性能逐渐下降。

双级时效是一种优化的时效处理工艺,在第一级时效中使铝合金达到一定的硬度,然后在第二级时效中进一步提高合金的强度和硬度。这种加工方法可以细化合金中的析出相,提高合金的综合性能。Carvalho等人采用固溶处理(485 °C×4 h)和双级时效热处理(130 °C/24 h+65°C/1440 h)结合,发现双级时效可以对屈服强度和延展性之间的相关性产生有益的影响,因为可剪切的GP区和具有运动位错的η沉淀物之间的组合机制更加平衡,导致潜在腐蚀或点蚀略有减少[1]Zhang等人采用双级固溶处理(470 °C×1 h+480 °C×1 h)和双级时效热处理(120 °C/6 h+163°C/24 h)结合,发现7075铝合金界面愈合良好,氧化膜未发生明显演变,界面处的剪切特性显著改善,达到基质水平。2015年,王祝堂等通过单级固溶(475 °C×1 h)与双级时效(120 °C×12 h+160 °C×12 h)相结合的方法研究了7075铝合金的时效析出行为,结果表明,时效过程中的主要析出物为η'相和η相,随着时效时间的延长,η'相逐渐变粗,转变为η相。张新明等人通过单级固溶(465 °C×1 h)与双级时效(120 °C×12 h+160 °C×8 h)相结合的方法,研究了7075铝合金的显微组织和力学性能,结果表明,合金的抗拉强度、屈服强度和断裂韧性分别达到了550 MPa520 MPa38 MPa m1/2[29]2019年,李海等[26]通过单级固溶(490 °C×1 h)与双级时效(120 °C×24 h+160 °C×8 h)相结合的方法研究了7075铝合金的时效析出行为,结果表明,合金的时效析出顺序为SS→GP→η'→η,且随着时效时间的延长,η'相逐渐粗化并转变为η相,但转变速率较慢。同年12月,通过单级固溶(475 °C×1 h)与双级时效(120 °C×24 h+160 °C×8 h)相结合的方法,研究了7075铝合金的腐蚀性能,结果表明,双级时效可显著提高合金的耐腐蚀性,降低晶间腐蚀和剥落腐蚀的敏感性[30]

7075铝合金作为一种具有高强度和高韧性的轻质结构材料,在航空航天领域有着广阔的应用前景。通过优化固溶和时效处理工艺,可进一步提高合金的综合性能,其中单级固溶和双级时效相结合可提高合金的抗拉强度、屈服强度和断裂韧性;双级固溶可细化合金晶粒尺寸,提高其强度和硬度;分步固溶可降低再结晶的体积分数和亚晶粒尺寸,进一步提高合金的性能。此外,双级时效可以细化合金的析出相,提高合金的强度和硬度,而单级时效则可以快速提高合金的硬度。

1.5 本课题研究的目的及意义

7075铝合金以其质轻、比刚度比强度高、耐蚀性好等优点,在轻量化材料的竞争中优势显著。在满足质轻的前提下,人们对此类结构材料的力学性能也提出了越来越严格的要求。除了常用的热加工工艺外(锻造、轧制、挤压等)、热处理也是改善其微观组织和性能最常用、最简单有效的工艺。对于可热处理7075铝合金来说,通过控制合理的时效工艺(时效温度和时间)可在很大范围内调控其微观结构参数,包括晶粒尺寸和析出相,从而实现对力学性能的精准控制。本项目以7075铝合金为研究对象,探究时效工艺影响下的微观组织演变规律,并阐明了微观组织与力学性能之间的关系。本项目研究为高性能铝合金热处理工艺的设计提供一定理论依据和参考。

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实验内容及方法

2.1 实验材料

在该研究中所使用到的原始材料为7075铝合金轧态板状试件,其尺寸大小为260 mm×150 mm×30 mm。提供的采用Specctroble型等离子光谱仪测量获得的7075铝合金的元素组成如表2.1所示。

2.1 7075铝合金元素组成 (wt.%)

Zn

Mg

Cu

Zr

Fe

Si

Mn

Ti

Al

6.38

2.15

2.29

0.078

0.038

0.051

0.002

0.020

Bal.

2.2 热处理

本实验采用SXL-1016型程控箱式热处理炉,对7075铝合金进行热处理。该箱式炉主要由炉体和控制箱两大部分组成,炉体内部包含发热元件和测温元件。其工作原理是利用通过的电流产生的焦耳热使布置在炉膛内的电热元件发热,然后通过辐射对零件进行加热,这能使整个炉腔内部均匀受热,以确保热处理实验的科学准确。实验前用二氧化硅涂满整个试样表面,以防止合金在加热的过程中氧化。采用的热处理制度为分步热处理,试样从室温以25 ℃/min加热后到达指定温度475 ℃,完成热处理,随后水冷,完成第一步固溶前处理。随后对固溶样品开展不同时效工艺处理,具体时效温度和时效时间如表2.2所示。

2.2 该研究中所用到的不同温度和时间条件的时效工艺

时效工艺

时效温度(℃)

时效时间(h)

1

130

0.5

2

130

1

3

130

3

4

130

5

5

160

0.5

6

160

1

7

160

3

8

160

5

9

190

0.5

10

190

1

11

190

3

12

190

5

2.3 实验仪器及设备

在该实验中用到的实验设备相关的信息如表2.3和图2.1所示。

2.3 实验中所用设备的型号、生产厂家及用途

名称

型号

产地或厂家

用途

金相抛光机(a

MP-2A金相预磨机

北京科伟永兴仪器有限公司

对金相试样进行抛光操作

台式超声波清洗器(b

KQ5200DB型数控超声波清洗仪

昆山市超声仪器有限公司

清洗腐蚀后的金相样品和要处理的拉伸样品

金相显微镜(c

Keyence VH-Z50 L光学显微镜

美国安捷伦科技公司

对热处理后的7075铝合金进行初步的显微组织观察

扫描电子显微镜(d

Tescan 维加 3SBH

上海精宏实验设备有限公司

观察热处理后的7075铝合金微观组织特征

硬度计 (e

HV-1000显微硬度测试计

上海精宏实验设备有限公司

测试热处理7075铝合金的硬度大小

力学性能测试仪器(f

INSTRON-3382电子万能试验机

美国Instron公司

测量热处理后试样的拉伸性能(抗拉强度和屈服强度)

热处理试验炉(g

SXL-1016型程控箱式热处理炉

上海精宏实验设备有限公司

对切取好尺寸的7075铝合金进行热处理试验

镶样机(H

ZXQ-2金相试样镶嵌机

上海研润光机科技有限公司

对切取的试样进行镶嵌

2.1实验设备实物图

2.4 合金微观组织观察

为了研究不同后时效温度和时间对7075铝合金显微组织的影响规律,采用电火花线切割机器沿着垂直于沉积方向切取金相试样块,金相样切取尺寸为8 mm × 8 mm × 4 mm。采用ZXQ-2金相试样镶嵌机对切取好的金相试样块金相镶嵌用400目~2000目的砂纸打磨试样,接着用SiO2抛光液将试样在MP-2A抛光机上抛光,再用酒精冲洗样品除去残余水渍和杂质。抛光后的试样用体积比为1HF):1.5HCl):2.5HNO3):952O)的混合酸溶液试剂腐蚀15-30 s后,等带有金属光泽的光亮表面变成灰色后立即停止腐蚀,用水冲洗并吹干,获得金相试样。使用Keyence VH-Z50 L光学显微镜(Optical microscope, OM)观察热处理态7075铝合金晶粒的形态特征,Keyence VH-Z50 L光学显微镜放大倍数范围在10-1000倍,其视野范围宽。使用Tescan Vega 3SBH扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)对微观组织形貌特征进行观察分析讨论。

2.5 硬度和拉伸性能测试

在本研究中,热处理态7075铝合金维氏硬度的大小通过维氏硬度计测量获得,依据 GB/T 4340-2009《金属材料维氏硬度》测试方法对不同时效温度和时间处理后的7075铝合金进行显微硬度测试。硬度测试中的加载载荷为200 g,压入试样后,需要保持十秒稳定以保荷。在试样中心部位选取4×4共计十六个点来实施硬度测试,点与点之间的间隔必须保持在200 μm以上,以确保每一个硬度测试点都不会受到相邻硬度测试点的影响,所测得的所有硬度值中,去除掉最大值和最小值,剩余测试数值的平均值即为该时效工艺条件下对应7075铝合金的硬度值。这样测试得到的硬度值可真实反应理后的试样硬度情况。对于拉伸性能测试,首先采用电火花线切割机器在7075铝合金板材试样上先切取板状试样,板状拉伸试样尺寸大小如图2.1所示。切取后的圆柱棒状试样完成热处理后,按GB/T 228.1-2002《金属材料拉伸试验 第一部分:室温试验方法》,将其切割成标准板状拉伸试样,尺寸如图2.2所示。拉伸实验在INSTRON-3382电子万能试验机上进行,加载速率为0.5 mm/min,加载方向沿长度方向直至拉断。

图 2.2 7075铝合金的拉伸试样尺寸

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时效工艺影响下的7075铝合金微观组织演变

3.1 引言

本章主要探讨了航空航天领域广泛应用的轻质7075铝合金的热处理工艺。在本研究中首先对轧制态的7075铝合金进行了相同条件的固溶处理,以确保其基础的组织结构达到一致性。随后,设计了多种不同的时效处理工艺,旨在探究不同时效温度和时效时间对7075铝合金的组织结构、硬度以及力学性能的具体影响。在实验中,需要严格控制了时效温度和时效时间的变化范围,以确保实验结果的准确性和可靠性。通过对比分析不同时效工艺下的材料性能数据,发现时效温度和时效时间对7075铝合金的微观组织有着显著的影响。这些微观组织的变化进一步影响了材料的硬度和力学性能。具体来说,随着时效温度的升高和时效时间的延长,7075铝合金中的析出相的数量、大小和分布都会发生相应的变化。这些析出相是影响材料性能的关键因素之一。通过分析这些析出相的变化规律,可以更好地理解7075铝合金在时效过程中的组织演变机制。此外,还研究了不同时效工艺条件下7075铝合金的力学性能变化规律。发现在适当的时效温度和时效时间下,7075铝合金的力学性能可以达到最优。这为实际生产中选择合适的热处理工艺提供了重要的参考依据。综上所述,本章通过对7075铝合金的热处理工艺进行系统的研究,明确了不同时效工艺条件下材料的微观组织变化规律以及其对力学性能的影响。这为指导7075铝合金在何种微观组织特征下拥有良好的力学性能打下了坚实的基础,同时也为航空航天领域的高性能材料研发提供了有益的参考。

3.2 初始态和固溶态7075铝合金的金相组织

明确原始轧制态7075铝合金的微观组织特征是研究热处理对其组织变化影响规律的基础和关键步骤之一,清楚地了解未经热处理的原始7075铝合金的微观组织特征可以帮助更好地找到热处理前后合金组织内部特征变化的区别。图3.1为初始态和固溶态7075铝合金的金相组织图。从图3.1a可以看出,初始态7075的微观组织不均匀的,是由粗晶和细晶混合而成的双相晶粒结构。。通过截线法算得初始态的7075合金中的平均晶粒大小约为6 μm。而经过高温长时间固溶处理后,晶粒发生了明显的再结晶,并获得了均匀分布的等轴晶粒。同样,使用截线法测得其平均晶粒大小大约为8 μm。相比初始态,固溶后的晶粒尺寸发生了明显的长大。

3.1初始态和固溶态7075铝合金的金相组织

3.3固溶态7075铝合金析出相的扫描形貌

3.2固溶态7075铝合金的扫描电子显微镜图像(SEM)。SEM图中可以较为清晰地观察到未溶解的第二相(图中白色的颗粒)。这些析出相具有不同的形貌,且分布不均匀。其中粗大的第二相尺寸为6.5 μm,细小的第二相尺寸~1 μm。采用EDS对随机选取的两个第二相开展定量分析,结果显示这些不同第二相是AlCuFeZn相和AlCuFe

3.2固溶态7075铝合金的扫描照片

3.4 时效态7075铝合金的金相组织

3.3中展示了在130 °C/3 h160 °C/1 h190 °C/0.5 h三种不同时效工艺条件下7075铝合金的微观组织特征。从这些图像中,我们可以清晰地观察到时效处理对合金析出相的影响。相比于仅经过第一步前处理的7075铝合金,经过这三种时效工艺处理的合金中晶粒尺寸未发生明显变化,但是析出相比例增多。这种析出相的特征对于合金的硬度和强度有着显著的影响。首先,析出相的分布均匀性意味着析出相在合金基体中的分布更加弥散,减少了局部应力集中的可能性。这种弥散分布有助于在合金受到外力作用时,应力能够更加均匀地分散到整个材料中,从而提高材料的强度和韧性。其次,析出相的比例增加意味着有更多的强化相参与到合金的力学性能中。这些强化相通常具有较高的硬度和强度,能够有效地阻碍合金在受力过程中的塑性变形和裂纹扩展。因此,析出相的比例增加通常会导致合金的硬度和强度得到提升。

3.3 时效态7075铝合金的金相照片

3.4为时效态下的扫描电镜,在经过时效之后,7075铝合金析出相明显更均匀,同时这也意味着它的硬度和强度有了明显的提升。固溶7075铝合金组织中的析出相组成及特征相比,经时效处理后的7075铝合金中的第二相更加细小EDS分析结果显示这些析出相为AlCuFeZn相和AlCuMg

3.4 时效态7075铝合金的扫描照片

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时效工艺影响下的7075铝合金力学性能变化

4.1 时效工艺影响下的7075铝合金硬度变化规律

本文中主要研究是不同时效时间和温度对7075铝合金组织和力学性能的影响,因此在第一步前处理过程中采用的是相同的热处理工艺,以确保其基础的组织结构达到一致性。随后,再设计了多种不同的时效处理工艺来进行研究,因此首先获得了第一步固溶前处理的7075铝合金,明确其微观组织特征。与原始轧制态7075铝合金组织中的析出相组成及特征相比,经第一步固溶处理后的7075铝合金中的未溶相Al2CuMg明显减少,前处理使得这类大块析出相发生部分溶解。同样的,AlZnMgCu相和MgZn相也普遍溶解在基体中。使得整个析出相比例看起来明显减少。

从上述原始轧制态和第一步前处理后7075铝合金的微观组织特征中可以发现,两者的微观组织中的析出相组成有显著不同,不同的微观组织特征会引起7075铝合金最终硬度的不同,因此对两者的维氏硬度进行测试,以明确其硬度变化趋势。图3.3展示了原始轧制态和第一步前处理后7075铝合金的显微硬度对比情况,原始轧制态的7075铝合金显微硬度达到了~175 HV而经过第一步前处理过后,7075铝合金的硬度发生大幅下降,仅达到了~117 HV,7075铝合金经第一步前固溶处理后硬度发生下降的原因可能是在固溶阶段的保温过程,该合金中原本的第二相发生大比例分解,这部分第二相对合金的硬度有显著的析出强化作用,第二相比例的减少就导致了7075铝合金最终硬度的降低。

4.1 初始态和固溶态7075铝合金的显微硬度

综上所述,本节内容主要聚焦于7075铝合金在热处理过程中的微观组织变化。首先对原始轧制态的7075铝合金进行了详细的观察和分析,接着对比了经过第一步前处理后的材料微观组织特征。通过这些对比分析清晰地识别出7075铝合金微观组织中可调控的相特征,并明确了两者之间的变化规律。在第一步前处理阶段发现7075铝合金中的析出相能够被充分溶解并分解到基体上。这为后续的时效处理提供了良好的条件。通过精确调整不同的时效温度和时效时间,能够实现有效地控制析出相的比例、尺寸和形态种类。这种控制行为可以获得析出更为均匀的第二相特征,从而有望提升7075铝合金的抗拉强度和屈服强度。基于上述发现,下文将深入探究不同时效温度和时效时间对7075铝合金组织特征和力学性能的具体影响。目标是寻找出最佳的时效工艺参数,以通过后热处理操作制备出具有优良力学性能的7075铝合金。这一研究不仅对于提升7075铝合金的性能具有重要意义,同时也为航空航天领域高性能材料的研发提供了有价值的参考。

对于7075铝合金,由于其自身特性使得其拥有明显的时效强化效果,7075铝合金经过前处理后,其中的部分溶质原子溶入基体中,这时候合金就会达到过饱和的状态,这种状态下的7075合金的硬度和强度都呈现出较低的水平,在时效过程中,可以使得第一步获得的亚稳状态下的过饱和固溶体发生分解再析出的现象,使得最后的合金组织中包含有显著强化效果的析出相,所以进行适配的时效处理可以明显改善经第一步固溶处理后损失了强度的7075铝合金的性能,为了改善经固溶处理后强度损失的7075铝合金性能,本节将通过设计不同的时效工艺,来获得性能有明显提升的7075铝合金。图4.1展示了在130 ℃条件下不同时效时间下的7075铝合金硬度对比趋势图。从图中可见在不同时效时间条件下的7075铝合金的显微硬度存在明显的差别。在130 ℃条件下时效处理,随着时效时间的延长,7075铝合金的显微硬度呈现先上升后下降的趋势,130 ℃条件下最大硬度值比最小硬度值高出14.9 %,最大的硬度值和最小的硬度值分别为190.2 HV165.5 HV,分别在时效时间3 h5 h的时候达到。综上所述,通过适配的时效处理可以显著改善7075铝合金的性能。在130 ℃条件下3 h的时效时间能够获得最佳的硬度性能。这为后续优化7075铝合金的热处理工艺提供了有价值的参考。

当时效温度保持在160 ℃时,对7075铝合金采用不同时效时间(0.5 h1 h3 h5 h)进行热处理,其硬度变化情况如图4.1所示。观察发现,7075铝合金的显微硬度值随时效时间的增加呈现非线性增减的趋势。具体来说,当时效时间从0.5 h增加到1 h时,7075铝合金的硬度从171 HV显著增加到202 HV,增长幅度高达18.1 %。这一显著增长表明,在160 ℃下,适当的延长时效时间有利于析出相的形成和分布,从而提高了合金的硬度。然而,当时效时间继续增加到3 h5 h时,硬度值开始逐渐下降。从202 HV下降到192 HV(下降5.0 %)和181 HV(下降10.4 %),表明过长的时效时间可能导致析出相的过度生长或聚集,进而对合金的硬度产生不利影响。综合以上数据,我们可以得出结论:在160℃时效处理时,7075铝合金的硬度值随着时效时间的增加呈现先上升后下降的变化趋势。为了获得最佳的硬度性能,应选择合适的时效时间。在本研究中,160 ℃下时效1 h7075铝合金表现出最高的硬度值。

190 ℃条件下对已经过前处理的7075铝合金进行不同时效时间的后时效处理,硬度变化情况显示了一个与较低时效温度条件下不同的趋势。如图4.1所示,在190 ℃时效温度下,合金的硬度值总体随着时效时间的增加而显著下降。具体来说,在时效时间为0.5 h时,合金的硬度达到了最大值163.5 HV。然而,随着时效时间的延长,硬度值开始逐渐降低。在时效时间达到5 h时,硬度值降至最低点120.8 HV,与最大值相比下降了26.1 %。这种硬度随时效时间增加而下降的现象可能与190 ℃高温下合金内部微观组织的快速变化有关。在高温条件下,析出相可能会更快地形成并长大,导致析出相的尺寸和分布发生变化,进而影响到合金的硬度。此外,长时间的高温时效还可能引发合金基体的过时效现象,即析出相过度长大或聚集,导致合金的硬度进一步降低。因此,对于7075铝合金在190 ℃条件下的时效处理,需要严格控制时效时间,以避免过时效现象的发生,从而保持合金的优良性能。同时,这也提示在实际应用中需要根据具体的材料和使用要求来选择合适的时效工艺参数。

综上,经过不同时效温度和时效时间处理的7075铝合金,其显微硬度值相对于第一步前处理的合金硬度均有显著提升。这表明时效处理对于7075铝合金的硬度增强具有显著效果。然而,不同的时效工艺会导致合金硬度的显著差异。在相同时效时间下,随着时效温度的增加,7075铝合金的硬度值呈现出先增大后减小的变化趋势。这可能是由于在较低的温度下,析出相的形成和分布不够充分,导致硬度提升有限;而在过高的温度下,析出相可能会过度生长或聚集,反而降低硬度。在相同的时效时间条件下,160 ℃时效处理的7075铝合金总是表现出最高的显微硬度值。这表明160 ℃是这三种时效温度中最有利于析出相形成和分布的温度。为了进一步验证这些时效工艺对7075铝合金力学性能的影响,选择了三种时效工艺下硬度值最高的试样进行拉伸性能测试,即130 ℃/3 h160 ℃/1 h190 ℃/0.5 h。这些拉伸性能测试将提供关于合金抗拉强度、屈服强度等关键力学性能的数据,从而更全面地评估不同时效工艺对7075铝合金性能的影响基于上述硬度测试的结果,可以预期160 ℃/1 h时效处理的7075铝合金在拉伸性能测试中也将表现出较好的力学性能

4.2 同一时效温度不同时效时间下的7075铝合金的显微硬度对比

4.2 时效工艺影响下的7075铝合金力学性能变化规律

4.3展示了三种不同时效工艺条件下(130 ℃/3 h160 ℃/1 h190 ℃/0.5 h7075铝合金的工程应力-工程应变曲线。从图中提取的抗拉强度数据显示,这三种工艺下的7075铝合金的抗拉强度分别为710M Pa750 MPa700 MPa。观察这些数据,发现合金的抗拉强度随着时效温度和时效时间的变化呈现出先上升后下降的趋势。具体而言,当时效条件从130 ℃/3 h增加到160 ℃/1 h时,抗拉强度显著提升至750 MPa,增加了5.6 %。然而,当进一步增加时效温度至190 ℃并缩短时效时间至0.5 h时,抗拉强度反而下降到700 MPa,比160 ℃/1 h条件下降低了7.1%。与此同时,这些抗拉强度的变化情况与对应的硬度值变化趋势保持一致。这一结果表明,合金的硬度和抗拉强度之间存在正相关关系,即硬度的提升通常伴随着抗拉强度的增强。基于上述实验结果,可以得出结论:对于本研究中的轧制态7075铝合金,采用160℃-1h的时效工艺能够获得最高的硬度和最高的抗拉强度。这一发现对于优化7075铝合金的热处理工艺、提升其力学性能具有重要的指导意义。

4.3 固溶态,130 ℃/3 h160 ℃/1 h190 ℃/0.5 h时效处理后的7075铝合金的工程应力-工程应变曲线

4.3 固溶态130 ℃/3 h160 ℃/1 h190 ℃/0.5 h时效处理后的屈服强度,最大抗拉强度和断裂延伸率

样品状态

屈服强度/MPa

最大抗拉强度/MPa

断裂延伸率/%

固溶态

411

589

36

130℃时效

687

710

14

160℃时效

717

750

15

190℃时效

654

700

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4.3 时效工艺影响下的7075铝合金组织与力学性能之间的关系

在时效工艺下7075铝合金的硬度和强度明显的高于初始态和固溶态,强度和硬度都有显著提升使其有更好的发展前景。在强度和硬度提升的同时,拉伸性能也随之提高,这一结果表明7075铝合金的硬度和抗拉强度之间存在正相关关系,即硬度的提升通常伴随抗拉强度的增强。当抗拉强度提升的时候屈服强度也随之增强,当抗拉强度和屈服强度提高的时候,它的断裂延伸率也就随之降低。通过表4.3就可以明显看出以上结论,抗拉强度和屈服强度随合金的硬度和强度升高,断裂延伸率随之降低。

通过观察固溶和时效态下的金相图,通过比例法的计算,算得固溶态7075合金的晶粒大小越为8 μm。在三种时效温度下7075铝合金的晶粒大小分别为8 μm9 μm9 μm,说明在时效温度下晶粒会长大并形成更大的晶粒。首先,热处理可以促进晶粒长大,提高晶粒尺寸意味着晶界面积的减小,从而降低了金属内部缺陷。再参考表4.3它的硬度和拉伸性能会发现晶粒尺寸变大会导致材料的强度增强。

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结论

本文通过对航空航天应用非常广泛的7075铝合金开展时效工艺探究,经过相同前处理后,在不同时效温度和时效时间条件下获得了7075铝合金的组织和硬度,并分析了该合金在不同时效工艺条件下的显微硬度变化趋势,同时根据显微硬度的大小筛选出三种硬度值较高的合金所对应的时效工艺,在这三种时效工艺下处理拉伸试样,获得最终的拉伸性能。本文的主要结论如下:

1固溶后7075铝合金大部分溶质回溶至基体中,仍残留部分未溶第二相,主要为AlCuFeZnAlCuFe相。时效处理后析出相显著数量增多,

2时效时间和时效温度显著影响7075铝合金的硬度,时效温度和时效时间的增加均使得7075铝合金的硬度总体呈现先增大后减小的趋势,当时效时间一定(0.5 h),时效温度从130 ℃增加到160 ℃再增加到190 ℃,硬度从168.6 HV增加到171.0 HV,然后降低到163.5 HV

3优选出的130 ℃/3 h160 ℃/1 h190 ℃/0.5 h三种时效工艺条件下的7075铝合金的抗拉强度分别为710 MPa750 MPa700 MPa。其中,160 ℃/1 h时效后所获得的强度最大。

4最后通过分析测试得出一个结论,7075铝合金在一定的条件下,它的硬度和拉伸率成正相关关系。

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致谢

行文于此,落笔为终,已经写到了论文的最后一章节,四年的本科生涯也即将结束,四年的时光仿佛弹指一挥间,反复也在梦的昨天。对于我来说更加的炙热,同时也经历了许多,忽然间就从步入学校的小白变成了独当面的大人,这四年来目光所及之处,皆是回忆。我度过了人生中最青春的年华,纵有万般不舍,但仍然心怀感潋。

自先找安特别悠谢我的论文指导老陈祥,李不言,陈老的教学态度,严密的逻辑思维,丰富的学科知识,以及负责人的工作态度让我在学习和做人方面都受益匪浅。在整个论文的定题、修改过程中也少不了陈老师的细心审查,耐心的为我修正错误,提出方向。我将牢记老师的教诲,不管对于这个课题,还是对于做人的态度,我将奋力拼搏,修改错误,超越之前的自己。

再者,我要感谢我的朋友们,感恩相遇,我可爱的室友们、还有研究生学长们,有你们的存在使我这四年并不枯燥,感恩知己,我们一起努力,一 起进步,虽然最终我们都会天各一方,但是希望你们能够前程似锦,以梦为马,不负韶华。能够陪伴在我身边的朋友们,希望你们无论之后是在哪里生活、哪里工作,我们也许很难见面,但是唯有爱意不减。

最后感谢材料学院的所有老师,特别是我的辅导员。感谢在这四年里老师们的倾囊相授,感谢给我一次又一次锻炼的机会,无论是在学生工作还是在学科竞赛中的一些课本上学习不到的知识,这都让我受益终身。希望老师们能够快乐。

202X届湖北汽车工业学院毕业设计(论文)

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