1、 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。过烧对 7003 铝合金组织与性能的影响陈小明 ,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
2、 763 K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 - 05Effects of overfire on microstructure and properties of 7003 aluminum alloyCHEN Xiao2ming ,SONG Ren2guo ,ZHANG Yu ,LI Jie( Key Laborator
3、y of Mechanical Manufacture and Automation of Ministry of Education ,Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310014 , China)Abstract : In order to find the rule of effects of burnt treatment on the microstructure and properties of 7003 alloys , the microstruc2ture and properties of 7003 aluminu
4、m alloy before and after overfire have been investigated by means of microhardness tester ,elec2tronic tensile machine , scanning electron microscopy ( SEM) ,optical microscope (OM) and energy dispersive X2ray spectrometer( EDS) . Itps showed that ,before aging ,the overfire level of 7003 aluminum a
5、lloy raised while the properties fell down with increasingthe burnt temperature ;when burnt temperature was over 763 K, the overfire level declined fast with wide2rang. Compound2meltingstructure appeared (namely burnt structure) in 7003 alloys and then avianized grain boundary , hence resulted in th
6、e transition offracture surfaces :transcrystalline fracture intercrystalline fracture.Key words : 7003 alloys ;overfire ;second phase ;microstructure ;properties7 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 。一直以来 ,为了提高合金的各种性能 ,人们在 7 系铝合金的固溶、时效处理以及常规力学
7、性能方面做了大量的工作 5 - 18 。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 。然而 ,当固溶温度和液相线温度接近时 ,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 ,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
8、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 15 mm84 LAFT 轻 合 金 加 工 技 术 2009 , Vol. 37 , 2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 %。平均显微硬度为 ( HV0. 1 ) 108134 , Rp0. 2 = 280100 NPmm2 , Rm =340100 NPmm2 , A = 12 % 。热处理试样尺寸为 15mm 10 mm 10 mm ,采用空气炉在 733 K,738 K,743K,748 K,753 K,758 K,763 K,768 K,77
9、3 K,778 K,783K不同温度下进行 70 min 固溶处理 ,淬火转移时间在 5 s 以内 ,水温在 283 K以下 ,时效制度为 393 K50 h。表 1 7003 铝合金的化学成分 (质量分数 ) %Zn Mg Cu Zr Ti Mn Cr Fe Si Al6. 20 0. 60 0. 20 0. 10 0. 20 0. 30 0. 20 0. 35 0. 30 余量拉伸试样严格按照 GBPT1686521997 标准执行 ,标距为 20 mm ,应变速率为 8133 10 - 4 s - 1 ,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
10、。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 5 s 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 10 g和 100 g ,加载保持时间为 10 s。在 Hi2tachi S24700 扫描电子显微镜 (SEM)下观察第二相和断口形貌 ,并对其进行能谱点分析。2 试验结果与分析为了研究过烧温度
11、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 1 340100。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 763 K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 ,再出现提高 ,然后又下降 ,尤其是温度
12、达到 763 K后 ,合金的伸长率出现大幅度下降。 Rp0. 2PRm 随着温度变化的规律则与伸长率随时间的变化规律正好相反。图 1 为不同温度固溶处理后的 7003 铝合金光学显微组织照片。由图可见 ,743 K 70 min 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 753 K 70 min 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 763 K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 ,
13、且有部分晶界呈现连续复熔结构。表 2 固溶温度对 7003 铝合金力学性能的影响固溶温度KHV RmP(N mm - 2) Rp0. 2P(N mm - 2) Rp0. 2PRm AP%时效前 时效后 时效前 时效后 时效前 时效后 时效前 时效后 时效前 时效后733 81. 1 115. 1 256. 11 336. 21 149. 01 279. 01 0. 582 0. 830 23. 29 16. 51738 79. 5 116. 2743 78. 1 117. 2 252. 00 345. 86 146. 10 291. 54 0. 579 0. 844 24. 01 15. 22
14、748 76. 5 113. 2753 74. 5 109. 0 246. 59 336. 85 142. 03 280. 41 0. 577 0. 831 24. 71 16. 01758 73. 5 108. 1763 73. 1 107. 4 242. 51 334. 21 139. 06 277. 45 0. 572 0. 829 25. 31 17. 25768 71. 0 102. 2773 69. 1 97. 0 230. 12 295. 12 129. 14 256. 59 0. 561 0. 871 25. 68 11. 2778 68. 6 96. 5783 68. 0 8
15、9. 1 210. 02 263. 51 108. 29 236. 18 0. 514 0. 894 26. 00 9. 21942009 , Vol. 37 , 2 轻 合 金 加 工 技 术 LAFT 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 763 K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
16、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“韧窝断裂”断口。这两种断口均为“穿晶断口” 19 ;出现过烧的断口形貌为非常典型的“沿晶断口” ,图3c 所示 ,呈现“冰糖状” 19 - 20 。图 2 不同固溶温度下 7003 铝合金的组织 (SEM)图 1 7003 铝合金不同固溶温度下的显微组织 (OM)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
17、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 Zn Mg Mn Cr Fe Si O AlA(时效前 ) 2. 18 0. 38 0. 43 0. 16 3. 97 1. 79 余量B(时效前 ) 1. 84 0. 79 0. 36 3. 32 1. 19 余量C(时效前 ) 1. 43 1. 11 0. 52 6. 97 2. 6
18、4 余量D(时效后 ) 2. 18 0. 67 1. 77 0. 58 余量E(时效后 ) 2. 11 2. 85 1. 77 0. 66 余量F(过烧结构 ) 1. 41 0. 78 34. 50 余量G(过烧结构 ) 2. 08 0. 79 10. 70 余量H(过烧结构 ) 0. 81 0. 89 16. 34 余量05 LAFT 轻 合 金 加 工 技 术 2009 , Vol. 37 , 23 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
19、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 743 K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 743 K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 753 K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
20、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 ,这主要是由于晶界上过烧组织引起的应力集中所致。7003 铝合金共晶熔点为 748 K,而且该合金对过烧比较敏感 4 。因此当固溶温度超过共晶熔化温度 ,则产生过烧特征组织 (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
21、,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 ,晶界强度高于晶粒本身强度 , 所以断裂形貌是“穿晶断口” (见图 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
22、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 结 论(1)当固溶温度达到 748 K后 ,随着固溶处理温度的提高 ,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 763 K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”。参 考 文 献 :1 LIU D ,ATKINSON H V ,KAPRANOS P ,et al. Microstructural evolution and tensile mecha
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