66666固溶_时效处理对7B04合金组织和性能的影响

兵器材料科学与工程

ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING

Vol．32No．4

July,2009

固溶-时效处理对7B04合金组织和性能的影响

蹇海根，姜锋，黄宏锋，韦莉莉，蒋龙

（中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083）

摘

要通过拉伸力学性能、微观组织观察、X射线衍射物相分析及晶格常数精确测量等方法，研究固溶-单级时效处理条

件对7B04合金组织和性能的影响。实验结果表明：采用合适的固溶-时效温度和时间，能使合金的力学性能得到明显的改善，经过470℃×60min＋120℃×24h处理后，合金的拉伸性能分别达到σb＝568MPa，σ0.2＝542MPa，δ＝12%；通过XRD衍射物相分析及α（Al）基体晶格常数的精确测量，能更好地表征溶质相的回溶以及时效后第二相的析出程度，指导合金固溶-时效热处理制度的选择。

关键词7B04铝合金；固溶-时效处理；微观组织；力学性能；晶格常数中图分类号TG166.3

文献标识码A

文章编号1004-244X（2009）04-0053-05

Effectofsolutionandsingle￣ageingtreatmentonpropertiesof7B04aluminumalloysJIANHaigen，JIANGFeng，HUANGHongfeng，WEILili，JIANGLong

（InstituteofMaterialsScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China）

AbstractTheeffectofthesolution￣singleagingtreatmentonthestructureandpropertiesofthe7B04alloywasstudiedbytensiletest，microstructuresobservation，XRDphaseanalysisandlatticeparametertestetc.Theresultsshowthatthemechanicalpropertiesofthealloyareimprovedconspicuouslybyadoptingpropertimeandtemperatureofsolution￣agingtreatment.After470℃×60min＋120℃×24htreatment，thetensilepropertiesofthealloyobtained：σb＝568MPa，σ0.2＝542MPa，δ＝12%.UsingX￣raydiffraction（XRD）analysisandaccuratemeasuringonthelatticeparameteroftheα（Al）matrix，wecancharacterizetheredissolvingofthesolutephaseandthelevelofprecipitationofthesecond￣phaseafteraging.Itcangiveusguidanceofchoosingasuitablesolution￣agingtreatmentforthealloy.

Keywords7B04aluminumalloy；solution￣ageingtreatment；microstructure；mechanicalproperty；latticeparameter

7B04铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，它是在长期使用的7A04铝合金的基础上进一步纯化发展而来的，即通过对Fe、Si等杂质元素的控制。7B04铝合金的特点是强高、硬度高，是航空航天工业

的主要结构材料之一［1-3］。近年来，随着高强度铝合金应用领域的扩大，对其性能要求也越来越高，对于热处理可强化型合金，在成分和各种加工工艺不变的情况下，要获得优良的性能，制定合适的热处理工艺是一个有效的途径［4-6］。

固溶处理是超高强铝合金最终热处理工艺的第一步，它影响合金的晶粒尺寸与形态、过剩相的数量、强

收稿日期：2008-11-06；修回日期：2009-03-09基金项目：科技部国际合作重点项目(2005DFA50550)作者简介：蹇海根，男，博士生。

通信作者：姜锋，男，教授，博士。E-mail:jfeng2@mail.csu.edu.cn。

化元素的固溶程度，既要保证最大数量的强化相溶入基体，得到最大的过饱和度，又不引起过烧及晶粒长大；在随后的时效处理过程中，促使晶内及晶界的第二相析出粒子均匀、密集、细小析出，使合金达到峰值时效［7-8］。

7B04铝合金为典型的时效硬化型合金，为满足生产需要，国内外对7B04铝合金固溶-时效工艺进行大

量研究［9-11］。作者拟通过力学性能测试、微观组织观察等常规试验与X射线衍射物相分析及晶格常数精确测量相结合的方法研究固溶-时效处理条件对7B04铝合金组织和性能的影响，探讨固溶-时效工艺改善合

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。饱和聚酯树脂基复合材料在准静态下的剪切强度高于乙烯基酯树脂基复合材料。而不同树脂含量时，对剪切强度大小影响不大，主要影响其承载历程曲线和载荷-应变关系。

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4参考文献

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54

兵器材料科学与工程第32卷

金力学性能的机制，摸索出了本次试验材料7B04合金的最佳热处理制度，旨在为这类合金的最终热处理工艺制定提供试验依据。

金的强度最高，塑性也较好，获得良好的综合性能。所以，7B04合金合适的固溶制度定为470℃×60min。

2.2时效处理对合金性能的影响

单级时效时常温力学性能随时效温度和时效时间的变化曲线见图2。可以看出，时效温度对合金性能的影响较大，随着时效温度的升高，合金的强度先增大到峰值，然后逐步减小；其δ值逐步降低，最大相差约

1材料制备与试验方法

1.1材料制备

研究用合金成分相当于美国的7075和俄罗斯的

95，见表1。合金采用半连续铸造，均匀化退火后多道

热轧成4mm厚的板材。

14％（图2a）。

时效时间对合金性能影响在时效初期较大，强度

580530Strength/MPa480430380330280

12

410

440

470

500

5302018

Solutiontemperature/℃a—固溶温度

2018

1.2热处理工艺

具体的热处理工艺制度见表2。

表17B04铝合金各元素的化学成分（质量分数/％）

Table1Chemicalconstituentsofthe7B04aluminumalloy

（massfraction/％）

σ0.2σbδ1614

ZnMgCuMnFeCrSiTiAl

5.0~6.51.8~2.81.4~2.00.2~0.60.05~0.250.15~0.250.1<0.05Bal.

表27B04合金的热处理工艺制度

Table2Heattreatmentsystemof7B04alloys

固溶温度/℃

固溶时间/min

时效温度/℃

时效时间/h

580b—固溶时间530Strength/MPa490，520470470470

480430380330280

10

30

50

10，40，60，80，1206060

12085，100，120，140，155120

242412，18，24，30，

36，50

σ0.2σbδ161412

7090110

Solutiontime/min

1.3试验检测方法

试样经过不同热处理后，采用日本理学DMAX-

图1不同固溶条件对7B04铝合金力学性能的影响

Fig.1Varietiesofmechanicalpropertyatdifferentsolutioncondition

580530Strength/MPa48043038033028080

100

120

140

a—不同时效

2018

Elongation/％Elongation/％2500X-射线衍射仪立即进行物相定性分析和晶格常数测量，并利用Jade-6软件进行数据处理，精确计算基体的晶格常数，力学性能拉伸试验在CSS-44100型万能测量试验机上进行，采用德国产NEOPHOT-21大

型金相显微镜进行金相观察，透射显微组织结构观察在TecnaiG20S-TWIN分析电镜上进行。

2

σ0.2σbδ161412101602018

2试验结果

Strength/MPaAgeingtemperature/℃

580b—不同时效530480430380330280

12162024283236

Ageingtime/h

2.1固溶处理对合金性能的影响

经不同温度和时间固溶120℃×24h时效后的7B04合金板材力学性能测试结果见图1。

由图1a可看出，随着固溶温度的升高，抗拉强度

和屈服强度值都呈先增大至峰值再减少的趋势，经

σ0.2σbδ16141210

470℃×60min固溶处理后时效，σb和σ0.2取得最大

值；但伸长率δ在470℃取得最低值。

图1b表明，随着固溶时间的延长，σb和σ0.2也呈先增大至峰值再减少的趋势，固溶60min后时效，合

图2不同时效条件对7B04合金力学性能的影响

Fig.2Varietiesofmechanicalpropertyatdifferentageingcondition

Elongation/％410，440，470，

6012024

Elongation/％第4期

蹇海根等：固溶-时效处理对7B04合金组织和性能的影响

55

在24h时达到峰值，而后出现部分降低；其δ值变化相对较小，最大差值约为7％。

2.3微观组织观察

图3为7B04铝合金板材经不同温度60min固溶处理后的金相组织。

热轧态7B04板材为细长的纤维状组织（图3a），随着固溶温度的升高，晶粒明显长大，晶内及晶界的粗大相逐渐减少（图3b、c）；当固溶温度为410℃时，残留许多粗大的非平衡相粒子，固溶不充分；470℃固溶时，残留相明显减少，溶质相基本溶入到基体内；520

a—470℃×10min

50μm

℃固溶时，残留相消失但局部出现过烧现象（图3d）。

不同固溶时间条件下合金的金相组织。图4是

50μm

7B04铝合金板材在470℃固溶处理10min和120min后的金相照片。由图可知，延长固溶处理时间，粗大相明显减少，但基体晶粒明显长大，如图4b所示。

图5为7B04铝合金单级时效各状态下的透射电镜照片。图5a为合金120℃×12h时效处理态，晶内第

b—470℃×120min

图4不同固溶时间下的金相组织

Fig.4Microstructuresatdifferentsolutiontime

二相析出粒子的数量较少，晶间无析出带（PFZ）较宽，合金处于欠时效状态；图5b为合金120℃×24h时效处理态，晶内及晶界的第二相析出粒子分布比较均匀、密集、细小、晶界较窄；图5c为合金155℃×24h时效处理态，晶间无析出带变宽，晶内及晶界上的第二相粒子明显粗化，合金处于过时效状态。

50μm

a—hotrolling

2.4X－射线衍射物相分析

不同固溶温度保温60min及470℃固溶保温不同时间后合金样品的XRD衍射图见图6、7。

由图6可见，热轧态合金的XRD衍射图由α-Al

固溶体、MgZn2和少量的其他衍射峰组成。当固溶温度为350℃时，XRD衍射图上仍能观察到MgZn2的衍射峰，温度升高到410℃时，MgZn2衍射峰的强度降低，表明平衡相回溶不充分，只有少量溶入到基体中；但当固溶温度超过470℃时，X－射线衍射谱中MgZn2的衍射峰消失，表明平衡相基本回溶到基体中。

由图7可见，在470℃固溶时间为10min时，

50μm

b—410℃×60min

MgZn2的衍射峰消失，表明经10min固溶后平衡相基

本溶入到基体中。

50μm

不同时效条件下合金样品的XRD衍射图见图8。

c—470℃×60min

85℃时效24h后，XRD衍射图上MgZn2的衍射峰不明显，而120℃时效24h后，XRD衍射图MgZn2的衍

射峰仍没明显变化。但是，随着时效温度的升高或时效时间的延长，能明显观察到MgZn2衍射峰强度的增加，特别是在120℃×50h和155℃×24h条件下时效后，

50μm

d—520℃×60min

图3不同固溶温度下的金相组织

MgZn2的衍射峰强度明显增强。2.5晶格常数测量

利用Jade6.0软件对热轧态、固溶态以及时效态样品XRD图进行数据处理，计算出不同处理态下α-Al

Fig.3Microstructuresatdifferentsolutiontemperature

56

兵器材料科学与工程第32卷

a

★—MgZn2■—α（Al）

120℃×50h

cps155℃×24h120℃×24h85℃×24h

100nm

203040

b

50602θ/（觷）

708090

图8不同时效条件下7B04合金的XRD物相分析图谱

Fig.8XRDphaseanalysisatlasof7B04alloyatdifferentageing

condition

基体的晶格常数，结果见表3、4、5。为方便讨论固溶效果，还列出了固溶态与热轧态样品晶格常数的差值。

100nm

数据表明，固溶温度和时间对α-Al固溶体的点阵常数有较大影响。从差值（△a）来看，350℃×60min固溶后，△a为0.0307，而520℃×60min固溶处理后，

c

100nm

图5不同时效条件下7B04合金透射电镜照片

△a的值达到0.05，△a值增大了一倍；同样，470℃延长固溶时间，△a值也明显增大，60min固溶处理后比10min条件下△a增大了4倍多。时效后，基体的晶格常数值随时效温度的升高减少，时效温度从85℃升高至155℃后，基体晶格常数减少0.000181nm值；基体的晶格常数值随时效时间的延长减少，120℃×50h时效比120℃×24h基体晶格常数减少0.000069nm。

表3不同温度下固溶400min基体的晶格常数

Fig.5TEMphotosof7B04alloyatdifferentageingcondition

nmnm

410

4700.406150.000798

4900.4060730.000721

5200.4059970.0005

nmnm

40

600.406150.000798

1200.4060990.000747

2000.406130.000778

Table3Latticeparameterofbaseatdifferentsolutiontemperature

MgZn2

α（Al）

520℃×60min470℃×60min

for400min

温度/℃

350

cps410℃×60min350℃×60min

热轧态

a△a0.4056590.40590.0003070.000612

表4470℃不同固溶时间下基体的晶格常数

203040502θ/（觷）

607080

Table4Latticeparameterofbaseafterdifferentsolutiontime

at470℃

时间/min

图6不同固溶温度下合金的XRD物相分析图谱

10

Fig.6XRDphaseanalysisatlasofalloyatdifferentsolution

temperature

a△a0.4055140.40580.0001620.000512

注：△a为不同固溶态与热轧态晶格常数的差值，热轧态a＝0.405352nm。

MgZn2

α（Al）

470℃×200min

470℃×120min

表5不同时效条件下基体的晶格常数nm

cpsTable5LatticeparameterofbaseatdifferentageingconditionnmConditionSolutionTreatment85℃×24h120℃×24h155℃×24h120℃×50h

470℃×60min470℃×10min

热轧态

a70

80

0.406150.4061320.4060430.4059510.405974

2030405060

2θ/（觷）

图7经470℃不同时间固溶后合金的XRD物相分析图谱

3分析与讨论

3.1固溶条件对合金力学性能的影响

XRD物相分析结果表明，热轧态7B04合金由α（Al）

Fig.7XRDphaseanalysisatlasofalloyafterdifferentsolution

timeat470℃

第4期蹇海根等：固溶-时效处理对7B04合金组织和性能的影响

57

及MgZn2两相组成（图6），这与Al-Zn、Al-Mg相图资料一致［12］。350℃×60min固溶处理后，MgZn2相的衍射峰强度下降，410℃×60min固溶后MgZn2衍射峰强度进一步降低，表明MgZn2相已逐步溶入到铝基体中，

P区不会在XRD分析中呈现有效的衍射峰，但时效引

起基体溶质原子的贫化会导致基体晶格的畸变程度减小，与过饱和固溶体相比，基体晶格常数值逐渐减小。峰值时效态合金G.P区与η′脱溶物共存，晶内及晶界的第二相析出粒子密集且分布均匀、细小、晶界较窄（图5b）。G.P区及纳米级大小的η′脱溶物在XRD分析中不会呈现有效的衍射峰，但时效引起基体溶质原子的贫化，导致基体晶格的畸变程度减小，基体晶格常数值进一步减小。过时效态合金晶内及晶界上η平衡相比较粗大，晶间无析出带很明显（图5c），且体积分数较大，在XRD分析中呈现较强的衍射峰（图8），由于基体溶质原子贫化的继续，基体晶格常数值仍在减小。

提高时效温度或增加时效时间，基体中非平衡η′脱溶物析出量增加，位错运动需穿过高应变的基体区域，强度进一步提高。随着η′脱溶物数量增多，分布更均匀，对位错运动的阻力也越大，强化效果越明显［14］，合金强度也将达到峰值。实验结果表明（图3），7B04铝合金经120℃×24h时效处理达到峰值时效态，合金的抗拉强度、屈服强度分别达到568MΡa和542

470℃×60min固溶处理后，MgZn2的衍射峰消失，表

明MgZn2相已溶入到铝基体中。合金拉伸力学性能分析结果表明，时效态合金强度随固溶温度升高增加，说明充分固溶是提高时效态合金强度力学性能的基础。由于XRD物相分析灵敏度不高，一般不能检测出含量<1%的第二相，因此通过测量α（Al）基体晶格常数的变化表征MgZn2相在基体中的溶入程度。

7B04合金固溶处理时，溶质原子Mg、Zn等溶入

基体形成置换式固溶体，由于溶质与基体原子尺寸差异，金属的晶体点阵发生畸变，从而使晶格常数发生变化。Zn的原子半径比Al小，Zn的溶入会导致基体晶格常数减小；而Mg的原子半径比Al大，Mg的溶入则导致基体晶格常数增大。但根据皮尔松的数据［13］，α（Al）基体中Zn的含量每增加1%（原子），基体的晶格常数下降0.000075nm；而Mg含量每增加1%（原子），基体的晶格常数增加0.0004nm，Mg对晶格常数的影响比Zn的影响大得多。所以，7B04合金固溶处理时，

MΡa。

但如果时效温度过高，非平衡η′相向平衡η相的转变也同时被加速，η′相转化为η相后，它们的间距变大，位错有可能在脱溶物之间拱弯绕过，强度开始降低；如果时效时间过长，η相逐渐聚集长大，析出物与基体不共格，没有共格弹性应力场，沉淀强化效应降低，强度下降。合金处于过时效阶段，粗大、连续片状析出物的存在对合金塑性没有明显提高，合金的δ值基本稳定。

Mg、Zn溶入基体后基体的晶格常数总体还是增大。实验结果（表3）表明，470℃×60min固溶处理后α（Al）基体晶格常数最大，表明MgZn2相已完全溶入到铝基体中，最大限度的提高了Mg、Zn元素在基体中的过饱和度。拉伸力学性能分析结果表明470℃×60min固

溶处理后时效态合金强度最高。继续提高固溶温度，α（Al）基体晶格常数反而变小，这可能是由于Mn等其它尺寸较小的原子溶入基体造成的，同时还会削弱Mn的抑制再结晶能力。

在470℃温度下延长固溶时间，α（Al）晶格常数增加（表4），470℃×60min固溶处理后α（Al）晶格常数最大，继续延长固溶时间，α（Al）晶格常数基本保持一定。470℃×10min固溶处理后MgZn2相的衍射峰完全消失（图7），表明在470℃下MgZn2相能较容易的回溶到基体中。在高于470℃的温度下固溶或者在470

4结论

1）通过XRD衍射物相分析及α（Al）基体晶格常

数的精确测量，能更好地表征溶质相的回溶以及时效后第二相的析出程度，指导合金固溶-时效热处理制度的选择。

℃下长时间固溶，会导致基体晶粒粗化（图3d，图4b），从而使时效态合金强度下降。

3.2时效条件对合金力学性能的影响

时效处理初期，过饱和固溶体脱溶分解形成G.P区，由于温度较低时原子扩散速度较慢，G.P区向非平衡η′相转变过程较慢，固溶体中的溶质原子来不及析出，合金处于欠时效状态，其晶间无析出带较宽，晶内第二相粒子的数量较少（图5a）。形成G.P区后，位错通过G.P区需要额外的应力，使合金强度升高，且G.

2）7B04铝合金的最佳固溶-时效处理制度为470℃×60min＋120℃×24h。经固溶-时效处理后合金的拉伸性能达到：σb＝568MΡa，σ0.2＝542MΡa，δ＝12%。

3）7B04合金具有很强的时效强化特性，当晶内

及晶界的第二相析出粒子分布比较均匀、密集、细小时，达到峰值时效状态，合金强度最高。

5参考文献

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第32卷第4期2009年7月

兵器材料科学与工程

ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING

Vol．32No．4

July,2009

间断焊温度场的红外测量与研究

曾志1，2，王立君1，2，王月1，2，张涵3

（1.天津大学材料科学与工程学院，天津300072；2.天津市现代连接技术重点实验室，天津300072；

3.巨龙钢管有限责任公司，河北青县062658）

摘

要采用非致冷焦面红外热像仪对5A06铝合金加筋筒型结构角焊缝的间断焊过程进行实时测量和研究。根据热像

仪测温原理，研究并发现热像图上目标发射率与辐射度呈指数衰减关系，并依此确定5A06铝合金的发射率。针对结构特殊性和拍摄角度等问题，通过热像图上像素距离和实际尺寸的比例关系，采用离散的方法建立若干局部坐标系对焊缝正面温度场进行空间还原，将热像图中的温度信息还原为试件实际位置的温度场分布，为残余应力和变形的计算和研究提供了依据。对比热循环曲线发现，间断焊中前段焊缝对后续焊缝有很好的预热作用，提高后续焊缝的峰值温度，并改善焊缝区的组织和性能，同时热影响区晶粒粗大且硬度较高。关键词间断焊；焊接温度场；红外热像仪；发射率中图分类号TB22

文献标识码A

文章编号1004-244X（2009）04-0058-05

InfraredmeasurementandresearchoftemperaturedistributionduringdiscontinuousweldingZENGZhi1，2，WANGLijun1，2，WANGYue1，2，ZHANGHan3

（1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.TianjinKeyLaboratoryof

AdvancedJoiningTechnology，Tianjin300072，China；3.JulongSteelPipeCo.，Ltd，Hebei062658，China）

AbstractThediscontinuousweldingprocessof5A06aluminumalloyribbedpanelscylinderwasmeasuredandresearchedbytheThermalImagingInfraredSystem.TheemissivityandradiosityinthethermalimagefollowexponentialdecayaccordingtotheInfraredSystemworkingprinciple，andtheemissivityof5A06aluminumalloywasdetermined.Todealwiththeparticularityofthestructureandshootingangle，basedontherelationshipbetweenpixeldistanceandtruesize，thetemperaturedatainheatimagewasrevertedintothetemperaturedistributionofweldingseambydiscretelocalcoordinatesystems.Comparingwiththeheat￣circulation，itisfoundthattheformedweldingseamwarmsupthelatterones，thetemperaturepeakvalueoflatterseamswasraised；theweldmicrostructurewasimprovedduringthediscontinuouswelding，andthegrainintheHAZhadbeencoarsed.

Keywordsdiscontinuouswelding；weldingtemperaturedistribution；ThermalImagingInfraredSystem；emissivity

收稿日期：2008-04-29；修回日期：2009-04-08

作者简介：曾志，男，博士研究生；主要从事焊接结构，疲劳及断裂行为的研究。Email：tju_zzhier@yahoo.com.cn。

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