王少華，孟令剛，房燦峰，郝 海，張興國(guó)

大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116024

新型Al－Zn－Mg－Cu合金型材雙級(jí)時(shí)效組織性能研究＊

王少華，孟令剛，房燦峰，郝 海，張興國(guó)

大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116024

通過拉伸性能測(cè)試及金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡分析，研究了一種新型Al－Zn－Mg－Cu合金擠壓型材在120℃／4h＋165℃／8h制度下的拉伸性能、電導(dǎo)率和顯微組織等.結(jié)果顯示：Al－Zn－Mg－Cu合金型材在此狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為548 MPa，屈服強(qiáng)度為514.5 MPa，延伸率為11.6%，電導(dǎo)率為41.7%IACS.相對(duì)于T73狀態(tài)的7050合金型材，Al－Zn－Mg－Cu合金的抗拉強(qiáng)度提高了4.7%，屈服強(qiáng)度提高了11.6%，延伸率提高了12.6%，電導(dǎo)率相當(dāng).該合金的斷裂方式為穿晶剪切斷裂，主要沉淀相為η′相和η相.該合金型材具有優(yōu)異的強(qiáng)韌綜合性能.

Al－Zn－Mg－Cu合金；型材；雙級(jí)時(shí)效；顯微組織；性能

Al－Zn－Mg－Cu系鋁合金，因其具有高強(qiáng)度、低密度和良好的加工性能等優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足了飛機(jī)低成本和輕量化的要求［1－4］.隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鋁合金性能的要求不斷提高，如：材料應(yīng)具備良好的強(qiáng)韌匹配和抗應(yīng)力腐蝕性能.合金成分和熱處理制度的優(yōu)化一直是各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)［5－6］.雙級(jí)時(shí)效處理包括低溫預(yù)時(shí)效和高溫終時(shí)效兩個(gè)階段，通過調(diào)整合金晶內(nèi)和晶界沉淀相尺寸、種類和分布，在強(qiáng)度降低不多的條件下可獲得良好的韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能［7］.

本文研究的 Al－Zn－Mg－Cu合金已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)主梁、肋等整體結(jié)構(gòu)件，產(chǎn)品有T7651厚板和T7452模鍛件，但關(guān)于該合金擠壓型材的研究卻未見報(bào)道.本研究成功制備了該合金的擠壓型材，并測(cè)試了其雙級(jí)時(shí)效狀態(tài)下的拉伸性能和電導(dǎo)率.與7050合金型材相比，該合金具有優(yōu)異的綜合性能，為該合金型材的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用 Al－Zn－Mg－Cu合金型材的規(guī)格如圖1所示，合金的化學(xué)成分列于表1.

圖1 Al－Zn－Mg－Cu合金型材的規(guī)格Fig.1 The specification of Al－Zn－Mg－Cu alloy profile

表1 Al－Zn－Mg－Cu合金型材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Al－Zn－Mg－Cu alloy profile

Al－Zn－Mg－Cu合金型材經(jīng)470℃／2h 固溶、室溫水淬后，進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料，選取一級(jí)時(shí)效制度為120℃／4h，二級(jí)時(shí)效制度為165℃／8h.通過硬度法繪制試驗(yàn)合金型材在165℃的二級(jí)時(shí)效曲線，并依據(jù)電導(dǎo)率的數(shù)值選擇適宜的時(shí)效時(shí)間，測(cè)試合金在雙級(jí)時(shí)效（T73）狀態(tài)下的力學(xué)拉伸性能，并與相同時(shí)效狀態(tài)下的7050合金型材的性能進(jìn)行對(duì)比.

分別沿L向截取拉伸試樣，在WDW－100k N試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用 HB－3000B－I布氏硬度計(jì)測(cè)量硬度.在SIGMASCOPE SMP10型電導(dǎo)儀上進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試.采用萊卡MEFS型多功能金相顯微鏡觀察顯微組織.在島津JSM－M5600LN型掃描電鏡（SEM）上觀察拉伸斷口形貌.在JEM－2010型透射電鏡上觀察合金的微結(jié)構(gòu)，加速電壓為200 k V.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為 Al－Zn－Mg－Cu合金型材固溶處理后L向的顯微組織照片.圖2顯示，經(jīng)固溶處理后，合金晶粒組織未發(fā)現(xiàn)明顯的再結(jié)晶，大部分晶粒仍保持著拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒組織，組織內(nèi)存在少量未溶的第二相粒子.

圖2 Al－Zn－Mg－Cu合金型材的顯微組織照片F(xiàn)ig.2 The optical micrograph of Al－Zn－Mg－Cu alloy profile

2.2 時(shí)效曲線

合金型材經(jīng)過一級(jí)時(shí)效120℃／4h后，二級(jí)時(shí)效溫度為165℃的時(shí)效曲線如圖3所示.由圖3可知，合金的硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，大約在2 h的時(shí)候達(dá)到峰值；合金的電導(dǎo)率則隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)單調(diào)遞增，大約在5 h之后，電導(dǎo)率的數(shù)值大于40%IACS.因?yàn)楸疚闹饕芯吭摵辖鹦筒碾p級(jí)時(shí)效（T73）狀態(tài)下的性能，所以選取電導(dǎo)率為40%～42%IACS.圖3顯示，二級(jí)時(shí)效時(shí)間取6～8 h可滿足要求，而且這個(gè)時(shí)間段內(nèi)合金的硬度下降不多.因此，綜合考慮合金的硬度和電導(dǎo)率，選取120℃／4h＋165℃／8h為試驗(yàn)合金理想的T73制度.

圖3 合金在二級(jí)時(shí)效溫度為165℃的時(shí)效曲線Fig.3 Aging curves of the alloy profile during theduplex aging temperature of 165℃

2.3 力學(xué)拉伸性能

Al－Zn－Mg－Cu合金型材在120℃／4h＋165℃／8h時(shí)效后的力學(xué)拉伸性能列于表2.由表2可知，Al－Zn－Mg－Cu合金在電導(dǎo)率滿足要求的同時(shí)，具備了較高的強(qiáng)度和較好的韌性.在電導(dǎo)率相當(dāng)?shù)那闆r下，Al－Zn－Mg－Cu合金的強(qiáng)度和延伸率均優(yōu)于7050合金，其中抗拉強(qiáng)度提高了4.7%，屈服強(qiáng)度提高了11.6%，延伸率提高了12.6%.因此，Al－Zn－Mg－Cu合金型材在T73狀態(tài)下，不但具有較優(yōu)的強(qiáng)韌匹配，而且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能（電導(dǎo)率表征）.

表2 Al－Zn－Mg－Cu和7050合金型材T73狀態(tài)下的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Al－Zn－Mg－Cu and 7050 alloy profile at T73 temper

2.4 TEM組織

圖4 為 Al－Zn－Mg－Cu 合金 經(jīng) 過 120℃／4h＋165℃／8h雙級(jí)時(shí)效后的TEM照片，晶內(nèi)和晶界處的明場(chǎng)相均是在＜001＞Al帶軸下得到的.圖4顯示，合金晶內(nèi)存在著棒狀和圓形兩種形態(tài)的沉淀相，而且主要以圓形的沉淀相為主，尺寸多集中在10～20 nm（圖4（a））.晶界沉淀相粗化嚴(yán)重，呈圓形且沿著晶界斷續(xù)分布.晶界附近存在明顯的晶界無析出帶（PFZ），過時(shí)效現(xiàn)象明顯（圖4（b））.＜001＞Al帶軸下的衍射斑點(diǎn)花樣如圖4（c）所示，＜001＞Al帶軸下可以清晰地發(fā)現(xiàn)在1／3｛220｝、2／3｛220｝位置出現(xiàn)了η′（η）相的衍射花樣，晶內(nèi)沉淀相主要為與基體半共格的η′相和非共格的η相，并且η相數(shù)量居多［8］，說明此時(shí)合金的強(qiáng)度已經(jīng)處于下降的階段.另外，在＜001＞Al帶軸下有斑點(diǎn)占據(jù)了｛110｝和｛010｝的位置，經(jīng)分析可知為Al3Zr相的衍射斑點(diǎn)［9］，Al3Zr相是在鑄錠均勻化過程中析出的彌散相.

圖4 合金在120℃／4h＋165℃／8h時(shí)效的TEM照片和選區(qū)電子衍射花樣（a）晶內(nèi)；（b）晶界；（c）＜001＞Al SADPFig.4 TEM images and SADP of alloy after aging of 120℃／4h＋165℃／8h（a）matrix；（b）grain boundary；（c）＜001＞Al SADP

圖5 合金在120℃／4h＋165℃／8h時(shí)效后拉伸斷口的SEM形貌Fig.5 SEM images of tensile fracture of alloy after aging of 120℃／4h＋165℃／8h

2.5 拉伸斷口

圖 5 為 Al－Zn－Mg－Cu 合 金 在 120℃／4h＋165℃／8h雙級(jí)時(shí)效后的拉伸斷口形貌圖.圖5顯示，試樣斷口內(nèi)存在著大量的沿著縱向的長(zhǎng)條型剪切帶和少量分散的較淺的韌窩.這主要是因?yàn)楹辖鸸倘軙r(shí)效后存在著少量的第二相粒子，而合金在斷裂過程中主要是穿晶的剪切斷裂機(jī)制，合金的晶粒形狀呈沿著擠壓方向的纖維狀組織，所以合金斷口的主要特征是長(zhǎng)條的剪切帶和少量較淺的韌窩.

3 結(jié) 論

Al－Zn－Mg－Cu合金擠壓型材在 120 ℃／4h＋165℃／8h制度下的抗拉強(qiáng)度為548 MPa，屈服強(qiáng)度為514.5 MPa，延伸率為11.6%，電導(dǎo)率為41.7%IACS.相對(duì)于T73狀態(tài)的7050合金型材，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度提高了4.7%，屈服強(qiáng)度提高了11.6%，延伸率提高了12.6%，電導(dǎo)率相當(dāng).Al－Zn－Mg－Cu合金的斷裂方式為穿晶剪切斷裂，主要強(qiáng)化相以η′相和η相為主.該合金型材具有優(yōu)異的強(qiáng)韌綜合性能.

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Investigation on microstructure and properties of a new type Al－Zn－Mg－Cu alloy profile after duplex aging treatment

WANG Shaohua，MENG Linggang，F(xiàn)ANG Canfeng，HAO Hai，ZHANG Xingguo
School of Materials Science and Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

In this paper，the tensile properties，electrical conductivity and microstructure of a new type Al－Zn－Mg－Cu alloy profile after aging for 4h at 120℃plus 8h at 165℃ were tested by tensile testing，optical microscopy（OM），scanning electron microscopy（SEM）and transmission electron microscopy（TEM）.The results show that the ultimate tensile strength，yield strength，elongation and electrical conductivity are 548MPa，514.5MPa，11.6%and 41.7%IACS，respectively.Compared to 7050 alloy profile of T73 temper，the ultimate tensile strength，yield strength and elongation of the alloy increase by 4.7%，11.6%，and 12.6%，while the electrical conductivity is equivalent.The fracture mode of the alloy is transgranular shearing fracture，and the major precipitates in the alloy areη′andηphases under the aging condition.The alloy profile can obtain good strength and suitable toughness.

Al－Zn－Mg－Cu alloy；profile；duplex aging；microstructure；properties

TG 146.2

A

1673－9981（2011）03－0190－04

2010－11－04

國(guó)家自然科學(xué)基金（50875031）；華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（08－07）

王少華（1983—），男，山東濰坊人，博士研究生.