嚴(yán)偉林

（廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院 廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu 合金作為高性能結(jié)構(gòu)材料廣泛用于制造飛機(jī)機(jī)身、蒙皮、機(jī)翼梁、大梁、桁條等重要零部件[1，2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)Al-Zn-Mg-Cu 合金具有高強(qiáng)度和高耐蝕性能良好匹配的需求更為迫切。然而，通過傳統(tǒng)的加工方法，如過時(shí)效、回歸再時(shí)效以及形變熱處理等，可以提高Al-Zn-Mg-Cu 合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，但很難同時(shí)保持高強(qiáng)度[3-8]。強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)材料最重要的力學(xué)性能之一。在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中仍然存在一個(gè)突出的問題, 即以犧牲強(qiáng)度的代價(jià)來獲得較高的耐蝕性。

研究發(fā)展新的加工方法，使Al-Zn-Mg-Cu 合金具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐腐蝕性能，無疑具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。本工作選擇7075 鋁合金為研究對(duì)象，以多向鍛造和時(shí)效處理加工，研究了多向鍛造和時(shí)效處理加工對(duì)7075 鋁合金的顯微組織、強(qiáng)度、延伸率和抗應(yīng)力腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料選擇熱擠壓成型直徑φ30 mm 7075 鋁合金棒材（T6 態(tài)），化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：5.68%Zn、2.58% Mg、1.5% Cu、0.11% Si、0.18% Fe、0.063% Mn、0.18%Cr，余量Al。首先將鍛造坯料切成長(zhǎng)70 mm 圓棒，再進(jìn)行470 ℃× 120 min 的固溶處理，在第一、二和三道次鍛造前，試樣分別在200 ℃的電阻爐內(nèi)保溫30 min、10 min 和10 min（以獲得最大程度應(yīng)變強(qiáng)化且試樣不開裂）。利用65 kg 空氣錘以大約10 s-1的應(yīng)變率在試樣互相垂直的3 個(gè)方向依次反復(fù)鍛造，循環(huán)3 次，每道次在每一方向的壓縮量大約為25%，再把試樣鍛成26.6 mm × 26.6 mm × 70 mm 的方塊，然后進(jìn)行120 ℃× 720 min 的時(shí)效處理。

室溫拉伸試樣標(biāo)距為15 mm、寬度為2 mm、厚度為1 mm，使用Instron 8801 材料試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min恒定速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕拉伸試樣標(biāo)距為15 mm、寬度為4 mm、厚度為2.5 mm，使用NKK-4050 型慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上以1×10-6/s的應(yīng)變速率測(cè)試試樣的應(yīng)力腐蝕行為，試驗(yàn)分別在空氣和3.5% NaCl 水溶液中測(cè)試。

采用光學(xué)顯微鏡和FEI TECNAI G2 F30 透射電子顯微鏡（TEM，工作電壓為200 kV）表征試樣的顯微組織特征。采用S-3400 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1為試樣工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。T6 態(tài)試樣具有較低拉伸強(qiáng)度，但延伸率較高，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為541 MPa 和9.4%。多向鍛造和時(shí)效處理試樣的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為586 MPa 和7.9%。與T6態(tài)試樣相比較，多向鍛造和時(shí)效處理使合金強(qiáng)度增加，而延伸率下降不大。圖2 為T6 態(tài)試樣金相顯微組織，顯然，T6 態(tài)試樣為普通粗晶組織。圖3 為多向鍛造和時(shí)效處理試樣TEM 顯微組織，從圖可以看出典型的強(qiáng)烈塑性變形顯微組織，晶粒明顯組化，在晶粒內(nèi)部有大量位錯(cuò)。多晶體金屬的晶粒尺寸是影響其力學(xué)性能的因素之一。晶粒細(xì)化因此增加強(qiáng)度是由于有更多的晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。此外，由于多向鍛造，使位錯(cuò)密度增加，也導(dǎo)致強(qiáng)度的提高。

圖1 試樣工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 T6 態(tài)試樣金相金相顯微組織

圖3 多向鍛造和時(shí)效處理試樣TEM 顯微組織

圖4為試樣在空氣和3.5% NaCl 水溶液中慢應(yīng)變速率測(cè)試（SSTT）結(jié)果。T6 態(tài)試樣在空氣中SSRT 的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為516 MPa 和18.5%，而在3.5% NaCl 溶液中SSRT 的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為494 MPa 和14.6%；多向鍛造和時(shí)效處理試樣在空氣中SSRT 的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為637 MPa 和15.0%，而在3.5% NaCl 溶液中SSRT 的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為637MPa 和14.2%。

圖4 試樣在空氣和3.5%NaCl 水溶液中SSRT 曲線

使用指數(shù)rsol/air 評(píng)估抗應(yīng)力腐蝕性能，該指數(shù)是在3.5% NaCl 溶液和空氣中測(cè)試樣品的延伸率之比，指數(shù)rsol/air 的值越大，抗應(yīng)力腐蝕性能越強(qiáng)[8]。T6態(tài)試樣的rsol/air 值為85.92%，而多向鍛造和時(shí)效處理試樣的rsol/air 值為94.57%。而且，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15970.7-2000 和航天標(biāo)準(zhǔn)HB7235-95，定義應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT。指數(shù)ISSRT 是一項(xiàng)綜合的數(shù)學(xué)處理結(jié)果，是把SSRT 試驗(yàn)所得到的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算，相比用伸長(zhǎng)量的比值或者強(qiáng)度的比值，指數(shù)ISSRT 能更準(zhǔn)確評(píng)估應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性，計(jì)算公式如下[9,10]：

式中，σfw、σfA分別是在環(huán)境介質(zhì)中和在惰性介質(zhì)中的拉伸強(qiáng)度；而σfw、σfA分別是在環(huán)境介質(zhì)中和在惰性介質(zhì)中的延伸率。ISSRT 值從0 到1 變化，表示應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性逐步增加。如果ISSRT 值大于0.1，說明材料具有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性。T6 態(tài)試樣的ISSRT 值為0.2363，而多向鍛造和時(shí)效處理試樣的ISSRT 值為0.0500，可見，多向鍛造和時(shí)效處理試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性程度較低。

圖5為試樣在3.5% NaCl 水溶液中SSTT 斷口形貌。T6 態(tài)試樣和多向鍛造和時(shí)效試樣的斷口都是由沿晶裂紋和一些的韌窩構(gòu)成，屬于典型的脆性斷口與韌窩斷口的混合形貌。

圖5 試樣在3.5%NaCl 水溶液中SSTT 斷口形貌

圖6 為試樣TEM 顯微組織。由圖可見，T6 態(tài)試樣的晶界析出相呈連續(xù)性分布（通常是η 和η′相[11]），而多向鍛造和時(shí)效處理試樣的晶界析出相微粒稍粗，且呈非連續(xù)性分布。在多向鍛造過程中，重復(fù)錘擊使試樣產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形, 因此，位錯(cuò)密度增加。除了位錯(cuò)在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生，大量的位錯(cuò)還聚集在晶界附近。析出相的形核、生長(zhǎng)和粗化速率取決于溶質(zhì)在基體和缺陷的擴(kuò)散。缺陷擴(kuò)散，如位錯(cuò)和晶界，因?yàn)樗俣缺润w擴(kuò)散快得多。因此，位錯(cuò)和晶界有助于在時(shí)效過程中增加晶界析出相的尺寸和間距。一方面，較粗的晶界析出相使電化學(xué)反應(yīng)過程中陽(yáng)極相對(duì)陰極的比例增加，導(dǎo)致陽(yáng)極電流下降[12]，晶界析出相溶解速率降低，增強(qiáng)了抗應(yīng)力腐蝕性能。另一方面，由于晶界析出相非連續(xù)分布，難以沿晶界形成陽(yáng)極溶解通道，延緩了晶界腐蝕的發(fā)生，也提高了抗應(yīng)力腐蝕性能。

圖6 試樣晶界析出相分布

3 結(jié)論

以多向鍛造和時(shí)效處理耦合技術(shù)加工7075 鋁合金，晶粒細(xì)化和位錯(cuò)密度增加使合金的強(qiáng)度增加，位錯(cuò)和晶界的作用使合金在時(shí)效過程中增加晶界析出相的尺寸和間距，合金的抗應(yīng)力腐蝕性能提高歸因于較粗和非連續(xù)分布的晶界析出相。