7系变形铝合金的固溶处理工艺研究
7系变形铝合金的固溶处理工艺研究[20200413194050]
摘 要
本文首先对国内外7xxx系铝合金的研究现状进行了介绍，并介绍了固溶处理的定义和原理，主要针对7075铝合金和7N01铝合金板材，将其处理成规整的立方块进行温度、保温时间、转移时间三方面因素对固溶处理的讨论，研究适合两种铝合金的最佳工艺条件，最后观察铝合金的显微组织，分析实验数据得出结论。
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关键字:7系铝合金固溶处理硬度金相显微照片
目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 国内外7系铝合金的研究现状 4
1.2.1 国外研究现状? 4
1.2.2 国内研究现状 6
1.3 固溶处理简介 6
1.4 本课题的研究内容 8
第2章 实验内容 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验设备及实验方法 10
2.2.1 实验设备 10
2.2.2 实验方法 10
2.3 实验流程图 13
第3章 结果和讨论 14
3.1 温度因素 14
3.1.1 硬度 14
3.1.2 组织形貌 15
3.2 保温时间因素 17
3.2.1 硬度 17
3.2.2 组织形貌 18
3.3 转移时间因素 19
3.3.1 硬度 19
3.3.2 组织形貌 20
结论 22
参考文献 23
致谢 24
第1章 绪论
1.1 概述
一直以来高强度并且质量轻的金属材料的发展在各行各业都受到科学工作者的研究和发展创新。随着当下的航空、航天以及交通运输等相关领域的越来越高的技术要求，仅仅是高强度和重量轻已经不再能满足要求，在兼顾经济性的同时，研究者在金属材料高韧性、高抗疲劳以及高抗腐蚀性能的道路上挥洒着辛勤的劳动汗水。
铝合金在金属材料中低位崇高，无论是大到航空、航天还是国民机械、土木工程甚至于小到家电电子电器，铝合金的影子可以说伴随了每一个人，它的应用不知不觉中已经融入这个世界的每一个角落。作为金属材料第二大类，铝合金的作用无可厚非，在科学工作者的手中，铝合金的产量和质量一年比一年高。其耐腐蚀、密度低、比强度高和强悍的力学性能越来越发挥出对高精尖领域的促进作用。
高强度、高韧性、高耐腐蚀、高比强度和低密度的高性能铝合金的发展可以从热处理规范上进行创新，国外研究者改变了合金的纯度，增加铝合金中的其它元素，获得了不少高性能合金[1]。但是针对热处理的工艺研究上，时效研究一直被国内外科研工作者追捧，相对的，固溶处理的工艺包括变性组织的研究和铸锭均匀化的研究却远远没有那么的深入。他们有着过烧方面的担心，变形之后的晶粒会出现粗大，也会有共晶复溶的情况出现。铸锭的时候，经常可以造成晶界非平衡共晶相甚至产生粗大的第二相。这些不利因素在热处理过程中伴随着遗传效应，使得铝合金的最终性能会有各种各样的影响。
影响合金性能的原因在于粗大化合物相一直存在于组织中不溶解。研究表明，非平衡低熔共晶点远远的高于变形组织固溶温度和一般的铸锭均匀化温度，经过遗传，才影响了最终的合金性能，要改变这种状况，提升合金性能，可以在固溶处理的工艺手法上改善，比如选择合理的固溶温度、改变固溶保温时间、改变淬火前的转移时间等等，这些因素的综合应用可以明显使得粗大化合物数量大大减少，这种方式可以明显改善铝合金的综合性能，国内现在也在探讨铝合金的最佳固溶工艺。所以怎么样确定铝合金的固溶工艺方案，去除或减轻粗大化合物对铝合金最终性能的不利之处，这是本课题研究的一方面，也是铝合金性能得以提高的一个极其重要的途径。
现代化的飞机的寿命和安全性如今越来越受到人们的重视，特别是现在的发展方向正在走大型、多载和高速的道路，所以对合金材料有极其严格的要求，结构材料的性能必须是最好的，尤其是在断裂韧度的提高、抗应力腐蚀的增强和抗疲劳性能的研究上，高强高韧的新型铝合金材料被材料方面的专家看中。材料方面的专家试验、讨论铝合金成分的变化、加工和热处理工艺参数的设定，分析铝合金实验后的组织、性能，创新得到的高强新型铝合金材料性能可观。在这种科技背景下，高强度的新型变形铝合金由此拉开了属它们辉煌的帷幕。
7xxx系铝合金焊接性能优越，有着很不错的加工性能而且密度很小和其他很多优良特征，其包括A1-Zn-Mg系和AI-Zn-Mg-Cu系合金。在不断增长的现代工业，高要求的7xxx系铝合金一直被人们所追求[2]。7xxx新型高强铝合很大一部分应用在航空航天、建筑、兵工厂、汽车制造业、土木工程和大型的压力容器。近几年，7xxx系铝合金的主要研究方向都集中于设计合金化学成分、相关机理的探讨、热处理工艺的创新及其参数的优化。这些研究方面和市场需求促进了一大批国内外材料专家对高强铝铝合金的研究得到了重大成果，对工艺方面的研究和探讨使得人们深入了解了神秘的7xxx系铝合金，由此也促进了航天航空和其他工业的发展。
图1-1 铝-镁-铜三元合金变温垂直截面图
铝合金的主要强化相的主要形成原因在于Zn、Mg 的含量，而Zn、Mg 的含量是影响7xxx系铝合金机械性能的重要因素。但是高强铝合金的各方面因素并不是整体提升，比如会存在一些矛盾点，当铝合金的强度上升到一定阶段的时候，会同时发现铝合金的韧性、抗应力腐蚀和塑性有不同程度的减小趋势。如何均衡各个矛盾点也成为各方研究的目标所在。
Zn、Mg之间形成二元η(MgZn2)相，T相(Al2Mg3Zn3)作为三元固溶体与Zn、Mg和Al有着密切的关系。 在研究中可以发现，若要使高强度铝合金的性能有所提高，Zn、Mg的含量需要严格的控制。国外研究者研究发现MgZn2在共晶温度溶解度达28%，η相和T相在Al中溶解度很大，伴随着温度的降低两相溶解度越来越低，时效硬化能力变得很强。所以合理控制合金中Zn、Mg的含量对改进高强铝合金的综合性能有很大的意义[3]。
为了获得合金良好的综合性能，可以在适当的范围内微调Zn/Mg比。Gruhl等人曾有过研究，当Zn/Mg比接近T(Al2Mg3Zn3)化合物的化合比(2.71)时，也就是说Zn/Mg=2.7~2.9的合金，得到了铝合金的最佳综合性能。但是也有人为了得到高的疲劳强度、断裂韧度和良好的静强度，把Zn/Mg比设定在3.5左右，但是7％的Zn含量导致与断裂韧性有关的性能、焊接性能以及耐蚀性急剧下降。不仅仅如此，Mg的百分比过大会引起SCC的敏感性提升，还会使得应力腐蚀开裂[4]。但是Cu的加入可以明显帮助提高重复加载能力和合金强度，而且可以降低因为Zn、Mg含量高时造成的缺点。
Cu原子会溶入η′和η相中，针对Zn/Mg大的合金，增加Cu 百分比，会提高合金韧性，提高合金的抗应力腐蚀能力，减低晶界和晶内的电位差。在Al-Zn-Mg合金中加入Cu元素，Cu会与Al、Mg结合得到的S(Al2CuMg)相会使合金性能有所提高，合金的强度明显增强。原因就在于Cu降低了晶界与晶内之间的的电位差，还可以使晶界沉淀相得到细化，可是对无析出带(PFZ)的宽度没有太大影响，沿晶开裂会有明显的抑制，抗应力腐蚀性能得到提升[5]。Cu还让铝合金的断裂韧性和疲劳抗力有所提升。
图1-2 铝-铜二元合金状态图
因为Cu的加入会有晶间腐蚀和点蚀的趋势，所以Cu的加入也不是越高越好，在低含量的时候，Cu含量越高，疲劳抗力和断裂韧性随之提高，然而当含量增达到1.5%时，铝合金耐蚀性处在明显下降状态[6]。Al-Zn-Mg-Cu系合金，具有在所有铝合金中最佳明显的强化效果[7]。国内外研究者对超高强铝合金的成分设计进行了许多试验，成功得到各种高的强化效果、良好机械性能和细小的致密显微组织的铝合金。
摘 要
本文首先对国内外7xxx系铝合金的研究现状进行了介绍，并介绍了固溶处理的定义和原理，主要针对7075铝合金和7N01铝合金板材，将其处理成规整的立方块进行温度、保温时间、转移时间三方面因素对固溶处理的讨论，研究适合两种铝合金的最佳工艺条件，最后观察铝合金的显微组织，分析实验数据得出结论。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:7系铝合金固溶处理硬度金相显微照片
目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 国内外7系铝合金的研究现状 4
1.2.1 国外研究现状? 4
1.2.2 国内研究现状 6
1.3 固溶处理简介 6
1.4 本课题的研究内容 8
第2章 实验内容 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验设备及实验方法 10
2.2.1 实验设备 10
2.2.2 实验方法 10
2.3 实验流程图 13
第3章 结果和讨论 14
3.1 温度因素 14
3.1.1 硬度 14
3.1.2 组织形貌 15
3.2 保温时间因素 17
3.2.1 硬度 17
3.2.2 组织形貌 18
3.3 转移时间因素 19
3.3.1 硬度 19
3.3.2 组织形貌 20
结论 22
参考文献 23
致谢 24
第1章 绪论
1.1 概述
一直以来高强度并且质量轻的金属材料的发展在各行各业都受到科学工作者的研究和发展创新。随着当下的航空、航天以及交通运输等相关领域的越来越高的技术要求，仅仅是高强度和重量轻已经不再能满足要求，在兼顾经济性的同时，研究者在金属材料高韧性、高抗疲劳以及高抗腐蚀性能的道路上挥洒着辛勤的劳动汗水。
铝合金在金属材料中低位崇高，无论是大到航空、航天还是国民机械、土木工程甚至于小到家电电子电器，铝合金的影子可以说伴随了每一个人，它的应用不知不觉中已经融入这个世界的每一个角落。作为金属材料第二大类，铝合金的作用无可厚非，在科学工作者的手中，铝合金的产量和质量一年比一年高。其耐腐蚀、密度低、比强度高和强悍的力学性能越来越发挥出对高精尖领域的促进作用。
高强度、高韧性、高耐腐蚀、高比强度和低密度的高性能铝合金的发展可以从热处理规范上进行创新，国外研究者改变了合金的纯度，增加铝合金中的其它元素，获得了不少高性能合金[1]。但是针对热处理的工艺研究上，时效研究一直被国内外科研工作者追捧，相对的，固溶处理的工艺包括变性组织的研究和铸锭均匀化的研究却远远没有那么的深入。他们有着过烧方面的担心，变形之后的晶粒会出现粗大，也会有共晶复溶的情况出现。铸锭的时候，经常可以造成晶界非平衡共晶相甚至产生粗大的第二相。这些不利因素在热处理过程中伴随着遗传效应，使得铝合金的最终性能会有各种各样的影响。
影响合金性能的原因在于粗大化合物相一直存在于组织中不溶解。研究表明，非平衡低熔共晶点远远的高于变形组织固溶温度和一般的铸锭均匀化温度，经过遗传，才影响了最终的合金性能，要改变这种状况，提升合金性能，可以在固溶处理的工艺手法上改善，比如选择合理的固溶温度、改变固溶保温时间、改变淬火前的转移时间等等，这些因素的综合应用可以明显使得粗大化合物数量大大减少，这种方式可以明显改善铝合金的综合性能，国内现在也在探讨铝合金的最佳固溶工艺。所以怎么样确定铝合金的固溶工艺方案，去除或减轻粗大化合物对铝合金最终性能的不利之处，这是本课题研究的一方面，也是铝合金性能得以提高的一个极其重要的途径。
现代化的飞机的寿命和安全性如今越来越受到人们的重视，特别是现在的发展方向正在走大型、多载和高速的道路，所以对合金材料有极其严格的要求，结构材料的性能必须是最好的，尤其是在断裂韧度的提高、抗应力腐蚀的增强和抗疲劳性能的研究上，高强高韧的新型铝合金材料被材料方面的专家看中。材料方面的专家试验、讨论铝合金成分的变化、加工和热处理工艺参数的设定，分析铝合金实验后的组织、性能，创新得到的高强新型铝合金材料性能可观。在这种科技背景下，高强度的新型变形铝合金由此拉开了属它们辉煌的帷幕。
7xxx系铝合金焊接性能优越，有着很不错的加工性能而且密度很小和其他很多优良特征，其包括A1-Zn-Mg系和AI-Zn-Mg-Cu系合金。在不断增长的现代工业，高要求的7xxx系铝合金一直被人们所追求[2]。7xxx新型高强铝合很大一部分应用在航空航天、建筑、兵工厂、汽车制造业、土木工程和大型的压力容器。近几年，7xxx系铝合金的主要研究方向都集中于设计合金化学成分、相关机理的探讨、热处理工艺的创新及其参数的优化。这些研究方面和市场需求促进了一大批国内外材料专家对高强铝铝合金的研究得到了重大成果，对工艺方面的研究和探讨使得人们深入了解了神秘的7xxx系铝合金，由此也促进了航天航空和其他工业的发展。
图1-1 铝-镁-铜三元合金变温垂直截面图
铝合金的主要强化相的主要形成原因在于Zn、Mg 的含量，而Zn、Mg 的含量是影响7xxx系铝合金机械性能的重要因素。但是高强铝合金的各方面因素并不是整体提升，比如会存在一些矛盾点，当铝合金的强度上升到一定阶段的时候，会同时发现铝合金的韧性、抗应力腐蚀和塑性有不同程度的减小趋势。如何均衡各个矛盾点也成为各方研究的目标所在。
Zn、Mg之间形成二元η(MgZn2)相，T相(Al2Mg3Zn3)作为三元固溶体与Zn、Mg和Al有着密切的关系。 在研究中可以发现，若要使高强度铝合金的性能有所提高，Zn、Mg的含量需要严格的控制。国外研究者研究发现MgZn2在共晶温度溶解度达28%，η相和T相在Al中溶解度很大，伴随着温度的降低两相溶解度越来越低，时效硬化能力变得很强。所以合理控制合金中Zn、Mg的含量对改进高强铝合金的综合性能有很大的意义[3]。
为了获得合金良好的综合性能，可以在适当的范围内微调Zn/Mg比。Gruhl等人曾有过研究，当Zn/Mg比接近T(Al2Mg3Zn3)化合物的化合比(2.71)时，也就是说Zn/Mg=2.7~2.9的合金，得到了铝合金的最佳综合性能。但是也有人为了得到高的疲劳强度、断裂韧度和良好的静强度，把Zn/Mg比设定在3.5左右，但是7％的Zn含量导致与断裂韧性有关的性能、焊接性能以及耐蚀性急剧下降。不仅仅如此，Mg的百分比过大会引起SCC的敏感性提升，还会使得应力腐蚀开裂[4]。但是Cu的加入可以明显帮助提高重复加载能力和合金强度，而且可以降低因为Zn、Mg含量高时造成的缺点。
Cu原子会溶入η′和η相中，针对Zn/Mg大的合金，增加Cu 百分比，会提高合金韧性，提高合金的抗应力腐蚀能力，减低晶界和晶内的电位差。在Al-Zn-Mg合金中加入Cu元素，Cu会与Al、Mg结合得到的S(Al2CuMg)相会使合金性能有所提高，合金的强度明显增强。原因就在于Cu降低了晶界与晶内之间的的电位差，还可以使晶界沉淀相得到细化，可是对无析出带(PFZ)的宽度没有太大影响，沿晶开裂会有明显的抑制，抗应力腐蚀性能得到提升[5]。Cu还让铝合金的断裂韧性和疲劳抗力有所提升。
图1-2 铝-铜二元合金状态图
因为Cu的加入会有晶间腐蚀和点蚀的趋势，所以Cu的加入也不是越高越好，在低含量的时候，Cu含量越高，疲劳抗力和断裂韧性随之提高，然而当含量增达到1.5%时，铝合金耐蚀性处在明显下降状态[6]。Al-Zn-Mg-Cu系合金，具有在所有铝合金中最佳明显的强化效果[7]。国内外研究者对超高强铝合金的成分设计进行了许多试验，成功得到各种高的强化效果、良好机械性能和细小的致密显微组织的铝合金。
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