5xxx系铝合金的快速时效析出强化及锯齿变形行为研究

5xxx系铝合金具有良好的成形性、可焊性以及抗腐蚀性和中等强度，是汽车减重用板材的最佳选择之一。但5xxx系铝合金冲压后的表面质量较差，并且合金在烤漆过程中发生软化，使该系合金的发展受到了极大的限制。在合金中添加少量的Cu可在一定程度上提高合金冲压后的烤漆强化性能，但对未来汽车板材所用5xxx系合金仍然不足。本项目拟突破传统5xxx系合金的成分设计思路，通过增加并调节合金中Zn/Cu的含量，结合适当的预时效工艺，在合金中形成均匀分布的含Cu以及含Zn强化相，使合金具有较高的快速时效响应能力，显著提高合金的烤漆硬化性能，同时降低合金的锯齿屈服效应，提高合金的表面质量。课题将针对快速时效响应的控制及机理进行深入分析研究，同时深入研究新合金的锯齿屈服机理。建立新型合金成分、预时效工艺、烤漆组织和性能以及锯齿变形规律之间的关联模型，为研究开发具有自主知识产权的新型汽车用5xxx系铝合金奠定基础。

非等温时效工艺在7xxx铝合金中的应用有望实现精细的组织控制、获得良好的综合性能，满足航空技术的应用需求。该工艺的优势已经在前期研究中得到证实，但是相关的基础理论尚缺乏系统研究。为此，申请者拟对7A85合金的非等温时效行为开展系统研究，在析出相精细表征的基础上揭示非等温时效行为的热/动力学机理，获得析出行为规律并阐明其机理；结合力学性能的测试研究多尺度、多结构析出相共存时的强韧化机理；通过电化学分析和微区腐蚀行为的表征系统研究非等温时效态合金的腐蚀行为，揭示腐蚀发生、发展的规律和机理。本研究的开展可为非等温时效工艺的设计提供理论基础，并有望拓宽铝合金时效析出行为调控的范围，丰富铝合金的时效析出、时效强化机理和腐蚀理论。

7A85铝合金具有极佳的淬透性，是制造超大规格航空构件的铝合金材料。但是传统的等温工艺应用于大型构件是其可控性不佳、工艺效率较低。本研究针对这一问题开展研究，系统分析了非等温时效过程中合金的析出行为、时效硬化效应以及性能变化的规律和机理。7A85铝合金在线性升温过程中的主要析出序列为：SSS→ G.P.区→η'相 (过渡相) → η相 (平衡相)。G.P.区、η'相和η相的形核温度区间分别为：<80℃、150℃~170℃和211℃~226℃。升温时效后期，沉淀相的粗化速度显著加快。直接降温时效初期，大量晶内析出相短时内便完成了快速形核、长大的过程，与传统时效工艺相比直接降温具有较高的时效效率；降温时效后期，晶内发生二次析出，得到尺寸更为细小、弥散分布的η'相。降温时效工艺可促进溶质原子充分析出，同时抑制原有析出相长大的目的。三种工艺晶界组态差别较大。线性升温工艺的晶界析出相粗大，PFZ较窄；直接降温工艺则相反，晶界析出相较小、分布密集，PFZ宽大。通过适当的参数调节，降温NIA工艺和复合NIA工艺均可能在获得峰时效强度的情况下大大提高合金的耐腐蚀性能，其中典型复合工艺获得的典型综合性能为：抗拉强度552 MPa，屈服强度530 MPa，延伸率14.9%。.在典型降温时效和复合时效中获得的7A85合金样品其断裂韧性(T-L向)最高分别达到：47 MPa•m1/2、及49.6 MPa•m1/2 ，显著高于T74态合金。在7050合金升—降温复合时效过程中，合金在升温阶段的组织、电导率及耐腐蚀性能的演化规律与此前多数的研究一致：即随着时效的进行，晶界沉淀相尺寸增大、离散度增加，合金的电导率也同时持续升高，该阶段合金的耐应力腐蚀性能逐渐提高。在降温阶段，尤其是在130~100℃的工艺末期观察到了完全不同的现象：晶界沉淀逐渐由离散分布转化为准连续分布，同时合金的电导率保持不变甚至降低(130~100℃), 但是合金的耐应力腐蚀性能持续升高，至工艺结束时达到最高水平。Cu元素在晶界位置的分布状况对应力腐蚀行为的影响非常显著。

这是铝合金热处理常用的方法之一。室温下进行的时效称“自然时效”，在高于室温下进行的时效称“人工时效”。时效处理是提高铝合金力学性能和改善理化性能的重要手段。时效硬化现象最先由德国学者维尔姆(Awilm) 于1906年在研究铝一铜一镁系硬铝合金时发现，之后在其他铝合金系中也发现了这种现象。1938年，法国学者纪尼埃(A.Guinier)和比利时学者普雷斯顿(G.D. Preston )各自独立地阐明了铝合金的时效硬化是由溶质原子形成的富集区(G.P.区)所致。其后，人们对铝合金的时效行为进行了大量的研究。在采用电子显微镜直接观察时效的微观结构变化后，对铝合金时效本质有了更加深入的了解。可热处理强化铝合金，淬火后形成过饱和固溶体，在室温或稍高温度中加热能发生分解，其过程通常包括G.P.区、亚稳定相(铝铜系合金用θ和θ`表示，铝镁硅系合金用β表示，铝锌镁系和铝锌镁铜系合金用η和T表示等)和稳定相三个阶段。G.P.区是与铝基体完全共格的，亚稳定相与铝基体部分共格，稳定相与铝基体非共格。共格或部分共格都能引起铝基体晶格的畸变，因而导致铝合金硬度和强度的升高以及其他性能的变化。当析出非共格的稳定相时，合金即开始“软化”，强度降低。不同系的铝合金，从G.P.区到亚稳定相再到稳定相的具体析出顺序是不同的。常用工业铝合金的时效序列如下: 铝铜系合金:G.P.区(盘状)~θ`(盘状)~θ(CuAl2) (片状)， 铝铜镁系合金:G.P.区(杆或球状)~S`~S(Al2CuMg) (针状或球状) ，铝镁硅系合金:G.P.区(杆状)~β‘’~β`~β(Mg2Si) (针状)， 铝锌镁系合金:G.P.区(球状)~η`(片状)~η(MgZn2) (球状) 或T`~T(Mg3Zn3Al2) ，铝锌镁铜系合金的时效序列和铝锌镁系合金的相同。图1和图2分别是中国牌号2A12(LY12)(铝铜镁系)和7A09(LC9)(铝锌镁铜系)合金人工时效后的电子显微镜照片，图1示出的是片状的S`析出相，图2示出的是球状的丫析出相。 图1 2A12(LY12)铝合金经190℃，12h人工时效后的电子显微镜照片， 图2 7A09(LC9)合金经135℃，16h人工时效后 的电子显微镜照片。 为了提高铝合金的强度，通常将其时效到强的峰值状态，称为峰值时效(用T6表示)。为了提高铝合金的断裂韧性(Kl)和抗应力腐蚀性能，还可采用双级过时效处理(用T73或T74表示)，此时虽然损失了一部分强度，但却提高了合金的综合性能。