双级时效高强7000系铝合金第二相强化分析
双级时效高强7000系铝合金第二相强化分析
——（仅考虑第二相导致沉淀强化）
材料1303 袁唐知久
0603130322
时效分为单级或分级时效。顾名思义，单级时效是指在单一温度下进行的时效过程。它工艺简单，但组织均匀性差，抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、断裂韧性、应力腐蚀抗力性能很难得到良好的配合。分级时效是在不同温度下进行两次时效或多次时效。在较低温度进行预时效，目的在于在合金中获得高密度的G.P区，由于G.P区通常是均匀成核的，当其达到一定尺吋后，就可以成为随后沉淀相的核心，从而提高了组织的均匀性。在稍高温度保持一定时间进行最终时效。由于温度稍高，合金进入过时效区的可能性增大，故所获得合金的强度比单级时效略低，但是这样分级时效处理后的合金，其断裂韧性值高，并改善了合金的抗腐蚀性，提高了应力腐蚀抗力。
一般情况下，7000系列Al-Mg-Zn-Cu 系合金经固溶淬火后获得的过饱和固溶体（SSS）脱溶序列为：
过饱和固溶体（SSS）→ G.P.区→ η '相→η 相（MgZn2）
析出相的脱溶沉淀过程呈连续变化。脱溶序列中的 G.P.区、 η '相和η 相是Al-Mg-Zn-Cu系铝合金主要的沉淀相。
第二相强化是 Al-Mg-Zn-Cu系合金主要的强化机制：析出相本身对位错运动有有效障碍。析出相与院士组织的共格和半共格关系造成的应力场也会导致缺陷运动的减慢。合金中析出相的性质，包括析出相种类、尺寸以及体积分数都将影响其与位错的作用方式，位错运动受阻最大时体现的强化效果最强。根据第二相特性的不同，第二相强化可分为沉淀强化和弥散强化两种。这里仅从时效析出第二相导致沉淀强化的角度来讨论。
Al-Zn-Mg-Cu 系合金于第一级时效时，这时候沉淀强化占主导作用，此时最主要沉淀析出相是与基体共格、尺寸细小的 G.P.区，位错以切割析出相的方式通过它们。
1 析出相体积分数f的变化
一级时效时，析出的单个 G.P.区对滑移位错的阻碍作用很小，随着时效的进行已经形成的G.P.区不断的变大，同时新的G.P.区不断析出，便能引起合金屈服强度大幅度提高。当这些析出相间距等于运动位错的极限曲率半径时位错受到的阻力最大。一旦 G.P.区被位错切过后，位错就开始连续在这些激活的滑移面上通过质点，变形集中在少数激活的滑移面。这种情况下合金的综合性能为强度高但加工硬化率低，抗
疲劳和耐腐蚀性能差。此时析出相的强化效果可
近
似
3/2
A
表示
1/2
为
：
∆τ=
C1σ
f
r1/2
式中，C1、为常数，σA为反相畴界能（切过之后导致的俩反相界面能量。）f为析出相的体积分数，r 是析出相的半径。从式中可看出，合金的屈服强度随析出相体积分数和半径的增加而提高。当析出相的体积分数保持不变时，合金的强度主要由析出相的半径来控制。
最值得注意是沉淀物能阻碍位错切过却其相互间距较小，不足到位错绕过的情况。该情况下位错线只有借助交滑移的方式让某些小段在单个质点的上面或下方通过。这样便同时达到获得较高的强化效果和加工硬化的目的。
2 质点间平均距离的d的影响
设单位体积重的质点数为nv，单位面积上的质点数为ns，则ns数f为：
可推得质点间距d为：
=2rnv，脱溶质点的体积分
⎛2*pi⎫d= ⎪r
⎝3f⎭
所以随着质点体积分数f的增加，d是减小的，起到强化作用。
1/2
3共格度的变化
7000系列铝合金在时效过程中有如下特征：开始阶段的脱溶相（sss）与基体共格、尺寸很小。继续时效后，脱溶相（η '相→η 相）质点逐渐向半共格或非共格质点转变。
①过渡相η′与基体有很匹配的晶格结构，并有一定的晶体学取向关系。由于结构上η′过渡相与基体的差别，较GP区与基体的差别更大些，故过渡相形核功较GP区的大得多。因此，η′过渡相应该是由GP区直接演变过来的。
②在更高温度或更长保温时间下，过饱和固溶体会析出平衡相。平衡相结构与成分均已处于平衡状态，一般与基体非共格结合。但在出现的初期与基体也有一定的晶体学取向关系。平衡相η的强化效果较弱。
4 界面能的变化
由于时效过程中第二相的析出，会对位错的移动起阻碍作用，当单位面积上有一个半径为r的球状质点时，与无质点的滑移面比较，位错切割此单位滑移面增加了表面积，相应的，其表面能也对应的增加，由于界面能的增加导致位错移动所需的功可由下式确定：
1.1σs3/2f1/21/2
∆τ=r 2
Gb
式中α为位错线张力的函数，σs是界面能，b是位错的柏氏矢量。由此式可看出，在上述时效过程中，界面能的增加导致位错运动所需的功也增加，所以强化了合金。