收稿日期:2008-08-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50771093) 第一作者简介：陈小明(1983-)，男，安徽庐江人，硕士研究生。
陈小明，宋仁国，张 宇，李 杰
(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，浙江杭州310014)
摘要：采用显微硬度计、电子拉伸试验机、光学显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SE M )、能谱分析仪(E DS )等手段，对
7003铝合金过烧前后的组织和性能进行了研究。结果表明，随着温度的提高过烧程度不断加重，合金的力学性能也 随之不断下降。且当温度达到763K 后，合金性能开始大幅度下降。过烧使合金组织产生复熔结构，弱化晶界，从而使合金断口由“穿晶断口”向“沿晶断口”的形貌转变。关键词:7003铝合金；过烧；第二相；显微组织；性能
中图分类号:TG 146121 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2009)02-0048-05
E ffects of overfire on microstructure and properties of 7003aluminum alloy
CHE N X iao 2ming ,S ONG Ren 2guo ,ZHANG Y u ,LI Jie
(K ey Laboratory of Mech anical Manu facture and Autom ation of Ministry of Education ,
Zhejiang U niversity of T echnology ,H angzhou 310014,China)
Abstract :In order to find the rule of effects of burnt treatment on the microstructure and properties of 7003alloys ,the microstruc 2ture and properties of 7003aluminum alloy before and after over fire have been investigated by means of microhardness tester ,elec 2tronic tensile machine ,scanning electron microscopy (SE M ),optical microscope (OM )and energy dispersive X 2ray spectrometer (E DS ).I t πs showed that ,before aging ,the over fire level of 7003aluminum alloy raised while the properties fell down with increasing the burnt tem perature ;when burnt tem perature was over 763K,the over fire level declined fast with wide 2rang.C om pound 2melting structure appeared (namely burnt structure )in 7003alloys and then avianized grain boundary ,hence resulted in the transition of fracture sur faces :transcrystalline fracture —intercrystalline fracture.K ey w ords :7003alloys ;over fire ;second phase ;microstructure ;properties
7×××系铝合金是一种可热处理强化的合金。它具有良好的塑性加工性能、力学性能、耐蚀性和焊接性能。因此在航空航天工业、车辆、建筑、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用
[1-4]
。一直以来，为了提高合金的各种性能，人们
在7×××系铝合金的固溶、时效处理以及常规力学性能方面做了大量的工作
[5-18]
。固溶处理的目的就
是使Zn 、Mg 、Fe 或Si 这类硬化溶质溶入铝合金基体中，以获得高浓度的过饱和固溶体，从而使合金在时效过程中析出更多、更均匀、更细小的第二相，以达到对合金基体强化的目的
[4]
。然而，当固溶温度和
液相线温度接近时，固溶处理比较困难，尤其是对于尺寸较大的零件，稍有不慎就会引起过烧，即使是轻微的、局部的过烧，产品也要报废。因此判断过烧组织形态，研究过烧对合金性能影响的基本规律十分必要。但至今很少有文献对此进行系统报道
[1-18]
，本文研究了7003铝合金的过烧组织特征及
其对合金性能影响规律，旨在为实际的工程检测提供参考。
1 试验材料及方法
试验用料是美国A LC OA 公司加工生产的15mm
厚的7003铝合金板材。其化学成分见表1。合金热处理原始状态T651，其变形量为80%。平均显微硬度为(H V
0.1
)108134,R p0.2=280100NΠmm2,R m= 340100NΠmm2,A=12%。热处理试样尺寸为15 mm×10mm×1
0mm，采用空气炉在733K,738K,743K,748K,753K,758K,763K,768K,773K,778K,783 K不同温度下进行70min固溶处理，淬火转移时间在5s以内，水温在283K以下，时效制度为393K 50h。
表1 7003铝合金的化学成分(质量分数)% Zn M g Cu Z r T i Mn Cr Fe S i Al
6.200.600.200.100.200.300.200.350.30余量
拉伸试样严格按照G BΠT1686521997标准执行,
标距为20mm，应变速率为8133×10-4s-1，试样长轴
垂直于轧制方向。拉伸试验在日本岛津AG210T A型
万能材料试验机上进行的。
将截取的试样依次用400#、600#、800#、1000#、
1200#水磨砂纸预磨后进行机械抛光，用混合酸腐蚀，其
成分为:215%H N O
3
+115%H C l+110%HF+95%H2O，腐
蚀时间5s左右。然后在北京万泰机电技术开发公司
生产的H M V21T显微硬度及图像分析系统上进行显微
组织观察和分析，并测试第二相及基体的显微硬度，测
试载荷分别为10g和100g，加载保持时间为10s。在H i2
tachi S24700扫描电子显微镜(SE M)下观察第二相和断
口形貌，并对其进行能谱点分析。
2 试验结果与分析
为了研究过烧温度对7003铝合金的力学性能
的影响规律，对多种不同温度固溶处理的试样时效
前后的基体的显微硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长
率以及第二相的显微硬度进行了测试，结果如表2
所示；第二相的平均显微硬度(H V
0.01)为1340100。
由表2可以看出，时效前基体的硬度、抗拉强度、屈
服强度都随着固溶温度的升高而不断下降；时效后
合金的基体的硬度、抗拉强度、屈服强度随着固溶温
度的提高先升高后下降，尤其当温度达到763K后,
合金的性能出现大幅度下降。时效前合金的伸长率
随着温度的提高不断提高；而时效后，合金的伸长率
先出现先小幅度下降，再出现提高，然后又下降，尤
其是温度达到763K后，合金的伸长率出现大幅度下
降。R
p0.2ΠR m随着温度变化的规律则与伸长率随时
间的变化规律正好相反。
图1为不同温度固溶处理后的7003铝合金光学
显微组织照片。由图可见,743K70min固溶的合金
组织未发生过烧，呈现纤维状，晶界较细，晶界上很
少有第二相存在，晶粒内部分布着一定量的第二相。
而753K70min固溶的合金组织中第二相溶解相对
充分，但是组织已经发生了比较明显的回复再结晶,
且出现了局部过烧现象(晶界上出现复熔球组织)。
尤其当温度达到763K时组织已经出显明显的过烧
现象：第二相呈现复熔球状态；晶界明显粗化，且有
部分晶界呈现连续复熔结构。
表2 固溶温度对7003铝合金力学性能的影响
固溶温度
K
HV R mΠ(N・mm-2)R p0.2Π(N・mm-2)R p0.2ΠR m AΠ%
时效前时效后时效前时效后时效前时效后时效前时效后时效前时效后
73381.1115.1256.11336.21149.01279.010.5820.83023.2916.51 73879.5116.2
74378.1117.2252.00345.86146.10291.540.5790.84424.0115.22 74876.5113.2
75374.5109.0246.59336.85142.03280.410.5770.83124.7116.01 75873.5108.1
76373.1107.4242.51334.21139.06277.450.5720.82925.3117.25 76871.0102.2
77369.197.0230.12295.12129.14256.590.5610.87125.6811.2 77868.696.5
78368.089.1210.02263.51108.29236.180.5140.89426.009.21
图2所示的是不同热处理状态下7003铝合金组织中的第二相形态及其过烧组织形貌。由图可见，未过烧组织中的第二相，呈现条状或短棒状，结构边界均较完整清晰(见图2a )；而发生过烧后组织中的第二相呈现复熔状，结构边界不完整(见图2b 、c )；温度达到763K 时，过烧现象比较明显，晶界明显粗化，部分晶界呈现连续复熔结构(见图2d )。
这些与光学
显微镜的观察结果一致。
图3为不同热处理状态下合金的拉伸断口形貌的SE M 照片。由图可见，没有发生过烧的拉伸断口形貌为“穿晶断口”，图3a 所示；图3b 所示的断口为
“韧窝断裂”断口。这两种断口均为“穿晶断口”[19]
；出现过烧的断口形貌为非常典型的“沿晶断口”，图
3c 所示，呈现“冰糖状”[19-20]
。
图2 不同固溶温度下7003铝合金的组织(SE M )
图1 7003铝合金不同固溶温度下的显微组织(OM )图3 7003铝合金拉伸断口SE M 照片
在扫描电镜下对7003铝合金中的第二相和过烧组织进行了能谱分析，分析结果如表3所示。由
表3可见，正常组织中的第二相主要是由Al 、Zn 、Mg 、Fe 、Si 等元素组成的富Fe 相，且时效后组织中第二
相中的Fe 、Si 含量降低，且未发现Mn 、Cr 元素。过烧组织中的第二相有大量的O 元素存在，未发现Mn 、
Cr 、Fe 、Si 等元素。
表3 7003铝合金中粗大第二相和过烧组织的能谱分析
分析点
Zn M g Mn Cr Fe S i O
Al
A (时效前) 2.180.380.430.16
3.97 1.79余量B (时效前) 1.840.790.36 3.32 1.19余量C (时效前) 1.43 1.110.52
6.97 2.64余量D (时效后) 2.180.67 1.770.58余量E (时效后) 2.11 2.85 1.77
0.66
余量F (过烧结构) 1.410.7834.50余量G (过烧结构) 2.080.7910.70余量H (过烧结构)
0.81
0.89
16.34
余量
3 讨 论
影响固溶处理的主要因素有温度、保温时间和淬火的转移速度，其中温度的影响最为明显。在一定的
范围内提高温度可以增加溶质原子在合金基体中的固溶度，从而提高合金的固溶效果。但是温度的提高也有负面的作用：温度的提高会导致回复再结晶和晶粒长大，从而使合金时效后基体相对软化；另外，当温度高于合金共晶点的温度，温度的提高则会导致组织过烧，会严重影响合金时效的组织与性能。由表1可知，固溶温度低于743K的情况下，合金的性能随着温度的提高而提高，原因是温度的升高使固溶效果增强了，从而使组织在时效后沉淀出更多、更细小的第二相，实现了对合金组织更好的强化；而当固溶温度高于743K后，合金的性能则开始缓慢下降，这是因为组织发生了比较明显的回复再结晶以及晶粒长大现象；尤其是当温度达到753K后组织中还出现比较明显的过烧现象，这些因素共同促使了合金时效后的性能降低。而当温度达到763 K后合金的力学性能出现大幅度的下降，这主要是由于晶界上过烧组织引起的应力集中所致。
7003铝合金共晶熔点为748K，而且该合金对过烧比较敏感[4]。因此当固溶温度超过共晶熔化温度，则产生过烧特征组织(第二相复熔球、晶界复熔结构)，如图1所示，当过烧温度较低时，有明显回复再结晶，晶界处有第二相析出；随过烧温度升高，晶界明显加粗且变形严重，这时晶界和晶粒都析出第
二相，且第二相数量明显增多；随着温度继续升高，导致组织过烧严重，第二相数量急剧增多，出现大量复熔球且晶界呈现连续复熔结构。这是由于晶界处能量较高，当过烧温度较低时，低熔点化合物容易在晶界处富集形成小的复熔球团(见图1b)。而随着温度继续升高，不仅晶界处获得能量继续产生复熔结构，晶粒内部也获得了足够的能量，也开始出现复熔球(见图1c)。当过烧温度达到一定界面能
条件时，过烧明显加重，晶界被严重弱化，部分晶界呈现连续复熔结构(见图1d)，因此，合金性能急剧下降(见表1)。过烧前后，合金拉伸断口形貌分别呈现“穿晶断口”和“沿晶断口”。这是由于未过烧时，晶界强度高于晶粒本身强度，所以断裂形貌是“穿晶断口”(见图3a及图3b)；而过烧后，晶界粗化，甚至产生复熔结构，这样就弱化了晶界，使合金晶界强度低于晶粒内部强度，所以过烧后合金的拉伸断口裂形貌呈现“沿晶断口”。
4 结 论
(1)当固溶温度达到748K后，随着固溶处理温度的提高,7003铝合金过烧程度不断加重，力学性能也随之下降，且当温度达到763K时，合金的力学性能开始大幅度下降。
(2)组织过烧后，第二相呈现“复熔球”状，晶界被弱化了且呈现“复熔结构”。
(3)过烧前后,7003合金拉伸断口形貌分别呈现“穿晶断口”和“沿晶断口”。
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