7005鋁合金屬于Al-Zn-Mg系可熱處理強(qiáng)化的中高強(qiáng)度合金。由于該合金具有密度小、強(qiáng)度高、焊接性能和擠壓性能好等優(yōu)點(diǎn)，被作為一種結(jié)構(gòu)材料廣泛的應(yīng)用于運(yùn)輸工具、橋梁、航空航天等領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)該系中高強(qiáng)鋁合金的熱處理組織與性能進(jìn)行研究，可獲得合金合理的熱處理制度，使合金具有較優(yōu)異的綜合性能。 

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)7005合金已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究。馮展鷹等人研究了7005熱軋板的熱處理制度，發(fā)現(xiàn)最佳固溶溫度為470℃，最佳雙級(jí)時(shí)效制度為100℃×8h+120℃×24h。徐正研究了7005薄板的熱處理制度，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)單級(jí)時(shí)效為110℃×24h。王正安等對(duì)在線(xiàn)擠壓淬火后的7005合金分別進(jìn)行了單級(jí)時(shí)效和雙級(jí)時(shí)效，發(fā)現(xiàn)在135℃×20h單級(jí)時(shí)效、105℃×8h+155℃×8h雙級(jí)時(shí)效較好。由于以上都是運(yùn)用單因素法來(lái)確定7005合金的熱處理制度，且沒(méi)有對(duì)熱處理制度中個(gè)因素對(duì)合金性能影響的大小進(jìn)行分析，存在著不可避免的局限性。本文采用正交實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)定以及微觀(guān)組織觀(guān)察，對(duì)擠壓態(tài)7005鋁合金的雙級(jí)時(shí)效制度進(jìn)行了研究，利用極差分析和方差分析，確定了最佳雙級(jí)時(shí)效制度，為實(shí)際生產(chǎn)工藝的制定以及獲得優(yōu)異的綜合性能提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

合金鑄錠在460℃下均勻化12h后出爐，并用強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行冷卻。錠溫了460-480℃，筒溫為380℃，模溫為450℃。合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 7005合金的化學(xué)成份(wt%)

Table 1 Composition analysis of 7005 alloy (wt%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將7005鋁合金擠壓棒材沿?cái)D壓方向車(chē)成Φ10mm×120mm大小的拉伸樣品。將樣品在鹽浴爐中進(jìn)行470℃×30min的固溶處理，爐溫波動(dòng)小于2℃，隨后水淬并進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理。雙級(jí)時(shí)效工藝的影響因素有四個(gè)，即一級(jí)時(shí)效溫度、一級(jí)時(shí)效時(shí)間、二級(jí)時(shí)效溫度和二級(jí)時(shí)效時(shí)間，分別記為A、B、C、D。每個(gè)因素取三個(gè)水平，參考文獻(xiàn)，制定出L₉（3⁴）正交實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，以確定最佳時(shí)效工藝。

常溫力學(xué)性能試驗(yàn)是在810MTS多功能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上完成的，透射電子顯微組織觀(guān)察是在TECNAIG²20電鏡上進(jìn)行的，加速電壓為200kV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)的方案與結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在不同的時(shí)效制度下處理合金的性能有很大的差異。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)6的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為479Mpa和451MPa，延伸率為8.1%，具有較好的綜合力學(xué)性能。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

Table 2 Orthogonal test design and results

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析

極差是各水平所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)之和或者平均值中最大值與最小值之差。通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，可以計(jì)算出每一因素及水平下相應(yīng)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定合金最佳的時(shí)效工藝以及各因素對(duì)合金性能的影響程度的順序。極差分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，不同因素對(duì)合金性能的影響不同，同一因素的不同水平對(duì)合金性能的影響也不同。在同一條件下，抗拉強(qiáng)度Rm與屈服強(qiáng)度Rp0.2具有相同的變化趨勢(shì)，均隨一級(jí)時(shí)效溫度A的升高先升后降，隨一級(jí)時(shí)效時(shí)間B的延長(zhǎng)而升高，隨二級(jí)時(shí)效溫度C的升高而降低，隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)先降后升。延伸率的變化趨勢(shì)與強(qiáng)度的相反，隨隨一級(jí)時(shí)效溫度A的升高先降后升，隨一級(jí)時(shí)效時(shí)間B的延長(zhǎng)而先升后降，隨二級(jí)時(shí)效溫度C的升高而先降后升，隨二級(jí)時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)先升后降。

根據(jù)圖1選擇合金綜合性能最好的水平作為合金最佳時(shí)效工藝，在優(yōu)先考慮強(qiáng)度的前提下，得到合金最佳的雙級(jí)時(shí)效工藝為A₂B₃C₁D₃，即105℃×10h+145℃×10h。同時(shí)也可以得到合金最差的雙極時(shí)效工藝為：A₃B₁C₃D₂，即115℃×6h+155℃×8h。該工藝與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)7的相同，而正交試驗(yàn)組中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)7的強(qiáng)度最低，表明了極差分析結(jié)果與正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性。

四個(gè)因素中，對(duì)合金性能的影響的大小由極差值來(lái)決定，極差越大，表明因子對(duì)合金性能的影響越大，是主要因素，否則屬于次要因素。由圖1可知，對(duì)合金性能的影響的主次關(guān)系是A>C>B>D，即一級(jí)時(shí)效溫度>二級(jí)時(shí)效溫度>一級(jí)時(shí)效時(shí)間>二級(jí)時(shí)效時(shí)間。

圖1 7005鋁合金的極差分析結(jié)果

Fig 2 Range analysis results of 7005 alloy

a)一級(jí)時(shí)效溫度對(duì)合金性能的影響    b)一級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金性能的影響

c)二級(jí)時(shí)效溫度對(duì)合金性能的影響    d)二級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金性能的影響

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

在極差分析中，可以確定各因素對(duì)合金性能影響的大小的順序。但由于極差分析不能區(qū)分各水平所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異主要是由于實(shí)驗(yàn)誤差引起的，還是由各水平不同引起的，分析的精度不能保證，因此有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析^[12]。參考文獻(xiàn)^[13]可知，實(shí)驗(yàn)總的偏差平方和與各因素的偏差平方和分別采用公式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算獲得：

其中p為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)，此處p=9。y為各試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的某個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)性能數(shù)據(jù)，n為各因素的水平數(shù)，此處n=3。r為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)與因素水平數(shù)之商，此處r=3。T_ij為i因素處于j水平的各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之和。T為對(duì)應(yīng)于合金某個(gè)性能的所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之和。采用公式（3）可以計(jì)算出誤差的偏差平方和：

利用公式（4）可以求得各因素的平均偏差平方和F_j：

其中f為個(gè)因素的自由度，且f_ir-1,此處f_i2。                                   

利用各因素的平均偏差平方和求出F比，對(duì)比F分布表相應(yīng)的值，可以判斷出各因素對(duì)合金性能影響的顯著性。方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 7005合金的方差分析結(jié)果

Table 3 Variance analysis results of 7005 alloy

由表3可以看出，用不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)表征合金的性能時(shí)，各因素對(duì)合金性能的影響主次也不同?？傮w上看時(shí)效溫度對(duì)合金性能的影響大于時(shí)效時(shí)間，且一級(jí)時(shí)效溫度的影響最為顯著。在優(yōu)先考慮合金強(qiáng)度的前提下，各因素對(duì)合金性能影響的主次關(guān)系為：A>C>B>D, 即一級(jí)時(shí)效溫度>二級(jí)時(shí)效溫度>一級(jí)時(shí)效時(shí)間>二級(jí)時(shí)效時(shí)間。這與極差分析的結(jié)果完全一致，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差較小。

2.4 最佳工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及其微觀(guān)組織分析

    按照所求得的最佳工藝參數(shù)對(duì)合金進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理，測(cè)得合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為480Mpa、451Mpa和8.4%，強(qiáng)度高于正交實(shí)驗(yàn)中的所有9個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。最佳組的強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)6相近，而這2組的工藝參數(shù)只有二級(jí)時(shí)效時(shí)間不同，說(shuō)明二級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金性能的影響較小，這與極差分析和方差分析的結(jié)果一致。

正交實(shí)驗(yàn)組中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)7（即最差組）和最優(yōu)組的透射電子顯微組織見(jiàn)圖2。

由圖2a可以看出，當(dāng)合金進(jìn)行115℃×6h+155℃×8h的時(shí)效處理后，晶界析出相粗大，呈斷續(xù)分布，無(wú)沉淀析出帶較寬。圖2b可以看出，此時(shí)晶內(nèi)析出相已經(jīng)明顯粗化。當(dāng)合金進(jìn)行105℃×10h+145℃×10h的時(shí)效處理后，如圖2c，晶界析出相較小，呈斷續(xù)分布，無(wú)沉淀析出帶較窄。圖2d顯示此時(shí)合金晶內(nèi)的析出相細(xì)小彌散分布。

圖2 7005鋁合金在不同時(shí)效條件下的TEM照片

Fig. 2 TEM micrographs of 7005 alloy under diffierent aging conditions

(a)(b) aged for 115℃×6h+155℃×8h, (c)(d) aged for 105℃×10h+145℃×10h

一般來(lái)說(shuō)鋁合金進(jìn)行雙極時(shí)效時(shí)，低溫預(yù)時(shí)效相當(dāng)于成核階段，高溫時(shí)效則為穩(wěn)定化階段^[14-16]。一級(jí)時(shí)效是在低于Tc（GP區(qū)回溶溫度）下進(jìn)行的，目的是使析出相為均勻的GP區(qū)，并為二級(jí)時(shí)效形成均勻過(guò)渡相及穩(wěn)定相提供均勻形核的條件。若一級(jí)時(shí)效溫度過(guò)高，如圖2a,b一級(jí)時(shí)效溫度為115℃時(shí)，GP區(qū)不穩(wěn)定而被溶解，不利于過(guò)渡相及穩(wěn)定相的形成；二級(jí)時(shí)效溫度過(guò)高，如圖2a,b二級(jí)時(shí)效溫度為155℃時(shí)，則會(huì)引起析出相的粗大，并產(chǎn)生較寬的無(wú)沉淀析出帶（PFZ）。因此，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)7的強(qiáng)度最低。而當(dāng)合金經(jīng)過(guò)105℃×10h的一級(jí)時(shí)效后，形成了大量穩(wěn)定的GP區(qū)；再經(jīng)過(guò)145℃×10h二級(jí)時(shí)效后，GP區(qū)逐漸長(zhǎng)大或轉(zhuǎn)變?yōu)?eta;＇相，形成細(xì)小彌散的多相析出組織。這種組織對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有較大的阻礙作用，合金強(qiáng)度較高（圖2c,d）。

3 結(jié)論

利用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)7005鋁合金擠壓型材的雙級(jí)時(shí)效工藝進(jìn)行了研究，并利用拉伸力學(xué)性能測(cè)試和透射電鏡對(duì)合金的力學(xué)性能及顯微組織分別進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明：擠壓態(tài)7005鋁合金適宜的雙級(jí)時(shí)效工藝為105℃×10h+145℃×10h。在此條件下，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為480Mpa、451Mpa和8.4%，具有較好的綜合力學(xué)性能。一級(jí)時(shí)效溫度、二級(jí)時(shí)效溫度和一級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金的性能影響顯著，而二級(jí)時(shí)效時(shí)間影響較小。合金經(jīng)過(guò)最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效處理后，晶內(nèi)析出相彌散分布，晶界上有細(xì)小的析出相斷續(xù)分布，無(wú)沉淀析出帶較窄，具有較好的綜合性能。

      1．7005鋁合金擠壓型材適宜的雙級(jí)時(shí)效工藝為105℃×10h+145℃×10h。在此條件下，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為480Mpa、451Mpa和8.4%。

2．一級(jí)時(shí)效溫度、二級(jí)時(shí)效溫度和一級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)合金的性能影響顯著，而二級(jí)時(shí)效時(shí)間影響較小。

3．合金經(jīng)過(guò)最優(yōu)雙級(jí)時(shí)效處理后，晶內(nèi)析出相彌散分布，晶界上有細(xì)小的析出相斷續(xù)分布，無(wú)沉淀析出帶較窄，具有較好的綜合性能。