工程科学学报.第41卷，第12期：1575-1582.2019年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.12:1575-1582,December 2019 D0L:10.13374.issn2095-9389.2018.12.28.005,http:/ournals.ustb.cdu.cn 时效制度对Al-Zn-Mg合金组织和抗应力腐蚀性能的 影响 叶凌英12,3)，杨汶卿12,3)，唐建国2,3)，刘胜胆12，)，邓运来12,3，张新明2,3) 1)中南大学材料科学与工程学院，长沙4100832)中南大学有色金属材料科学与工程教有部重点实验室，长沙4100833)中南大学有色 金属先进结构材料与制造协同创新中心，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:jgtang@csu.edu.cn 摘要采用慢应变速率拉伸应力腐蚀、室温拉伸、透射电镜等检测方法，研究传统T5、T73时效处理，以及新型TS4、 T5I6断续时效处理对A-Z-Mg合金微观组织、室温拉伸性能及抗应力腐蚀性能的影响.结果表明：断续时效T514处理后 材料抗拉强度为400.0MPa,明显高于传统T5及T73态样品，但材料抗应力腐蚀性能变差，应力腐蚀敏感系数为5.7%；而经 断续时效T5I6处理后，材料的抗拉强度为408.5MP,较T5l4态相比有所提升，与此同时抗应力腐蚀性能也得到明显改善，应 力腐蚀敏感系数为3.2%，该值明显小于T514及T5态；T5I4态晶内析出相平均粒径为2.0nm,体积分数为8.8%，均明显小于 其他3种时效制度，其晶界析出相为细小且连续分布的点状析出相；而经T5I6时效处理后晶内析出相体积分数为24.6%.明 显大于其他3种时效制度，晶内析出相平均粒径(4.1m)较T5I4态有所增大，但依然小于T5、T73态，其晶界处析出相与 T5I4态相比更加粗大，呈断续分布形貌. 关键词A-Zn-Mg合金；断续时效：抗应力腐蚀；微观组织；室温拉伸 分类号TG146.2 Effect of aging on the microstructure and stress corrosion resistance of Al-Zn-Mg alloy YE Ling-ying2,YANG Wen-qing2),TANG Jian-guo LIU Sheng-dan2 DENG Yun-lai)ZHANG Xin-ming2 1)School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering(Ministry of Education),Central South University,Changsha 410083,China 3)Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:jgtang@csu.edu.cn ABSTRACT Controlling the balance between mechanical properties and stress corrosion resistance of Al-Zn-Mg alloys by aging tempers has long been an active focal point of research.Traditional peak-age can improve the mechanical properties,but the continuous precipitate at the grain boundary reduces the stress corrosion resistance of the alloy.While alloys in over-aged(T73)condition show good resistance to stress corrosion,their mechanical properties will drop significantly.In this paper,tensile properties,resistances to stress corrosion,and microstructures of the Al-Zn-Mg alloy,in interrupted aged (T514,T516)and traditional (T5,T73)tempers,were studied using a tensile test,a slow strain rate tensile test,and transmission electron microscopy.Results reveal that the tensile strength of T514 temper is 400.0 MPa,higher than that of T5,T73 tempers,while the stress corrosion resistance is clearly compromised,with index of slow strain rate testing,IssgT of 5.7%,significantly larger than that of the other three aging treatments.The tensile strength of the T516 temper increases to 408.5 MPa,and the stress corrosion resistance is also improved,to /ssR3.2%,significantly lower than that of 收稿日期：2018-12-27 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2016YFB0300901)
时效制度对 Al–Zn‒Mg 合金组织和抗应力腐蚀性能的 影响 叶凌英1,2,3)，杨汶卿1,2,3)，唐建国1,2,3) 苣，刘胜胆1,2,3)，邓运来1,2,3)，张新明1,2,3) 1) 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083 2) 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083 3) 中南大学有色 金属先进结构材料与制造协同创新中心，长沙 410083 苣通信作者，E-mail：jgtang@csu.edu.cn 摘 要 采用慢应变速率拉伸应力腐蚀、室温拉伸、透射电镜等检测方法，研究传统 T5、T73 时效处理，以及新型 T5I4、 T5I6 断续时效处理对 Al–Zn‒Mg 合金微观组织、室温拉伸性能及抗应力腐蚀性能的影响. 结果表明：断续时效 T5I4 处理后 材料抗拉强度为 400.0 MPa，明显高于传统 T5 及 T73 态样品，但材料抗应力腐蚀性能变差，应力腐蚀敏感系数为 5.7%；而经 断续时效 T5I6 处理后，材料的抗拉强度为 408.5 MPa，较 T5I4 态相比有所提升，与此同时抗应力腐蚀性能也得到明显改善，应 力腐蚀敏感系数为 3.2%，该值明显小于 T5I4 及 T5 态；T5I4 态晶内析出相平均粒径为 2.0 nm，体积分数为 8.8%，均明显小于 其他 3 种时效制度，其晶界析出相为细小且连续分布的点状析出相；而经 T5I6 时效处理后晶内析出相体积分数为 24.6%，明 显大于其他 3 种时效制度，晶内析出相平均粒径（4.1 nm）较 T5I4 态有所增大，但依然小于 T5、T73 态，其晶界处析出相与 T5I4 态相比更加粗大，呈断续分布形貌. 关键词 Al–Zn‒Mg 合金；断续时效；抗应力腐蚀；微观组织；室温拉伸 分类号 TG146.2 Effect of aging on the microstructure and stress corrosion resistance of Al–Zn‒Mg alloy YE Ling-ying1,2,3) ，YANG Wen-qing1,2,3) ，TANG Jian-guo1,2,3) 苣 ，LIU Sheng-dan1,2,3) ，DENG Yun-lai1,2,3) ，ZHANG Xin-ming1,2,3) 1) School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 2) Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering (Ministry of Education), Central South University, Changsha 410083, China 3) Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jgtang@csu.edu.cn ABSTRACT Controlling the balance between mechanical properties and stress corrosion resistance of Al –Zn ‒Mg alloys by aging tempers has long been an active focal point of research. Traditional peak-age can improve the mechanical properties, but the continuous precipitate at the grain boundary reduces the stress corrosion resistance of the alloy. While alloys in over-aged (T73) condition show good resistance to stress corrosion, their mechanical properties will drop significantly. In this paper, tensile properties, resistances to stress corrosion, and microstructures of the Al–Zn‒Mg alloy, in interrupted aged (T5I4, T5I6) and traditional (T5, T73) tempers, were studied using a tensile test, a slow strain rate tensile test, and transmission electron microscopy. Results reveal that the tensile strength of T5I4 temper is 400.0 MPa, higher than that of T5,T73 tempers, while the stress corrosion resistance is clearly compromised, with index of slow strain rate testing, ISSRT, of 5.7%, significantly larger than that of the other three aging treatments. The tensile strength of the T5I6 temper increases to 408.5 MPa, and the stress corrosion resistance is also improved, to ISSRT=3.2%, significantly lower than that of 收稿日期: 2018−12−27 基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目（2016YFB0300901） 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期：1575−1582，2019 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 12: 1575−1582, December 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.28.005; http://journals.ustb.edu.cn
·1576 工程科学学报，第41卷，第12期 T5 and T514 tempers.Volume fraction(8.8%)and average particle diameter(2.0 nm)of intragranular precipitates of T514 temper has the minimum value among the four aging treatments,and there are large numbers of fine precipitates distributed continuously at grain boundaries.In the T516 temper,the number of intragranular precipitates increase significantly,and the volume fraction of intragranular precipitates is 24.6%,larger than that of the other three aging treatments.In addition,the average particle diameter (4.1 nm)of the intragranular precipitates of the T516 temper is larger than that of the T514 temper,but is still smaller than that of the T5 and T73 tempers.Precipitates at the grain boundaries of the T516 temper are unevenly distributed,and significantly larger than those of the T514 temper. KEY WORDS Al-Zn-Mg alloy;interrupted aging;stress corrosion resistance;microstructure;tensile property Al-Zn-Mg系合金属于热处理可强化合金，由 T5I64种不同时效制度对合金力学性能、抗应力 于其质量轻，强度高，耐腐蚀性好，热加工性和焊 腐蚀性能及其微观组织的影响 接性优异，被大范围应用于高速列车及航空航天 1实验材料与方法 领域.但该合金存在应力腐蚀开裂现象，对构件在 服役过程中的可靠性和安全性造成了较大影响 实验所用材料为高速列车制造业常用的7020 因此，对Al-Zn-Mg合金的应力腐蚀机理以及如 铝合金空心挤压型材，壁厚10mm,其主要化学成 何改善抗应力腐蚀性能的研究一直以来都是科研 分见表1.型材经热挤压及在线淬火后分别采用 人员研究热点之一- 4种时效工艺对材料进行处理.所采用具体时效工 研究表明，时效工艺对Al-Zn-Mg合金抗应 艺参数见表2 力腐蚀性能的影响十分显著，例如文献报道，通 过T6(峰值时效)处理使材料得到良好的力学性 表1实验所用7020铝合金化学成分（质量分数） 能，然而，材料晶界处的连续析出相使抗应力腐蚀 Table 1 Chemical composition of the investigated 7020 性能变差；而通过T73(双级过时效)处理可使材料 aluminum alloy % 获得较好的抗应力腐蚀性能，但材料在力学性能 Zn Mg Mn Cr Zr Cu Fe Si Ti Al 方面有所下降，由此可见，A1-Zn-Mg合金力学性 4.421.190.290.190.130.120.110.070.05余量 能与抗应力腐蚀性能间的平衡问题仍尚未得到解 决近年来，由Lumley与Polmearo和王志发等 表2实验采用时效制度具体参数 发明的T66断续时效制度因其能够大幅提升材料 Table 2 Specific parameters of aging treatment process of samples 强度及断裂韧性而被逐渐大规模应用，随后陈宇 时效制度 具体时效温度及时长 强等2对该时效制度进行简化并发明了T64断 T5 120℃/96h 续时效制度，显著减少了高温人工时效时间，同时 T73 90℃/12h+169℃/12h 能够得到与T66时效制度类似的效果.目前关于 T514 130℃/2h+65℃/168h 断续时效对材料抗应力腐蚀性能影响的研究相对 T516 130℃/2h+65℃/168h+130℃/42h 较少，且仍存在许多争议，例如：韩念梅等]使用 T614工艺处理7050铝合金，通过延长断续时效的 室温拉伸性能测试参考国标GBT228.1一 保温时间的方法使合金处于过时效状态，合金强 2010《金属拉伸试样实验标准》制样并展开实验， 度有所降低，但断裂韧性大幅提升；邬沛卿采 试样沿型材挤压方向用线切割切取，其平行区工 用T6I6工艺处理7N01铝合金使其力学性能大幅 作段长度44mm,宽度12.5mm,厚度为3mm.室 提高，但其抗应力腐蚀性能相对较弱，与T6态相 温拉伸性能测试在DDL-1O0电子万能试验机上进 当：而在Rout等的研究中，T66时效处理后的 行，拉伸速率为2 mm:min,每种时效制度取3个 7150铝合金抗应力腐蚀性能较T6态相比有所提 平行样的有效数据平均值，作为该时效制度的性 升，但依然较差.因此，研究断续时效对A1-Zn-Mg 能测试结果 合金抗应力腐蚀性能的影响具有重要意义.本文 慢应变速率拉伸应力腐蚀实验按照国标GBT 以轨道交通领域广泛使用的7020铝合金为研究对 15970.7一2000《金属和合金的腐蚀一应力腐蚀试 象，采用室温拉伸、慢应变速率拉伸应力腐蚀及透 验》及航标HB7235一1995《慢应变速率应力腐蚀 射电镜等方法，研究T5、T73及断续时效T514、 试验方法》要求，使用线切割沿型材的挤压方向取
T5 and T5I4 tempers. Volume fraction (8.8%) and average particle diameter (2.0 nm) of intragranular precipitates of T5I4 temper has the minimum value among the four aging treatments, and there are large numbers of fine precipitates distributed continuously at grain boundaries. In the T5I6 temper, the number of intragranular precipitates increase significantly, and the volume fraction of intragranular precipitates is 24.6%, larger than that of the other three aging treatments. In addition, the average particle diameter (4.1 nm) of the intragranular precipitates of the T5I6 temper is larger than that of the T5I4 temper, but is still smaller than that of the T5 and T73 tempers. Precipitates at the grain boundaries of the T5I6 temper are unevenly distributed, and significantly larger than those of the T5I4 temper. KEY WORDS Al–Zn‒Mg alloy；interrupted aging；stress corrosion resistance；microstructure；tensile property Al–Zn‒Mg 系合金属于热处理可强化合金，由 于其质量轻，强度高，耐腐蚀性好，热加工性和焊 接性优异，被大范围应用于高速列车及航空航天 领域. 但该合金存在应力腐蚀开裂现象，对构件在 服役过程中的可靠性和安全性造成了较大影响. 因此，对 Al–Zn‒Mg 合金的应力腐蚀机理以及如 何改善抗应力腐蚀性能的研究一直以来都是科研 人员研究热点之一[1−4] . 研究表明，时效工艺对 Al–Zn‒Mg 合金抗应 力腐蚀性能的影响十分显著，例如文献报道[5−8] ，通 过 T6（峰值时效）处理使材料得到良好的力学性 能，然而，材料晶界处的连续析出相使抗应力腐蚀 性能变差；而通过 T73（双级过时效）处理可使材料 获得较好的抗应力腐蚀性能，但材料在力学性能 方面有所下降，由此可见，Al–Zn‒Mg 合金力学性 能与抗应力腐蚀性能间的平衡问题仍尚未得到解 决[9] . 近年来，由 Lumley 与 Polmear[10] 和王志发等[11] 发明的 T6I6 断续时效制度因其能够大幅提升材料 强度及断裂韧性而被逐渐大规模应用，随后陈宇 强等[12] 对该时效制度进行简化并发明了 T6I4 断 续时效制度，显著减少了高温人工时效时间，同时 能够得到与 T6I6 时效制度类似的效果. 目前关于 断续时效对材料抗应力腐蚀性能影响的研究相对 较少，且仍存在许多争议，例如：韩念梅等[13] 使用 T6I4 工艺处理 7050 铝合金，通过延长断续时效的 保温时间的方法使合金处于过时效状态，合金强 度有所降低，但断裂韧性大幅提升；邬沛卿[14] 采 用 T6I6 工艺处理 7N01 铝合金使其力学性能大幅 提高，但其抗应力腐蚀性能相对较弱，与 T6 态相 当；而在 Rout 等[15] 的研究中，T6I6 时效处理后的 7150 铝合金抗应力腐蚀性能较 T6 态相比有所提 升，但依然较差. 因此，研究断续时效对 Al–Zn‒Mg 合金抗应力腐蚀性能的影响具有重要意义. 本文 以轨道交通领域广泛使用的 7020 铝合金为研究对 象，采用室温拉伸、慢应变速率拉伸应力腐蚀及透 射电镜等方法 ，研 究 T5、 T73 及断续时 效 T5I4、 T5I6 4 种不同时效制度对合金力学性能、抗应力 腐蚀性能及其微观组织的影响. 1 实验材料与方法 实验所用材料为高速列车制造业常用的 7020 铝合金空心挤压型材，壁厚 10 mm，其主要化学成 分见表 1. 型材经热挤压及在线淬火后分别采用 4 种时效工艺对材料进行处理，所采用具体时效工 艺参数见表 2. 室温拉伸性能测试参考国标 GBT 228.1— 2010《金属拉伸试样实验标准》制样并展开实验， 试样沿型材挤压方向用线切割切取，其平行区工 作段长度 44 mm，宽度 12.5 mm，厚度为 3 mm. 室 温拉伸性能测试在 DDL-100 电子万能试验机上进 行，拉伸速率为 2 mm·min−1，每种时效制度取 3 个 平行样的有效数据平均值，作为该时效制度的性 能测试结果. 慢应变速率拉伸应力腐蚀实验按照国标 GBT 15970.7—2000《金属和合金的腐蚀—应力腐蚀试 验》及航标 HB7235—1995《慢应变速率应力腐蚀 试验方法》要求，使用线切割沿型材的挤压方向取 表 1 实验所用 7020 铝合金化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the investigated 7020 aluminum alloy % Zn Mg Mn Cr Zr Cu Fe Si Ti Al 4.42 1.19 0.29 0.19 0.13 0.12 0.11 0.07 0.05 余量 表 2 实验采用时效制度具体参数 Table 2 Specific parameters of aging treatment process of samples 时效制度 具体时效温度及时长 T5 120 ℃/96 h T73 90 ℃/12 h+169 ℃/12 h T5I4 130 ℃/2 h+65 ℃/168 h T5I6 130 ℃/2 h+65 ℃/168 h+130 ℃/42 h · 1576 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期
叶凌英等：时效制度对Al-Zn-Mg合金组织和抗应力腐蚀性能的影响 1577 样，实验前将样品依次用600~1000号砂纸打磨 表4不同时效状态下合金慢应变速率拉伸应力腐蚀性能 并清洗干净.实验在RW-50复杂环境动静态加载 Table 4 Slow strain rate tensile properties of different aged 拉伸试验机上进行，其中腐蚀介质采用50℃质量 samples 分数3.5%NaC1溶液，惰性介质选用50℃硅油 时效状态 拉伸介质断裂时长h 抗拉强度MPa延伸率/% 环境，拉伸应变速率为106s每种环境下均取三 硅油 38.3±3.8 370.5±5.4 16.8±0.7 个平行样的有效数据平均值作为性能测试最终 6 3.5%NaCl 35.1±2.4 363.9±4.1 14.8±0.4 结果 硅油 41.5±2.4 330.3±4.7 15.3±0.5 T73 采用Titan G260-300物镜球差校正场发射透 3.5%NaCl 40.5±0.3 322.9±5.9 14.60.2 射电镜观察时效后材料晶内及晶界处析出相，采 硅油 71.3±3.5 417.2±7.6 23.0±1.9 T514 用Nano Measurer及Image J软件对析出相进行定 3.5%NaCl 67.5±2.8 401.0±8.6 20.7±0.2 量分析，以析出相平均等效圆直径表示析出相粒 硅油 47.7±0.2 401.2±8.4 14.7±0.4 径，并统计换算出析出相体积分数. T516 3.5%NaCl 43.5±0.9 390.8±7.5 14.0h0.5 2实验结果 可知：T5态样品在3.5%NaC1溶液中抗拉强度与 2.1室温拉伸性能 在硅油中相比下降1.8%，延伸率下降11.9%：T5I4 表3所列为单级时效T5、双级过时效T73及 态样品在3.5%NaCI溶液中抗拉强度下降了 断续时效T514、T516处理后7020铝合金的室温拉 3.9%,延伸率下降了10.0%，与T5态相比，T514态 伸力学性能.由该表可看出，T54态样品抗拉强度 样品抗拉强度的降低更为明显，由此对比可知 (Rm)及延伸率为400.0MPa,17.1%,均高于单级时 TSI4态材料抗应力腐蚀性能低于T5态；而 效T5态，但屈服强度较T5态相比有所降低；而通 TsI6态样品在3.5%NaCl溶液中抗拉强度与硅油 过在TS14基础上增添一级高温再时效，即TS16时 中相比下降了2.6%，延伸率下降仅为4.8%，与T5、 效后，样品抗拉强度、屈服强度(R0.2)再次提升， T5I4态相比延伸率下降程度大幅缩小，抗应力腐 分别上升至408.5和361.4MPa,明显高于其他几 蚀性能相对较好；T73态样品不管是抗拉强度 种时效制度，延伸率与T514态相比有所下降，为 (2.2%)还是延伸率(4.6%)的下降程度均明显较 13.0%.但仍略高于T5、T73态.由上可知.通过断 小，即在4种时效制度中，T73态材料抗应力腐蚀 续时效可有效提高7020铝合金延伸率及抗拉强 性能最佳 度，室温拉伸力学性能明显优于T5及T73时效 依据航标HB7235一1995，可通过计算应力腐 表3不同时效状态下合金的室温拉伸性能 蚀敏感系数来量化材料的抗应力腐蚀性能的好 Table3 Tensile properties of different aged samples 坏.应力腐蚀敏感系数ISSRT的计算公式如下： 时效状态 R/MPa Ro.MPa屈强比/%延伸率/% ssRr=1-I【1+6rw)awl (1) [(1+6A)ofA] T5 391.6±2.0 343.5±0.5 87.7 12.2±0.5 T73 354.1±4.3 297.1±0.7 83.9 12.7±0.1 式中，σw和6w分别为试样在环境介质中的抗拉 T514 400.0±3.7 272.1±3.1 68.0 17.1±0.8 强度和延伸率，本实验中环境介质为3.5%NaC1腐 T516 408.5±1.9361.4±3.1 88.5 13.0±0.9 蚀溶液：σA和6A为试样在惰性介质即硅油中的抗 拉强度和延伸率.由该公式可看出，ISSRT越小，环 2.2慢应变速率拉伸应力腐蚀 境介质中的试样与在惰性介质中的试样力学性能 表4为各时效态试样在不同介质中进行慢应 差异也就越小，即抗应力腐蚀性能越好.各时效制 变速率拉伸应力腐蚀实验的测试结果.由表4可 度处理后样品IssT计算结果如表5所示，为了方 知，4种不同时效制度处理后样品在3.5%NaC1溶 便对比不同时效制度下材料抗应力腐蚀性能差 液中的抗拉强度、延伸率及拉断时长与在硅油中 异，ISSRT以百分数形式表示. 相比均有明显下降，说明4种时效态样品在3.5% 由表5可得，T73态样品应力腐蚀敏感系数最 NaCI溶液中均发生了应力腐蚀现象，使断裂速度 小，IssR=2.8%,即抗应力腐蚀性能在4种时效态 加快 样品中最好，T5I4态样品应力腐蚀敏感系数最大， 对比各时效态合金慢应变速率拉伸实验结果 ISSRT=5.7%.TSI6断续时效处理后样品应力腐蚀敏
样，实验前将样品依次用 600～1000 号砂纸打磨 并清洗干净. 实验在 RW−50 复杂环境动静态加载 拉伸试验机上进行，其中腐蚀介质采用 50 ℃ 质量 分数 3.5% NaCl 溶液 ，惰性介质选用 50 ℃ 硅油 环境，拉伸应变速率为 10–6 s −1 . 每种环境下均取三 个平行样的有效数据平均值作为性能测试最终 结果. 采用 Titan G2 60-300 物镜球差校正场发射透 射电镜观察时效后材料晶内及晶界处析出相，采 用 Nano Measurer 及 Image J 软件对析出相进行定 量分析，以析出相平均等效圆直径表示析出相粒 径，并统计换算出析出相体积分数. 2 实验结果 2.1 室温拉伸性能 表 3 所列为单级时效 T5、双级过时效 T73 及 断续时效 T5I4、T5I6 处理后 7020 铝合金的室温拉 伸力学性能. 由该表可看出，T5I4 态样品抗拉强度 （Rm）及延伸率为 400.0 MPa，17.1%，均高于单级时 效 T5 态，但屈服强度较 T5 态相比有所降低；而通 过在 T5I4 基础上增添一级高温再时效，即 T5I6 时 效后，样品抗拉强度、屈服强度（Rp0.2）再次提升， 分别上升至 408.5 和 361.4 MPa，明显高于其他几 种时效制度，延伸率与 T5I4 态相比有所下降，为 13.0%，但仍略高于 T5、T73 态. 由上可知，通过断 续时效可有效提高 7020 铝合金延伸率及抗拉强 度，室温拉伸力学性能明显优于 T5 及 T73 时效. 2.2 慢应变速率拉伸应力腐蚀 表 4 为各时效态试样在不同介质中进行慢应 变速率拉伸应力腐蚀实验的测试结果. 由表 4 可 知，4 种不同时效制度处理后样品在 3.5% NaCl 溶 液中的抗拉强度、延伸率及拉断时长与在硅油中 相比均有明显下降，说明 4 种时效态样品在 3.5% NaCl 溶液中均发生了应力腐蚀现象，使断裂速度 加快. 对比各时效态合金慢应变速率拉伸实验结果 可知：T5 态样品在 3.5% NaCl 溶液中抗拉强度与 在硅油中相比下降 1.8%，延伸率下降 11.9%；T5I4 态 样 品 在 3.5% NaCl 溶 液 中 抗 拉 强 度 下 降 了 3.9%，延伸率下降了 10.0%，与 T5 态相比，T5I4 态 样品抗拉强度的降低更为明显 ，由此对比可知 T5I4 态 材 料 抗 应 力 腐 蚀 性 能 低 于 T5 态 ； 而 T5I6 态样品在 3.5% NaCl 溶液中抗拉强度与硅油 中相比下降了 2.6%，延伸率下降仅为 4.8%，与 T5、 T5I4 态相比延伸率下降程度大幅缩小，抗应力腐 蚀性能相对较好 ； T73 态样品不管是抗拉强度 （ 2.2%）还是延伸率（ 4.6%）的下降程度均明显较 小，即在 4 种时效制度中，T73 态材料抗应力腐蚀 性能最佳. 依据航标 HB7235—1995，可通过计算应力腐 蚀敏感系数来量化材料的抗应力腐蚀性能的好 坏. 应力腐蚀敏感系数 ISSRT 的计算公式如下： ISSRT = 1− [(1+δfW)σfW] [(1+δfA)σfA] （1） σfW δfW σfA δfA 式中， 和 分别为试样在环境介质中的抗拉 强度和延伸率，本实验中环境介质为 3.5% NaCl 腐 蚀溶液； 和 为试样在惰性介质即硅油中的抗 拉强度和延伸率. 由该公式可看出，ISSRT 越小，环 境介质中的试样与在惰性介质中的试样力学性能 差异也就越小，即抗应力腐蚀性能越好. 各时效制 度处理后样品 ISSRT 计算结果如表 5 所示，为了方 便对比不同时效制度下材料抗应力腐蚀性能差 异，ISSRT 以百分数形式表示. 由表 5 可得，T73 态样品应力腐蚀敏感系数最 小 ，ISSRT=2.8%，即抗应力腐蚀性能在 4 种时效态 样品中最好，T5I4 态样品应力腐蚀敏感系数最大， ISSRT=5.7%. T5I6 断续时效处理后样品应力腐蚀敏 表 3 不同时效状态下合金的室温拉伸性能 Table 3 Tensile properties of different aged samples 时效状态 Rm/MPa Rp0.2/MPa 屈强比/% 延伸率/% T5 391.6±2.0 343.5±0.5 87.7 12.2±0.5 T73 354.1±4.3 297.1±0.7 83.9 12.7±0.1 T5I4 400.0±3.7 272.1±3.1 68.0 17.1±0.8 T5I6 408.5±1.9 361.4±3.1 88.5 13.0±0.9 表 4 不同时效状态下合金慢应变速率拉伸应力腐蚀性能 Table 4 Slow strain rate tensile properties of different aged samples 时效状态 拉伸介质 断裂时长/h 抗拉强度/MPa 延伸率/% T5 硅油 38.3±3.8 370.5±5.4 16.8±0.7 3.5% NaCl 35.1±2.4 363.9±4.1 14.8±0.4 T73 硅油 41.5±2.4 330.3±4.7 15.3±0.5 3.5% NaCl 40.5±0.3 322.9±5.9 14.6±0.2 T5I4 硅油 71.3±3.5 417.2±7.6 23.0±1.9 3.5% NaCl 67.5±2.8 401.0±8.6 20.7±0.2 T5I6 硅油 47.7±0.2 401.2±8.4 14.7±0.4 3.5% NaCl 43.5±0.9 390.8±7.5 14.0±0.5 叶凌英等： 时效制度对 Al–Zn‒Mg 合金组织和抗应力腐蚀性能的影响 · 1577 ·
.1578 工程科学学报，第41卷，第12期 表5不同时效态合金应力腐蚀敏感系数表 能有较大提升.而将T5I6时效样品与传统T5态 Table 5 Stress corrosion index of different aged samples 对比可看出，T5I6态样品应力腐蚀敏感系数与 时效状态 IssR1/% T5态相比较小，即T5I6态样品具有传统T5态更 T5 3.5±0.3 好的抗应力腐蚀性能 T73 2.8±0.5 2.3透射电镜显微组织分析 T54 5.7±0.6 图1为各时效态合金晶内析出相分布形貌图， T516 3.2±0.2 由图可知，不同时效态样品晶内析出相平均粒径、 数量及分布均存在显著差异.根据图中[110]A1衍 感系数1ssR=3.2%,与T5I4态相比明显减小，可以 射斑点以及透射电镜图片可知，晶内析出相主要 看出，与T5I4态相比，T5I6态样品抗应力腐蚀性 为n相，在[110]方向上主要为点状，少量为针状 (a) 00 nn 100m 图1不同时效态合金品内析出相透射电镜图片及选区电子衍射花样.(a)T5态：(b)T73态：(c)T5I4态：(d)T5l6态 Fig.1 TEM micrographs and corresponding SAED patterns of intragranular precipitates of the alloy in different ageing conditions:(a)T5;(b)T73;(c) T514:(d)T516 通过Nano Measurer及Image J软件对各时效 表6不同时效状态下合金品内析出相平均粒径及体积分数 处理后材料透射电镜图进行粒度分析统计，可获 Table 6 Average particle diameters and volume fractions of 得各时效态样品晶内析出相平均粒径、体积分数 intragranular precipitates of the alloy in different ageing conditions (表6)，以及晶内析出相粒径分布图（图2）.由图 时效状态 品内析出相平均粒径/nm 体积分数/% 表可知：T5态晶内n'相平均粒径为5.6nm,体积分 T5 5.60.2 21.9±1.4 数为21.9%，析出相均匀弥散：T73态晶内n'相与 T73 62±0.4 19.9±0.9 T5态相比更加粗大，体积分数减小.而与传统 T514 2.0±0.1 8.8±1.1 T516 4.10.4 24.6仕2.1 T5、T73时效相比，断续时效T514态合金晶内析出 相最为细小，平均粒径仅为2.0nm,析出相体积分 数(8.8%)也远小于其他几种时效制度；T516态析 T5I4态相比析出相更加粗大密集，数量明显增多， 出相平均粒径为4.1nm,体积分数为24.6%，与 说明通过高温再时效，可使材料晶内析出相继续
感系数 ISSRT=3.2%，与 T5I4 态相比明显减小，可以 看出，与 T5I4 态相比，T5I6 态样品抗应力腐蚀性 能有较大提升. 而将 T5I6 时效样品与传统 T5 态 对比可看出 ， T5I6 态样品应力腐蚀敏感系数与 T5 态相比较小，即 T5I6 态样品具有传统 T5 态更 好的抗应力腐蚀性能. 2.3 透射电镜显微组织分析 图 1 为各时效态合金晶内析出相分布形貌图， 由图可知，不同时效态样品晶内析出相平均粒径、 数量及分布均存在显著差异. 根据图中 [110] Al 衍 射斑点以及透射电镜图片可知，晶内析出相主要 为 η’相，在 [110] 方向上主要为点状，少量为针状. 通过 Nano Measurer 及 Image J 软件对各时效 处理后材料透射电镜图进行粒度分析统计，可获 得各时效态样品晶内析出相平均粒径、体积分数 （表 6），以及晶内析出相粒径分布图（图 2）. 由图 表可知：T5 态晶内 η’相平均粒径为 5.6 nm，体积分 数为 21.9%，析出相均匀弥散；T73 态晶内 η ’相与 T5 态相比更加粗大 ，体积分数减小. 而与传统 T5、T73 时效相比，断续时效 T5I4 态合金晶内析出 相最为细小，平均粒径仅为 2.0 nm，析出相体积分 数（8.8%）也远小于其他几种时效制度；T5I6 态析 出相平均粒径 为 4.1 nm，体积分数 为 24.6%， 与 T5I4 态相比析出相更加粗大密集，数量明显增多， 说明通过高温再时效，可使材料晶内析出相继续 表 5 不同时效态合金应力腐蚀敏感系数表 Table 5 Stress corrosion index of different aged samples 时效状态 ISSRT/% T5 3.5±0.3 T73 2.8±0.5 T5I4 5.7±0.6 T5I6 3.2±0.2 表 6 不同时效状态下合金晶内析出相平均粒径及体积分数 Table 6 Average particle diameters and volume fractions of intragranular precipitates of the alloy in different ageing conditions 时效状态 晶内析出相平均粒径/nm 体积分数/% T5 5.6±0.2 21.9±1.4 T73 6.2±0.4 19.9±0.9 T5I4 2.0±0.1 8.8±1.1 T5I6 4.1±0.4 24.6±2.1 (a) 100 nm (b) 100 nm (c) 100 nm (d) 100 nm η′ η′ η′ η′ 图 1 不同时效态合金晶内析出相透射电镜图片及选区电子衍射花样. （a）T5 态；（b）T73 态；（c）T5I4 态；（d）T5I6 态 Fig.1 TEM micrographs and corresponding SAED patterns of intragranular precipitates of the alloy in different ageing conditions:（a）T5；（b）T73；（c） T5I4；（d）T5I6 · 1578 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期
叶凌英等：时效制度对Al-Zn-Mg合金组织和抗应力腐蚀性能的影响 ·1579· 60 60- (a) (b) 50 50 40 30 20 20 10 10 8101214161820 801214161820 品内析出相粒径nm 品内析出相粒径nm 60 60 (c) (d) 50 40 130 20 2 68101214161820 0 2468101214161820 晶内析出相粒径nm 晶内析出相粒径nm 图2不同时效制度下7020铝合金品内析出相粒径分布图.(a)T5态：(b)T73态：(c)T514态：(d)T516态 Fig.2 Diameter distribution of intragranular precipitates of 7020 aluminum alloy under different aging treatments:(a)T5:(b)T73:(c)T514:(d)T516 发生形核、长大.与其他几种时效制度对比可知， 增大，晶界处生成了明显的无沉淀析出带，平均宽 T5I6态析出相体积分数在4种时效制度中最大， 度为63.3nm. 且析出相平均粒径明显小于传统T5、T73时效 3分析与讨论 由图2各时效态样品晶内析出相粒径分布图可 知，断续时效T5I4、T5I6态样品与传统T5、T73态 3.1时效对合金室温拉伸性能及微观组织的影响 相比，晶内析出相粒径分布范围更为集中，即析出 时效制度对材料力学性能的影响主要是通过 相之间粒径差异较小 调控材料晶内析出相的性质、数量及弥散程度等 图3为各时效制度处理后材料晶界处透射电 来使材料达到预期的性能指标.一般而言， 镜图，将各图对比可知，不同时效态样品晶界析出 Al-Zn-Mg合金的时效析出序列为：过饱和固溶 相形貌存在明显差异.由图(a)可看出，T5态样品 体(a SSSS)→GP区→n'相→n相(MgZn2)s.其 晶界处分布着细长链状)相，析出相之间间隔较 中GP区和n'相形成于时效早期，尺寸较小（约 短，呈连续分布，晶界处有明显无沉淀析出带，经 1~10nm),是铝合金主要强化相. 统计，无沉淀析出带平均宽度为89.7nm.T73态样 在断续时效130℃预时效阶段，晶内快速析 品晶界处η相为盘片状，呈断续分布形貌，与其他 出大量GP区，但因时间较短，预时效后合金基体 3种时效态样品相比晶界析出相明显更加粗大离 依然保持较高的过饱和度，所以在接下来的低温 散，无沉淀析出带平均宽度为131.6nm,明显宽于 时效阶段依然会有大量GP区从基体中脱溶析出， T5态.T5I4态样品晶界处分布着大量细密析出 与此同时，低温减缓了合金基体内Zn、Mg溶质的 相，晶界处无明显无沉淀析出带，与T5、T73态样扩散速率，从而有效控制了晶内析出相的长大速 品相比，T514态晶界析出相更为细小且数量更多， 率.因此在该阶段内，析出大量细小的GP区为合 析出相之间间距很小、分布连续密集.而与 金主要析出行为，该阶段后期，部分G区开始转 T5I4态相比，T5I6态样品品界处析出相明显更加 化为n'相，使得T514时效后晶内分布着大量尺寸 粗大、断续，呈短棒状，析出相数量减少，彼此间距 远小于传统T5态的细小n'相，如图1(c)所示.而
发生形核、长大. 与其他几种时效制度对比可知， T5I6 态析出相体积分数在 4 种时效制度中最大， 且析出相平均粒径明显小于传统 T5、T73 时效. 由图 2 各时效态样品晶内析出相粒径分布图可 知，断续时效 T5I4、T5I6 态样品与传统 T5、T73 态 相比，晶内析出相粒径分布范围更为集中，即析出 相之间粒径差异较小. 图 3 为各时效制度处理后材料晶界处透射电 镜图，将各图对比可知，不同时效态样品晶界析出 相形貌存在明显差异. 由图（a）可看出，T5 态样品 晶界处分布着细长链状 η 相，析出相之间间隔较 短，呈连续分布，晶界处有明显无沉淀析出带，经 统计，无沉淀析出带平均宽度为 89.7 nm. T73 态样 品晶界处 η 相为盘片状，呈断续分布形貌，与其他 3 种时效态样品相比晶界析出相明显更加粗大离 散，无沉淀析出带平均宽度为 131.6 nm，明显宽于 T5 态. T5I4 态样品晶界处分布着大量细密析出 相，晶界处无明显无沉淀析出带，与 T5、T73 态样 品相比，T5I4 态晶界析出相更为细小且数量更多， 析出相之间间距很小 、分布连续密集 . 而 与 T5I4 态相比，T5I6 态样品晶界处析出相明显更加 粗大、断续，呈短棒状，析出相数量减少，彼此间距 增大，晶界处生成了明显的无沉淀析出带，平均宽 度为 63.3 nm. 3 分析与讨论 3.1 时效对合金室温拉伸性能及微观组织的影响 时效制度对材料力学性能的影响主要是通过 调控材料晶内析出相的性质、数量及弥散程度等 来 使 材 料 达 到 预 期 的 性 能 指 标 . 一 般 而 言 ， Al–Zn‒Mg 合金的时效析出序列为：过饱和固溶 体 （ α SSSS）→GP 区→η ’相→η 相 （MgZn2） [16] . 其 中 GP 区和 η ’相形成于时效早期，尺寸较小（约 1～10 nm），是铝合金主要强化相. 在断续时效 130 ℃ 预时效阶段，晶内快速析 出大量 GP 区，但因时间较短，预时效后合金基体 依然保持较高的过饱和度，所以在接下来的低温 时效阶段依然会有大量 GP 区从基体中脱溶析出， 与此同时，低温减缓了合金基体内 Zn、Mg 溶质的 扩散速率，从而有效控制了晶内析出相的长大速 率. 因此在该阶段内，析出大量细小的 GP 区为合 金主要析出行为，该阶段后期，部分 GP 区开始转 化为 η’相，使得 T5I4 时效后晶内分布着大量尺寸 远小于传统 T5 态的细小 η’相，如图 1（c）所示. 而 (a) (b) (c) (d) 0 0 10 20 30 40 50 60 2 4 6 8 10 晶内析出相粒径/nm 占比/% 12 14 16 18 20 0 0 10 20 30 40 50 60 2 4 6 8 10 晶内析出相粒径/nm 占比/% 12 14 16 18 20 0 0 10 20 30 40 50 60 2 4 6 8 10 晶内析出相粒径/nm 占比/% 12 14 16 18 20 0 0 10 20 30 40 50 60 2 4 6 8 10 晶内析出相粒径/nm 占比/% 12 14 16 18 20 图 2 不同时效制度下 7020 铝合金晶内析出相粒径分布图.(a) T5 态；(b) T73 态；(c) T5I4 态；(d) T5I6 态 Fig.2 Diameter distribution of intragranular precipitates of 7020 aluminum alloy under different aging treatments:(a) T5；(b) T73；(c) T5I4；(d) T5I6 叶凌英等： 时效制度对 Al–Zn‒Mg 合金组织和抗应力腐蚀性能的影响 · 1579 ·