自然時效

自然時效是最古老的時效方法。它是把構件露天放置於室外，依靠大自然的力量，經過幾個月至幾年的風吹、 日曬、雨淋和季節的温度變化，給構件多次造成反覆的温度應力。在温度應力形成的過載下，促使殘餘應力發生鬆弛而使尺寸精度獲得穩定。

自然時效降低的殘餘應力不大，但對工件尺寸穩定性很好，原因是工件經過長時間的放置，石墨尖端及其他線缺陷尖端附近產生應力集中，發生了塑性變形，鬆弛了應力，同時也強化了這部分基體，於是該處的鬆弛剛度也提高了，增加了這部分材質的抗變形能力，自然時效降低了少量殘餘應力，卻提高了構件的鬆弛剛度，對構件的尺寸穩定性較好，方法簡單易行，但生產週期長，佔用場地大，不易管理，不能及時發現構件內的缺陷，已逐漸被淘汰 ^[1]  。

7N01鋁合金是最早由日本開發Al-Zn-Mg系鋁合金，不但具有良好的擠壓性能，且具有優良的焊接性能，是理想的中強焊接結構材料，被廣泛應用於大型建築物、車輛和航空航天等領域是鐵道和地鐵列車及大型豪華汽車用大型薄壁高精度複雜實心和空心型材的主要合金。我國生產7N01鋁合金型材的能力有限，在一定程度上制約了軌道車輛的製造水平。目前我國7N01合金的研究主要集中於合金的熱變形行為，但作為以熱處理為重要強化方式的鋁合金，熱處理對該合金後續的使用有着巨大的影響。

在熱處理過程中，Al-Zn-Mg系合金逐漸析出沉澱相，與此同時合金的強度和塑性發生明顯的變化。而7N01合金在高速列車上使用時不可避免的經過大角度的彎折過程，因此彎折性能是該合金的重要指標之一。考察該合金在常用的熱處理狀態下的彎折性能是其應用的重要基礎。Al-Zn-Mg系合金常用的時效制度均屬於人工時效，例如T6 、T7 、 T77和RRA等技術，國內外的研究人員己對此進行了深入的研究。與大多數7000系鋁合金不同，7N01合金的主要時效制度為自然時效，有關這方面的研究並不多見。本文一方面通過電導率和高分辨電鏡研究了7N01合金在自然時效過程的沉澱析出過程，另一方面考察了自然時效對該合金力學性能和彎折性能的影響，嘗試將合金的性能與組織聯繫起來，為其進一步的應用提供參考。

採用東北輕合金有限責任公司提供的6 mm厚7N01合金板進行試驗，其中Fe和Si為主要雜質元素。

熱處理制度為470℃/40 min固溶處理，室温水淬後進行自然時效。室温拉伸測試在日本島津AG SOkNE萬能材料試驗機上進行，拉伸試樣按GB /T16865-97選取，取3個拉伸數據的平均值作為有效值。電導率測試用廈門第二電子儀器廠生產的7501型渦流電導儀，參照GB /T12966-91執行，測量前用標準塊進行校準。彎折試驗採用的試樣尺寸為200 mm x 15 mm x 6 mm，彎折直徑25 mm，彎折角度分別為60°， 90°， 120°，180°試驗後肉眼觀察其試驗後有無明顯裂紋。高分辨觀察在Tecnai F20場發射透射電子顯微鏡上進行，樣品製備採用雙噴減薄，電解液為25 %硝酸+75 %甲醇，電壓為（16-18）V，電流為（60-80） mA電解液的温度控制在-30--20℃之間 ^[2]  。

通過7N01鋁合金電導率在自然時效過程中的變化曲線可以看出，電導率隨着時效時間的延長迅速下降，在20 d左右達到穩定。固溶淬火態7N01合金的電導率最大，約為22.7 MS。m，穩定態合金電導率較小，20 d到90 d的電導率平均值約為19. 4 MS.m。

高強鋁合金電導率主要取決於合金的組織狀態，由於鋁合金的時效處理將改變析出相與基體的界面關係，所以，合金電導率可用以判斷鋁合金時效處理時強化相的析出程度。鋁合金的時效過程中析出相與界面的關係轉變順序一般為:共格(GP區)、半共格(過渡相)、非共格(穩定相)，由此引起的晶格畸變逐漸降低，合金內應力降低，電子運動變得容易，因此電導率逐漸上升。合金的電導率隨着時效時間的延長不升反降，因此可以得到結論:在自然時效過程中，7N01合金的組織中主要為增大基體晶格畸變的析出相，即與基體保持共格的析出相，這種析出相可能為GP區存在，但這需要進一步的電鏡的證實。

通過自然時效對7N01力學性能的影響可以看出，合金的強度隨着時效時間的延長逐漸增大，在時效20 d後，基本達到穩定值，合金的延伸率在自然時效1d後即達到穩定值15. 5%左右。穩定態7N01合金的抗拉強度在400 MP以上，屈服強度基本穩定在260 MPa以上。

7000係為可熱處理強化的鋁合金，其熱處理的效果主要決定於析出相的尺寸、形貌、體積分數以及其與界面的關係。析出相的這些性質會隨着時效的進行不斷髮生變化，且只有與基體保持共格和半共格關係的析出相具有最佳的強化效果，即合金的強度最高。因此在一定温度進行人工時效時，合金的強度先增大(峯時效)後減小(過時效)，相應的析出相與界面的關係從共格半共格逐漸轉變為非共格。與此不同，7 N01的力學性能在自然時效過程中的特徵為上升後保持穩定。因此可以得出推論，合金的析出過程可能是淬火後析出與基體共格或半共格的析出相，且保持這種界面關係長期不變。7 N01合金的這種析出特徵使其在自然時效穩定後達到較高強度的同時仍保持較高的塑性，因此該合金極有可能在自然時效穩定後仍具有良好的彎折性能。

自然時效10 d的7N01合金經過60°，90°， 120°和180° 4個角度的彎折試驗後的試樣，可以看出，試樣經過彎折後未發生斷裂，且在彎折部位未發現明顯的宏觀裂紋，説明該狀態合金具有良好的抗彎折能力。

自然時效60 d的7N01合金經過60°，90°， 120°和180° 4個角度的彎折試驗後的試樣，可以看出，經過60 d自然時效後的合金，其彎折後的特徵與自然時效10d的合金無明顯差異，即未發生斷裂且無明顯的肉眼可見的裂紋。

90°彎折試樣塑性變形區域集中於材料的應力集中部位，試樣的其他部分塑性變形較小或未發生塑性變形。

試樣的外側由於收到拉應力而伸長，內側由於收到壓應力的作用而壓縮，對應的組織中，合金的外側晶粒發生拉長，內側晶粒發生壓縮。由於彎折試驗的試驗温度為室温，同時壓縮速率較低利於熱量的釋放，因此合金形狀的改變主要是由位錯的滑移造成。當拉應力和壓應力同時高於或等於位錯的阻力時，試樣開始變形，材料通過塑性變形達到鬆弛應力的目的。若材料的塑性較低，則在試樣受拉應力的外側產生劇烈的變形，導致裂紋的出現，從而造成材料在彎折過程中斷裂，相反，塑性較高的材料不易斷裂。

從自然時效過程中7N01合金塑性對間曲線中可以看到，在經過自然時效1 d後，合金的塑性明顯提高，且在後續的繼續時效過程中，合金的塑性基本保持在15. 5%左右，因此自然時效7 N01合金具有較高的塑性，同時其塑性受自然時效影響較小，導致該狀態合金具有優良的抗彎折性能。

在自然時效過程中，由於時效環境温度遠低於人工時效，自然時效狀態合金中的主要析出相GP II區，與人工時效條件明顯不同，在人工時效下主要強化相為GP區。時效析出動力為體積自由能的降低，時效温度越低，則時效析出動力越大，但相應的，原子的活動能力降低，從而降低了過飽和溶質原子的擴散能力。在自然時效條件下，雖然時效析出動力較大，但是由於原子擴散能力的降低，只能形成與基體完全共格的GP II區，因此，合金在獲得強化的同時保持了較高的延伸率，從而具有較好的抗彎折性能。此外，由於GP II區與基體的共格關係，增大了固溶體的晶格畸變，對輸運電子造成強烈的散射作用，使電導率降低。

1.結合電導率和高分辨的實驗結果，得到7N01合金在自然時效中的主要析出相為GP II區。

2. 7N01合金的力學性能在自然時效過程中先上升達到最大值後保持穩定。穩定態7N01合金具有較高的強度(抗拉強度在400 MP以上，屈服強度在260 MPa以上)和良好的塑性(延伸率約為15.5%，同時，在自然時效10-60 d內，在彎折試驗中均未出現肉眼可見的裂紋 ^[3]  。