(1) 7×××系铝合金的特点
7×××系铝合金是以 Zn为主要合金元素的铝合金, 属于热处理可强化型铝
38 铝加工技术问答合金。 合金中加 Mg, 则为 Al-Zn-Mg合金, 合金具有良好的热变形性能, 淬火范
围很宽, 在适当的热处理条件下能够得到较高的强度, 焊接性能良好, 一般耐蚀性
较好, 有一定的应力腐蚀倾向, 是高强可焊的铝合金。 Al-Zn-Mg-Cu合金是在 AlZn-Mg合金基础上通过添加 Cu发展起来的, 其强度高于2×××系铝合金, 一般
称为超高强铝合金, 合金的屈服强度接近于抗拉强度, 屈强比高, 比强度也很高,
但塑性和高温强度较低, 宜作常温、 120℃以下使用的承力结构件, 合金易于加工,
有较好的耐腐蚀性能和较高的韧性。 该系合金广泛应用于航空和航天领域, 并成为
这个领域中最重要的结构材料之一。
(2) 合金元素和杂质元素及作用
① Al-Zn-Mg合金 Al-Zn-Mg合金中的 Zn、 Mg是主要合金元素, 其含量一
般不大于7.5%。
Zn和 Mg: 该合金随着Zn、 Mg含量的增加, 其抗拉强度和热处理效果一般是
随之而增加。 合金的应力腐蚀倾向与 Zn、 Mg含量的总和有关, 高 Mg低 Zn或高
Zn低 Mg的合金, 只要Zn、 Mg含量之和不大于7%, 合金具有较好的耐应力腐蚀
性能。 合金的焊接裂纹倾向随 Mg含量的增加而降低。
Al-Zn-Mg系合金中的微量添加元素有 Mn、 Cr、 Cu、 Zr和 Ti, 杂质主要有
Fe和Si。
Mn和Cr: 添加 Mn和Cr能提高合金的耐应力腐蚀性能, 含 Mn量为0.2%~
0.4%时, 效果显著。 加 Cr的效果比加 Mn大, 如果 Mn和 Cr同时加入时, 对减
少应力腐蚀倾向的效果就更好, Cr的添加量以0.1%~0.2%为宜。
Zr: Zr能显著地提高 Al-Zn-Mg系合金的可焊性。 在 AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35
合金中加入0.2%的Zr时, 焊接裂纹显著降低。 Zr还能够提高合金的再结晶终了
温度, 在 AlZn4.5Mg1.8Mn0.6合金中, Zr含量高于0.2%时, 合金的再结晶终了
温度在500℃以上, 因此, 材料在淬火以后仍保留着变形组织。 含 Mn的 Al-ZnMg合金添加0.1%~0.2%的Zr, 还可提高合金的耐应力腐蚀性能, 但Zr比Cr的
作用低些。
Ti: 合金中添加 Ti能细化合金在铸态时的晶粒, 并可改善合金的可焊性, 但
其效 果 比 Zr 低。 若 Ti 和 Zr 同 时 加 入 效 果 更 好。 在 含 Ti 量 为 0.12% 的
AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3合金中, Zr含量超过0.15%时, 合金即有较好的可焊性和
延伸率, 可获得与单独加入0.2%以上 Zr时相同的效果。 Ti也能提高合金的再结
晶温度。
Cu: Al-Zn-Mg系合金中加少量的 Cu, 能提高耐应力腐蚀性能和抗拉强度。
但合金的可焊性有所降低。
Fe: Fe能降低合金的耐蚀性和力学性能, 尤其对 Mn含量较高的合金更为明
显。 所以, Fe含量应尽可能低, 其含量应限制在0.3%以下。
Si: Si能降低合金强度, 并使弯曲性能稍降, 焊接裂纹倾向增加, 合金 Si的
含量应限制在0.3%以下。
② Al-Zn-Mg-Cu合金 Al-Zn-Mg-Cu合金为热处理可强化合金, 起主要强化
作用的元素为Zn和 Mg, Cu也有一定强化效果, 但其主要作用是为了提高材料的
抗腐蚀性能。
第1 章 铝及铝合金材料加工技术基础知识 39Zn和 Mg: Zn、 Mg是主要强化元素, 它们共同存在时会形成η (MgZn2) 和
T (Al2Mg2Zn3) 相。 η相和 T 相在 Al中溶解度很大, 且随温度升降剧烈变化,
MgZn2 在共晶温度下的溶解度达28%, 在室温下降低到4%~5%, 有很强的时效
强化效果, Zn和 Mg含量的提高可使强度、 硬度大大提高, 但会使塑性、 抗应力
腐蚀性能和断裂韧性降低。
Cu: 当Zn/Mg大于2.2且 Cu含量大于 Mg时, Cu与其他元素能产生强化
S(CuMgAl2)相而提高合金的强度, 但在与之相反的情况下 S相存在的可能性很
小。 Cu能降低晶界与晶内电位差, 还可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相, 但
对晶界无析出带宽度的影响较小, 它可抑制沿晶开裂的倾向, 因而改善了合金的抗
应力腐蚀性能。 然而当 Cu含量大于3%时, 合金的抗蚀性反而变坏。 Cu能提高合
金过饱和度, 加速合金在100~200℃之间的人工时效过程, 扩大 GP区的稳定温度
范围, 提高抗拉强度、 塑性和疲劳强度。 Cu含量在不太高的范围内随着 Cu含量
的增加提高了周期应变疲劳抗力和断裂韧性, 并在腐蚀介质中降低裂纹扩展速度,
但 Cu的加入有产生晶间腐蚀和点腐蚀的倾向。 Cu对断裂韧性的影响与 Zn/Mg比
值有关, 当比值较小时, Cu含量愈高韧性愈差; 当比值较大时, 即使 Cu含量较
高, 韧性仍然很好。
合金中还有少量的 Mn、 Cr、 Zr、 V、 Ti、 B等微量元素, Fe和Si在合金中是
有害杂质, 其相互作用如下。
Mn、 Cr: 添加少量的过渡族元素 Mn、 Cr等对合金的组织和性能有明显的影
响。 这些元素可在铸锭均匀化退火时产生弥散的质点, 阻止位错及晶界的迁移, 从
而提高了再结晶温度, 有效地阻止了晶粒的长大, 可细化晶粒, 并保证组织在热加
工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态, 使强度提高的同时具有较好的抗应
力腐蚀性能。 在提高抗应力腐蚀性能方面, 加 Cr比加 Mn效果好。
Zr: 最近出现了用 Zr代替 Cr和 Mn的趋势, Zr可大大提高合金的再结晶温
度, 无论是热变形还是冷变形, 在热处理后均可得到未再结晶组织, Zr还可提高
合金的淬透性、 可焊性、 断裂韧性、 抗应力腐蚀性能等, 是 Al-Zn-Mg-Cu系合金
中很有发展前途的微量添加元素。
Ti和 B: Ti、 B能细化合金在铸态时的晶粒, 并提高合金的再结晶温度。
Fe和Si: Fe和Si在7×××系铝合金中是不可避免存在的有害杂质, 其主要
来自原材料, 以及熔炼、 铸造中使用的工具和设备。 这些杂质主 要 以 硬 而 脆 的
FeAl3 和游 离 的 Si形 式 存 在, 这 些 杂 质 还 能 与 Mn、 Cr 形 成 (FeMn) Al6、
(FeMn) Si2Al5、 Al (FeMnCr) 等粗大化合物, FeAl3 有细化晶粒的作用, 但对
抗腐蚀性影响较大, 随着不溶相含量的增加, 不溶相的体积分数也在增加, 这些难
溶的第二相在变形时会破碎并拉长, 出现带状组织, 粒子沿变形方向呈直线状排
列。 由于杂质颗粒分布在晶粒内部或者晶界上, 在塑性变形时, 在部分颗粒-基体
边界上发生孔隙, 产生微细裂纹, 成为宏观裂纹的发源地。 此外, 它对疲劳裂纹的
成长速度有较大的影响, 在破坏时它具有一定的减少局部塑性的作用, 由于杂质数
量增加使颗粒之间距离缩短, 从而减少裂纹尖端周围塑性变形流动性。 因为含 Fe、
Si的相在室温下很难溶解, 起到缺口作用, 容易成为裂纹源而使材料发生断裂,
对延伸率, 特别是对合金的断裂韧性有非常不利的影响。 因此, 新型合金在设计及
40 铝加工技术问答生产时, 对 Fe、 Si的含量控制较严, 除采用高纯金属原料外, 在熔铸过程中也采
取一些措施, 避免这两种元素混入合金中。