CN101076613A - 低内应力的Al－Zn－Cu－Mg合金高强度板材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造Al－Zn－Cu－Mg型合金厚板材的方法，所述板材包括4－12％的锌、低于4％的镁和低于4％的铜，每种微量元素≤0.5％，其余为铝，所述方法包括热轧、固溶热处理、淬火、永久伸长大于0.5％的控制拉伸和时效处理，其特征在于淬火结束至控制拉伸开始之间的时间小于2小时。

Description

低内应力的Al-Zn-Cu-Mg合金高强度板材

                      技术领域

本发明涉及一种减小高强度7xxx系列铝合金板材厚度上的残余应力水平的方法，所述合金经过永久伸长的拉伸。

                      背景技术

已知在7xxx系列铝合金中，淬火后立即开始时效(maturation)(自然时效处理(vieillissement naturel))。其依据的微结构机理与通过成核作用形成纪尼埃-普雷斯顿区(zone Guinier-Preston)相关，还与从过饱和铝基体中沉积出的亚稳相的形成相关。成核作用和这些沉积物的生长导致弹性极限的迅速增加，因为这些沉积物阻止位错在晶体网格间移动。通过这些机制而在厚板材中给定点的硬化作用程度取决于化学组成、淬火速度、金属晶粒和亚晶粒结构以及晶体织构(texture cristallographique)。

高强度7xxx系列合金板材(含有或不含铜的Al-Zn-Mg型合金)在其经过固溶热处理后必须迅速淬火，以使其在回火后在其整个厚度中表现出高水平的机械特性。淬火时临近高强度板材表面的高的热梯度导致不均匀塑性应变。因此，当板材完全冷却后，含有残余应力(内应力)。更具体而言，压缩应力位于表面附近，而拉伸应力位于中间位置。应力的大小取决于合金和材料结构，以及固溶热处理和淬火方法；其数量级为200MPa。对于7xxx型合金中的残余应力的详细描述可见于下列文献：

J.C.Chevrier，F.Moreaux，G.Beck，J.Bouvaist，″Contribution  à l′étude des contraintes thermiques detrempe.Application aux alliages d′aluminium.″MémoiresScientifiques-Revue de Métallurgie vol 72，No.1，p.83-94(1975)；P.Jeanmart，J.Bouvaist，″Finite elementcalculation and measurement of thermal stresses inquenched plate of high-strength 7075 aluminium alloy″，Materials Science and Technology Vol.1，No.10，p.765-769(1985)；D.Godard，Doctoral thesis，InstitutNational Polytechnique de Lorraine，Nancy 1999，particularly pages 285-290 and 209-250.

减小7xxx系列合金板材残余应力的最常用方法利用了塑性应变，即通过在L方向上拉伸或者在ST方向上压缩。这些方法的优点是在之后的回火步骤中不显著影响材料的硬化潜能。一般认为拉伸比压缩更有效，因为其通常导致更均匀的塑性应变。

美国专利6,159,315和6,406,567(Corus Aluminum WalzprodukteGmbH)公开了将经过固溶热处理和淬火的板材的应力减小的方法，包括首先在L方向上的冷拉伸步骤并继之以ST方向上的冷压步骤。

专利申请WO2004/053180(Pechiney Rhenalu)公开了一种通过边缘压缩减小板材中的残余应力的方法。但是，尽管其能够获得具有低残余能量的板材，但这种压缩方法难于实施。

塑性应变一般能够将残余应力减小到约十分之一。这在图2中有所显示。然而在实践中，被认为相同的较厚半成品中，残余应力也会差异显著。这可能与其化学组成的不同有关，而且主要与生产中的工艺参数例如铸造、轧制、淬火、拉伸和回火的不同有关；这些工艺参数对成品中的残余应力水平的影响目前还未完全了解。工艺的某些改变确实导致残余应力水平的降低(例如选择更慢的淬火或更高的回火温度)，但其也改变一些特性之间的平衡关系，而这种平衡关系对于结构上的应用是很重要的，所述特性典型的例如机械强度、损伤容限以及耐蚀性。该现有技术可从以下文章中得知：

R.Habachou，M.Boivin，″Numericalpredictions of quenching and relieving by stretching ofaluminium alloys cylindrical bars″，Journal deMécanique Théorique et Appliquée，Vol 4，pp.701-723，1985；J.C.Boyer and M.Boivin，″Numerical calculationsof residual stress relaxation in quenched plates″，Materials Science and Technology Vol.1 1985 pp.786-792；R.Vignaud，P.Jeanmart，J.Bouvaist，B.Dubost(1990)，″Détensionnement par déformation plastique″，Physique et mécanique de la mise en forme des métaux，Ecole d′été d′Oléron，directed by F.Moussy and P.Franciosi，published by Presses du CNRS，1990，pp.632-642.

残余应力在机械加工中对变形的严重影响在文献中有大量描述。在航空工业中，通常用厚铝合金板材加工成复杂零件；这通常导致多于80％的废品。对加工过程中的过度变形，必须使用复杂且高成本的措施进行补偿，例如：(a)机械矫直，(b)喷丸处理，(c)优化目标零件在板材厚度中的定位，即针对残余应力的深度分布，或(d)为将应力最小化而改变零件形状(可认识到，如果机器零件的形状关于加工出其的板材的长轴近似对称，则其永久变形较低)。因此飞机制造厂优选其中残余应力不仅较低，而且可控的板材，即对于给定的一类产品表现出很小的差异(合金、厚度、韧度)。

专利EP 0 731 185和US 6,077,363公开了一种减小2024合金板材中的残余应力的方法。优化其中的锰含量和热轧出口温度使得能够在整个厚度范围内获得超过50％的重结晶率。这样的板材显示出随厚度而变化的提高的机械性能均一性，以及拉伸后降低的残余应力水平。

对于7xxx板材，通常优选保留大量非重结晶的微结构，特别是在需要较高韧性的应用中例如作为飞机的结构零件。这在以下文章中有所公开：F.Heymes，B.Commet，B.Dubost，P.Lassince，P.Lequeu，和G.M.Raynaud，“Development of new Al alloys for distortionfree machined aluminium air craft components”，出版于1stInternational Non-Ferrous Processing and Technology Conference，St.Louis，Missouri，1997，249-255。

板材中的残余应力可通过在上述Heymes，Commet et al.的文章中公开的连续机械加工方法测定。基于该文章的一种方法在下文作详细描述。

本发明的目的是提出一种获得如下的7xxx系列铝合金厚板材的方法，所述7xxx系列铝合金板材在拉伸状态、时效状态(état

或任何人工时效处理状态(état de vieillissementartificiel)，都显示低残余应力，并且不降低机械强度和损伤容限。更具体而言，希望获得在机械加工过程中不变形的高强度板材，当储存在板材中的总弹性能W低于2kJ/m³并优选低于1kJ/m³时可以达到这种效果。

                      发明内容

本发明涉及一种制造Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材的方法，所述板材包括4-12％的锌、低于4％的镁和低于4％的铜，每种微量元素≤0.5％，其余为铝，所述方法包括热轧、固溶热处理、淬火、永久伸长大于0.5％的控制拉伸和时效处理(vieillissement)，其特征在于淬火结束至控制拉伸开始之间的时间小于2小时，优选小于1小时。

本发明还涉及一种Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材，包括4-12％的锌、低于4％的镁和低于4％的铜，每种微量元素≤0.5％，其余为铝，其经过热轧、固溶热处理、淬火、永久伸长大于0.5％的控制拉伸和时效处理，其特征在于其总弹性能小于或等于

W[kJ/m³]＝0.54+0.013(R_p0.2(L)[MPa]-400)。

本发明还涉及一个Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材的检验批或热处理批，所述板材包括4-12％的锌、低于4％的镁和低于4％的铜，每种微量元素≤0.5％，其余为铝，其为经过固溶热处理、淬火、拉伸和时效处理的状态，其特征在于板材的总弹性能W(表示为kJ/m³)具有在平均值附近小于或等于0.20+0.0030(R_p0.2(L)[MPa]-400)的标准偏差。

                      附图说明

图1为定义板材的三个主方向的示意图。

图2为拉伸曲线的示意图。曲线2代表板材中心的应力情况。曲线1代表表面的应力情况。该图显示了控制拉伸中应力减小的规律：控制拉伸之前，表面和中心之间的应力之差由x和-x确定。控制拉伸一般可将此差值(由y和-y确定)减少至十分之一。

图3显示了板材的参数h、l和w的定义。在底部可见应变仪(带有连接线)的示意图。

图4为使用连续除层法确定板材厚度方向上的残余应力分布所进行的测量和计算过程的示意图。

图5为本发明的方法的关键部分的示意图。D代表从淬火结束到控制拉伸开始之间的时间间隔。

图6显示了在两种不同的淬火速度下7010和7050合金板材的时效动力学行为。X轴表示L方向上的屈服应力，Y轴表示时效时间。

图7显示了屈服应力差异的增加对淬火后残余应力曲线的影响。

图8显示了本发明的7xxx合金板材(其中D≤1小时)(空心点)和现有技术的7xxx合金板材(其中D≥8小时)(黑色方决)的总弹性能，随厚度变化。

                  具体实施方式

a)术语

除非特别说明，则所有涉及化学组成的表达均表示为重量百分数。涉及合金的表述遵照Aluminum Association的规定，其内容对于本领域技术人员是已知的。短语“Al-Zn-Cu-Mg型合金”指含有锌、铜和镁合金元素的基于铝的合金；这样的合金还可含有其它合金元素以及其他元素，其存在可以出于故意或不故意，例如杂质。

冶金状态(états métallurgiques)按照欧洲标准EN 515定义。标准铝合金的化学组成的定义例如按照标准EN 573-3。除非特别说明，则静态机械性能，即极限拉伸强度UTS或Rm、拉伸屈服应力TYS或Rp0.2，以及断裂伸长A均通过基于标准EN 10002-1的拉伸试验测定，测试样品的位置和方向由标准EN 485-1定义。韧性K_IC根据标准ASTM E399测量。

除非特别说明，则均使用欧洲标准EN 12258-1中的定义。

在本发明的范围内，术语“厚板材”指厚度大于或等于6mm的板材。

术语“检验批”按照标准EN 12258-1定义；指用于检验的一批载货或一批载货的一部分，并且包括相同等级的产品，或相同形态、冶金状态、大小、形状、厚度或截面并用相同方式处理的合金的产品。

术语“热处理批”指一个数量的相同等级的产品或相同形态、厚度或截面并由相同方式生产的合金的产品，其中淬火前的热处理或固溶热处理在同一次炉内进料中完成。一批以上的固溶热处理批可包括在同一次炉内进料中。

“时效处理(vieillissement)”包括在室温下自然时效处理(vieillissement naturel)(也称时效(maturation))和任何人工时效处理(vieillissement artificiel)(也称回火)。

术语“机械加工”包括任何去除材料的方法，例如车削、切削、铣、钻、镗、攻螺纹、电蚀、矫直、抛光、化学加工。

术语“结构元件”指用于机械结构中的元件，对于该元件来说，静态和/或动态机械特性对于该结构的性能和完整特别重要，并且对于该元件，通常规定其结构计算或实施其结构计算。其通常由机械零件组成，所述机械零件的故障可能危及所述结构、其使用者或其他人的安全。对于飞机来说，这些结构元件具体包括组成机身(例如机身外壳、纵梁、舱壁、周围框架)、机翼(例如机翼外壳、纵梁或加强件、翼肋和加强杆)以及尾部——其具体由水平或竖直稳定装置组成——和横梁、座椅调节轮和门的元件。

术语“整体结构元件”指一种结构元件，其主要通过对经轧制、挤压、锻造或铸造的半成品的单一件进行机械加工而获得，并且未与其它部件组装，例如铆接、焊接、联结。

轧制产品的L(长)、LT(长横向)和ST(短横向)方向指相对于L方向的轧制方向。这三个方向定义如图1

b)残余应力的测定

在本发明的范围内，残余应力的测定使用基于下述文章中所描述的连续除层的方法，所述文章为“ Development of New Alloy forDistortion Free Machined Aluminum Aircraft Components”，F.Heymes，B.Commet，B.Dubost，P.Lassince，P.Lequeu，GM.Raynaud，in 1^st International Non-Ferrous Processing &TechnologyConference，10-12 March 1997-Adams’s Mark Hotel，St Louis，Missouri.

该方法主要用于拉伸的板材，其中应力可被认为是双轴状态的，其两个分量位于L方向和LT方向，因此在ST方向上没有分量。该方法基于在L方向和LT方向上在矩形板条的整个厚度上对残余应力进行测定，所述矩形板条是沿上述方向从板材上切割下来的。对这些板条沿ST方向上逐步机械加工，在每一步中都测量应力和/或变形量以及板条的厚度。一种最优选的方法是通过使用连接在与被加工表面相对的表面上、板条的一半长度处的应变仪来测量应变。则可计算出在L方向和LT方向上的两个残余应力分布。板条必须足够长以避免边缘效应。表1中给出了作为板材厚度的函数的推荐尺寸大小。

                表1

用于连续除层方法中的尺寸大小[mm]

板材厚度(h)	宽(w)	长(l)
			20＜h≤100	24±1	5h±1
h＞100	30±1	5h±1

根据生产厂家的指示，将带有热膨胀补偿的单向应变仪连接到板条的下表面上(见图3)。然后将其用绝缘漆涂覆。然后将每个应变仪的读数设置为零。

每次机械加工后都进行测量。一般进行18至25次加工以获得足够的点来计算应力分布。为获得良好的切割质量，机械加工深度不能小于1mm；对于非常厚的板材，加工深度最高可达10mm。也可通过化学加工来移除非常薄的金属层。两个样品上的机械加工间隔应相同(即在L方向和在LT方向)。

每次机械加工结束后，在测量应变之前将板条从台钳上分离并使温度稳定。在每个步骤i中，记录厚度h(i)和应变ε(i)。图4中的图表显示了这些数据是如何收集的。

用这些数据可以计算每个板条的初始应力分布，表示为曲线u(i)的形式，u(i)对应于机械加工步骤i中所移除的层中的平均应力，由下式表示：

i＝1至N-1

$u\left(i\right)=-E\frac{(\mathrm{\ϵ}(i+1)-\mathrm{\ϵ}\left(i\right))h{(i+1)}^2}{[h\left(i\right)-h(i+1)][3h\left(i\right)-h(i+1)]}-S\left(i\right)$

其中

$S\left(i\right)=E\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\ϵ}(k+1)-\mathrm{\ϵ}\left(k\right))[1-\frac{3h\left(k\right)(h\left(i\right)+h(i+1))}{(3h\left(k\right)-h(k+1))h(k+1)}]$

其中E为厚板材的杨氏模量。可得到对应于矩形截面板条的L方向和LT方向上的两条曲线：u(i)_L和u(i)_LT。使用以下方程可获得板材中的应力分布：

对于i＝1至N-1

$\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_L=\frac{u{\left(i\right)}_L+\mathrm{vu}{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}}{1-v^2}$

$\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}=\frac{u{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}+\mathrm{vu}{\left(i\right)}_L}{1-v^2}$

其中v为板材的泊松系数。然后即可用以下方程计算板材中储存的能量(W_L、W_LT和W)：

$W_L=\frac{500}{\mathrm{Eh}}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_L[\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_L-\mathrm{v\σ}{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}]\mathrm{dh}\left(i\right)$

$W_{\mathrm{LT}}=\frac{500}{\mathrm{Eh}}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}[\mathrm{\σ}{\left(i\right)}_{\mathrm{LT}}-\mathrm{v\σ}{\left(i\right)}_L]\mathrm{dh}\left(i\right)$

W＝W_L+W_LT

其中W_L代表由L方向的残余应力分布所得的储存的弹性能，W_LT代表由LT方向的残余应力分布所得的储存的弹性能。W为储存在板材中的总弹性能(表示为kJ或kJ/m³)。以上具体描述了用于测量应力和获得弹性能的方法，并给出了例如实践中所用的板条的尺寸。应指出这些尺寸不是强制性的，不对本方法做出限制。板条的长度不影响结果。H的两倍加测量仪长度的三倍足以进行使用应变仪的测量。所给出的尺寸基于实践经验，并且适合所用的机械加工和测量方式。本领域技术人员可容易地选择其他尺寸而不改变结果。

类似地，可使用其他方法测量板材厚度方向的应力梯度。获得厚度方向上的应力分布σ_L和σ_LT后，使用与上述递增加和相同的公式计算储存的能量W_L和W_LT。因此可使用任何能在厚度方向上进行应力测量的方法得知储存的能量。

c)本发明的详细说明

本发明适用于7xxx系列铝合金板材，特别是化学组成符合如下标准的高强度板材：

4＜Zn＜12；Mg＜4；Cu＜4；

每种微量元素≤0.5

其余为铝，

并且所述板材经过固溶热处理、淬火和控制拉伸处理。

按照本发明，该问题通过改变生产工艺而解决，使淬火结束到控制拉伸开始之间的时效(自然时效处理)时间最小化，从而使回火阶段的总弹性能(W)保持在特定限度值以下。该限度值为能将机械加工应变保持在可接受水平的最大值；对于多数应用，对于60mm至100mm厚的板材，该限度值为2kJ/m³，优选1.5kJ/m³。对于特别复杂的零件，应为kJ/m³。

图5显示了对经过轧制的板材进行热处理的示意图。固溶热处理可在单个平台、多个平台或具有或不具有明确的平台的斜坡处进行。这也适用于回火。本发明的范围内的重要阶段是淬火结束到控制拉伸开始之间消耗的时间D。发明人发现长的消耗时间D导致材料表面附近的区域与中间厚度附近的区域之间的机械特性的不均一性增大。这种不均一性基本可归因于在板材厚度方向上冷却速度的差异。图6显示了对于非常高强度的合金板材AA7010和AA7050以及对于不同的表观淬火速度，在接近表面处和中间厚度处测定的L方向上弹性极限随时效时间的变化。这些淬火速度从拉伸试验样品中获得，但其可代表所观察到的在厚板材的表面和中心处淬火速度的差异。可看出这种在机械强度上的差异随时间增大。

发明人发现在7xxx合金板材在厚度方向上残余应力的差异取决于(i)淬火过程中冷却速度和塑性应变速度的差异，(ii)轧制过程中产生的粒状微结构和织构的不均一性，以及(iii)铸造过程中(包括固化过程和均化过程)中产生的化学组成上的局部差异。在淬火结束至拉伸开始之间，在板材整个厚度上观察到时效，但这种时效的速度取决于厚度：在表面附近弹性极限比在中间厚度处增长更快。这可能要归因于沉积动力学：首先，表面附近过饱和固体溶液中可能发生硬化的元素含量多于在中间厚度处(由于半连续铸造过程导致宏观偏析，使得易熔元素例如Cu、Mn和Zn在表面附近的浓度较高，并且铸造过程中表面附近的冷却速度也较高)，其次，表面附近可发现更高密度的不均一位点(空隙、位错等)，其可帮助沉积，是由于淬火时较高的冷却速度和较高的塑性导致的。

发明人通过基于有限元模型的计算，发现了机械特性(即弹性极限或冷变形系数)的不均一性的增加可导致拉伸后残余应力的增加。图7显示了弹性极限值的差异的增加对淬火后残余应力分布的影响。

然而，这种为本发明的方法寻找冶金学解释的尝试并不意味着将本发明限制于其所依据的现象。而且，发明人观察到实际上的效果比由数学模型得到的结果更强。

最后，如果改变制造方法导致改善了淬火后高强度板材的厚度方向上蠕变极限(R_p0.2)均匀性提高，则制造方法的这种改变能够减小控制拉伸后的残留应力，或减小任何利用塑性变形减压后的应力。

本发明的方法没有给出对其他结构硬化合金例如2xxx和6xxx系列合金有所改善的结果。对于高含量(chargés)合金，即其含量组成为Zn＞12％，Mg＞4％和Cu＞4％，其储存的能量非常高，使用本发明的方法所获得的改善并不明显。此外，这些合金难以进行固溶热处理。

本发明的方法使得能够制造这样的板材，其特征为总弹性能小于或等于

W[kJ/m³]＝0.54+0.013(R_p0.2(L)[MPa]-400)。

在该式中，R_p0.2(L)指根据标准EN 10002-1和EN 485-1测量的成品板材的弹性极限。本说明书中厚度对残余应力水平和总弹性能的影响用弹性极限表达，弹性极限测量按标准485-1推荐的方法。本发明的方法可有利地用于制造多种厚度在约10mm至约250mm之间的板材，可更有利地用于制造厚度大于25mm的板材，但这些数值不是限制性的。

本发明的方法还使得能够降低属于同一检验批或热处理批的多种板材的W值的离散性，使得所有板材中不同板材的总弹性能W在平均值附近的标准偏差小于或等于

0.20+0.0086(R_p0.2(L)[MPa]-400)

优选小于或等于

0.20+0.0030(R_p0.2(L)[MPa]-400)

在该式中，R_p0.2(L)指根据标准EN 10002-1和EN 485-1，根据对该批中每个成品板材所进行的测量的R_p0.2(L)的平均值。

对同一批中不同板材测量的总弹性能W的标准偏差与该批中板材的数量相关。具体而言，两次测量所得的标准偏差并不显著，可能很高也可能很低。对于3个板材，测量的标准偏差可被考虑，但优选地，本发明范围内使用的检验批或热处理批含有至少5个板材。

使用本发明的方法使得生产厂家能够保证一个检验批或热处理批包括平均总弹性能小于3kJ/m³的板材。优选地，该平均值小于2kJ/m³，再优选该值小于1kJ/m³，这需要对关键步骤进行良好的控制并且对在固溶热处理、淬火和拉伸步骤的产品物流进行非常严格的管理。实际上，本发明方法的实施需要与工厂内的金属物流相适应，因为如果生产者希望生产时间D小于几小时的板材，则需要使淬火炉与拉伸工作台同步工作。在实践中，这涉及到将这两种机器之间的中间存货(stock)限制在最少；这点特别适用于D＜1小时或D＜30分钟的特别优选的实施方案。专利申请EP 1 231 290 A1在实施例1中描述了38mm厚的7449合金板材，对所述板材在淬火后1小时进行控制拉伸；然而这篇文献没有对这种时间短的益处给出任何信息。本发明的方法使得检验批或热处理批的生产中淬火结束到控制拉伸开始之间的时间D系统地小于2小时，这使得能够将这些批的板材的总弹性能W的平均值和标准偏差减少到最小。然而，这样的检验批的工业生产需要对实施本发明的方法所需的机器周围的产品物流进行重新组织。

在本发明的另一种实施方案中，时效在低温下进行，即在低于10℃的温度下、优选在低于5℃的温度下进行，这使得能够在总弹性能W方面获得与在时间D为2小时至3小时的条件下相似的结果。

本发明其他优选的实施方案在从属权利要求中有明确说明。本发明对AA7010、7050、7056、7449、7075、7475、7150、7175厚合金板材特别有利。

本发明的方法的优点在于总体上降低了高强度板材中的应力水平。这总体上降低了加工变形。

本发明的方法的另一个优点在于对淬火结束到拉伸开始之间的消逝时间进行监测还能够降低在名义上相同的不同板材——即使其属于同一生产批或热处理批——之间所观察到的应力水平的离散性。这使得能够提高用于一系列给定产品的加工工艺的标准化程度，并且减少在加工车间中制造加工零件的过程中出差错的次数。

在以下实施例中，为说明目的描述本发明的有利的实施方案。这些实施例不具有限制性特征。

实施例

实施例1：

通过半连续铸造方式铸造三个AA7010合金轧制板。均化后，将其热轧至厚度为100mm。在热轧机出口处对其进行淬火，然后进行控制拉伸，最后进行回火处理。这样获得的三个产品A1、A2和A3的冶金状态为T7651状态。这三个产品的所有制造参数名义上相同并且很好控制。唯一区别在于从淬火结束到开始通过拉伸减压之间的等待时间D。

使用相似的方法将三个由AA7050合金制造的轧制板进行均化、热轧至厚度为100mm、淬火、控制拉伸和回火处理。这样获得的三个产品B1、B2和B3的冶金状态为T7451。这三个产品的所有制造参数名义上相同并且很好控制的，唯一区别在于从淬火结束到开始通过拉伸减压之间的等待时间D。

表2显示了在最终状态下确定的在不同板材中储存的弹性能。当从淬火结束到开始通过拉伸减压之间的等待时间D减少时，观察到如由W_L、W_LT和W所测量的总应力水平的降低。

                          表2

三个7010和7050合金高强度板材随时效时间变化的储存弹性能(在最终状态)

板材	合金/状态	时效时间D[h]	W[KJ/M3]	WL[KJ/M3]	WLT[KJ/M3]
						A1	7010 T7651	1.17	1.02	0.8	0.22
A2	7010 T7651	9	1.76	1.37	0.4
						A3	7010 T7651	48.92	2.37	1.74	0.63
B1	7050 T7451	1.25	1.22	0.84	0.38
						B2	7050 T7451	8.83	2.28	1.57	0.71
B3	7050 T7451	49.08	3.15	2.02	1.12

在L、LT和ST方向上在1/4、1/2和3/4厚度处在最终热处理的状态下测量了静态机械性能。结果列于表3、4和5中。观察到时效时间D对静态机械性能没有显著影响。

                                表3：

7010和7050合金高强度板材在最终状态下随时效时间D变化的静态机械性能(L方向)

板材	合金/状态	时效时间D[h]	位置	Rm(L)[MPa]	Rp0.2(L)[MPa]	A(L)[％]
							A1	7010T7651	1.17	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	524519533	479468471	14.012.711.0
A2	7010T7651	9	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	529523539	480477480	14.411.59.6
							A3	7010T7651	48.92	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	521516528	472466472	12.69.28.2
B1	7050T7451	1.25	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	536519531	482465470	13.010.49.6
							B2	7050T7451	8.83	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	534519533	479461469	14.210.88.7
B3	7050T7451	49.08	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	534519531	478459463	14.210.59.4

                                表4：

7010和7050合金高强度板材在最终状态下随时效时间D变化的静态机械性能(LT方向)

板材	合金/状态	时效时间D[h]	位置	Rm(L)[MPa]	Rp0.2(L)[MPa]	A(L)[％]
							A1	7010T7651	1.17	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	529527513	470464446	10.49.49.2
A2	7010T7651	9	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	536534521	475478463	11.08.48.1
							A3	7010T7651	48.92	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	527526511	461463452	10.17.88.0
B1	7050T7451	1.25	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	541526516	461456443	10.66.66.7
							B2	7050T7451	8.83	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	541528519	464464447	9.66.97.2
B3	7050T7451	49.08	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	538527513	467451440	10.87.86.4

                                表5：

7010和7050合金高强度板材在最终状态下随时效时间D变化的静态机械性能(ST方向)

板材	合金/状态	时效时间D[h]	位置	Rm(L)[MPa]	Rp0.2(L)[MPa]	A(L)[％]
							A1	7010T7651	1.17	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	517508518	449432455	6.57.76.3
A2	7010T7651	9	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	521520515	455438442	5.75.37.6
							A3	7010T7651	48.92	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	514514509	451449440	5.75.07.4
B1	7050T7451	1.25	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	507519507	445470428	3.44.65.6
							B2	7050T7451	8.83	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	513513511	446438413	4.23.95.9
B3	7050T7451	49.08	1/4厚度1/2厚度3/4厚度	514505513	423420442	4.64.83.7

还在L-T方向和T-L方向在1/4厚度处测量了韧性K_IC。结果列于表6中，显示了时效对韧性没有显著影响。

                              表6

7010和7050合金高强度板材在最终状态下随时效时间D变化的韧性

板材	合金/状态	时效时间D[h]	位置	KIC(L-T)(MPa√m)	KIC(L-T)(MPa√m)
						A1	7010T7651	1.17	1/4厚度	33.6	28.0
A2	7010T7651	9	1/4厚度	32.7	26.0
						A3	7010T7651	48.92	1/4厚度	32.9	27.7
B1	7050T7451	1.25	1/4厚度	32.2	26.1
						B3	7050T7451	49.08	1/4厚度	32.3	27.7

实施例2

对三个由AA7475合金制造的轧制板进行均化、热轧至厚度为46mm、淬火和控制拉伸处理。这样获得的三个产品C1、C2和C3的冶金状态为W51状态。这三个产品的所有制造参数名义上相同并且很好控制，唯一区别在于从淬火结束到通过拉伸减压开始之间的等待时间D。

表7显示了在最终温度下(即控制拉伸后)测定的不同板材中储存的弹性能。当从淬火结束到通过拉伸减压开始之间的等待时间D减小时，观察到总应力水平W_L、W_LT和W的降低。

                                表7

7475合金W51高强度板材储存的弹性能随时效时间D的变化

板材	合金/状态	时效时间D[h]	W[KJ/M3]	WL[KJ/M3]	WLT[KJ/M3]
						C1	7475W51	1.75	2.24	1.6	0.64
C2	7475W51	22.5	4.51	3.61	0.9
						C3	7475W51	48	5.18	3.97	1.21

实施例3

对两个由AA7449合金制造的轧制板进行均化、热轧至厚度为16.5至21.5mm、淬火和控制拉伸、然后回火处理。这样获得的两个产品D1和D2的状态为T651状态。这两个产品的所有制造参数名义上相同并且很好控制，唯一区别在于从淬火结束到通过拉伸减压开始之间的等待时间D。

表8显示了在最终温度下(即控制拉伸后)测定的不同板材中储存的弹性能。当从淬火结束到通过拉伸减压开始之间的等待时间D减小时，观察到总应力水平W_L、W_LT和W的降低。两个产品厚度之间的微小差别不会导致它们应力水平之间的显著差别。

                                    表8

                     7449合金T651高强度板材

               随时效时间D变化的储存(最终状态)弹性能

板材	合金/状态	厚度[mm]	时效时间D[h]	W[KJ/M3]	WL[KJ/M3]	WLT[KJ/M3]
							D1	7449T651	16.5	10.5	6.3	5.56	0.74
D2	7449T651	21.5	3	4.17	3.66	0.51

这样的结果确证了即使对于高锌含量的Al-Zn-Mg型合金例如7449，也能够通过减少时效时间D来显著降低总弹性能。

实施例4：

使用只有等待时间有所差别的工业方法制备了本发明的检验板材批次。测量了储存能量。然后，建立了能够计算储存能量随制造方法的重要参数而变化的数学模型。将所测得的本发明板材的储存能量值用于验证该数学模型。然后将该同样的数学模型用于通过现有技术方法获得的Al-Zn-Mg型合金板材批次。图8显示了本发明的板材(其中D≤1小时)(空心)(最佳)和现有技术的板材(其中D≥8小时)(黑色方块)中储存的能量值。

观察到厚度在约60mm至约100mm之间时，储存的能量值最大。本发明的方法对于给定的厚度，首先可使总残余应力水平(即储存能量W_total)减少约50％，其次使该数值的统计离散性显著降低。本发明对总残余应力水平的作用在厚度在40至150mm之间时特别明显，厚度在50至100甚至80mm时更加明显。

Claims (21)

1.一种制备Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材的方法，所述板材包括4-12％的锌、低于4％的镁以及低于4％的铜，微量元素每种≤0.5％，其余为铝，所述方法包括热轧、固溶热处理、淬火、永久伸长超过0.5％的控制拉伸以及时效处理，其特征在于从淬火结束到控制拉伸开始之间的消耗时间D小于2小时。

2.根据权利要求1的方法，其中所述消耗时间D小于或等于1小时，优选小于30分钟。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述合金选自合金AA7010、7050、7056、7449、7075、7475、7150、7175。

4.根据权利要求1至3任一项的方法，其中所述板材的厚度大于20mm，优选大于40mm。

5.根据权利要求1至3任一项的方法，其中所述板材的厚度在40至80mm之间。

6.根据权利要求1至3任一项的方法，其中所述板材的厚度在40至150mm之间。

7.根据权利要求1至6任一项的方法，其中所述板材的总弹性能小于或等于

W[kJ/m³]＝0,54+0,013(R_p0,2(L)[MPa]-400)。

8.一种Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材，包括4-12％的锌、低于4％的镁以及低于4％的铜，微量元素每种≤0.5％，其余为铝，经过热轧、固溶热处理、淬火、永久伸长超过0.5％的拉伸、时效处理，

其特征在于它的总弹性能小于或等于

W[kJ/m³]＝0,54+0,013(R_p0,2(L)[MPa]-400)

9.根据权利要求8的板材，其特征在于它的厚度在60到100mm之间，它的总弹性能小于2kJ/m³。

10.根据权利要求9的板材，其特征在于它的总弹性能小于1.5kJ/m³。

11.根据权利要求8的板材，其特征在于它的厚度大于100mm，它的总弹性能小于1.5kJ/m³，优选小于1.0kJ/m³。

12.厚板材，可根据权利要求7的方法制得。

13.一种Al-Zn-Cu-Mg型合金厚板材的检验批或热处理批，所述板材包括4-12％的锌、低于4％的镁以及低于4％的铜，微量元素每种≤0.5％，其余为铝，处于固溶热处理、淬火、拉伸并时效处理的状态，其特征在于板材的总弹性能W(以kJ/m³表示)在平均值附近的标准差小于或等于0.20+0.0030(R_p0.2(L)[MPa]-400)。

14.根据权利要求13的厚板材的检验批或热处理批，其特征在于所述的总弹性能的平均值小于W[kJ/m³]＝0.54+0.013(R_p0.2(L)[MPa]-400)。

15.根据权利要求13的厚板材的检验批或热处理批，其特征在于所述的总弹性能的平均值小于3kJ/m³。

16.根据权利要求13的检验批或热处理批，其特征在于所述的总弹性能的平均值小于2kJ/m³，优选小于1kJ/m³。

17.根据权利要求13到16任一项的检验批或热处理批，其特征在于板材的标称厚度在40至100mm之间。

18.根据权利要求13到17任一项的检验批或热处理批，其特征在于制造板材的合金选自AA7010、7050、7056、7449、7075、7475、7150、7175。

19.根据权利要求13到18任一项的检验批或热处理批，其特征在于它由至少3个板材组成，优选由至少5个板材组成。

20.根据权利要求13到19任一项的检验批或热处理批，其特征在于所述板材通过包括以下步骤的方法获得：热轧、固溶热处理、淬火，以及在淬火后小于2小时的时间内进行的永久伸长超过0.5％的控制拉伸。

21.根据权利要求8到12任一项的板材或者根据权利要求13到20任一项的的检验批或热处理批在制备机器零件中的用途。

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