摘要：淬火是铝合金热处理过程中的关键环节，冷却速率直接影响合金残余应力水平和微观组织结构。本文基于近年研究成果，系统分析了淬火冷却速率对多种铝合金(包括7050、6061、7075、2A12等)残余应力分布与微观组织演变的影响机制。研究表明，冷却速率与残余应力呈非线

摘要：

淬火是铝合金热处理过程中的关键环节，冷却速率直接影响合金残余应力水平和微观组织结构。本文基于近年研究成果，系统分析了淬火冷却速率对多种铝合金(包括7050、6061、7075、2A12等)残余应力分布与微观组织演变的影响机制。研究表明，冷却速率与残余应力呈非线性关系，存在最优冷却区间；微观组织方面，冷却速率通过调控第二相析出行为和位错密度变化显著影响合金性能。本文还总结了包覆淬火、双级淬火、PAG介质淬火等新型控冷工艺的工程应用价值，为优化铝合金热处理工艺提供理论依据。

高强铝合金(如7xxx系列)因优异的比强度和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。淬火作为铝合金热处理的核心工序，通过在固溶处理后快速冷却，获得过饱和固溶体，为后续时效强化奠定基础。然而，剧烈的温度梯度会导致不均匀塑性变形，在构件内部形成高达300MPa的残余应力，引发后续机加工变形(材料浪费率可达95%)和服役失效风险。冷却速率作为淬火工艺的核心参数，一方面需满足抑制粗大第二相析出的临界冷却要求，另一方面需兼顾残余应力最小化目标。本文从残余应力形成机理、微观组织响应及控制策略三方面，系统分析冷却速率对铝合金综合性能的影响。

2.1铝合金的种类与特性

铝合金的种类丰富多样，依据合金元素的组成及性能特点，可大致划分为变形铝合金与铸造铝合金。变形铝合金具备良好的塑性，适宜通过压力加工制成各种形状的产品；铸造铝合金则具有出色的铸造性能，常用于制造复杂形状的铸件。在众多铝合金系中，Al - Cu 系、Al - Mg 系、Al - Si 系、Al - Zn - Mg 系等尤为常见。例如，Al - Cu 系铝合金具有较高的强度，然而其耐蚀性相对较弱；Al - Mg 系铝合金则具有良好的耐蚀性和焊接性能；Al - Si 系铝合金的铸造性能突出；Al - Zn - Mg 系铝合金在具备高强度的同时，还拥有较好的韧性。不同种类铝合金的特性差异，决定了其在淬火冷却过程中表现出不同的行为。

2.2淬火冷却过程中的传热机制

在铝合金的淬火冷却过程中，存在着复杂的传热现象，主要涉及传导、对流和辐射三种传热方式。当高温铝合金工件被迅速浸入淬火介质中时，工件表面与淬火介质之间会因存在温度差而发生对流换热，这是淬火初期热量传递的主要方式。与此同时，工件内部的热量通过传导方式从高温区域向低温区域传递。在整个淬火过程中，辐射传热相对较弱，但其影响在某些情况下仍不可忽视，尤其是在高温阶段。

传热系数是衡量传热过程强烈程度的关键参数，它会受到多种因素的显著影响。淬火介质的物理性质，如比热容、导热系数、黏度等，对传热系数起着决定性作用。例如，水作为一种常用的淬火介质，具有较大的比热容和较高的导热系数，能够提供较强的冷却能力；而油的比热容和导热系数相对较小，冷却能力较弱。此外，工件的表面状态，如粗糙度、氧化膜等，以及淬火介质的流动状态，如是否搅拌、流速大小等，也都会对传热系数产生重要影响。表面粗糙的工件与淬火介质的接触面积更大，传热系数相对较高；而淬火介质的流动能够增强对流换热，提高传热系数。

2.3冷却速率对铝合金相变的影响

铝合金在淬火冷却过程中会发生复杂的相变过程，这对其微观组织和性能有着至关重要的影响。以 Al - Cu 系铝合金为例，在高温下，合金处于单相固溶体状态。当快速冷却时，原子来不及扩散，过饱和固溶体得以保留，这种过饱和固溶体处于亚稳态，具有较高的能量。随着冷却速率的变化，合金的相变行为也会发生显著改变。如果冷却速率足够快，能够抑制平衡相的析出，使合金形成更多的过饱和固溶体，为后续的时效强化提供更多的溶质原子。相反，若冷却速率较慢，原子有足够的时间扩散，就会导致平衡相提前析出，降低合金的过饱和度，进而削弱时效强化效果。不同的冷却速率还可能导致不同类型的亚稳相析出，这些亚稳相的形态、尺寸和分布会对合金的力学性能产生不同的影响。

2.4冷却速率对铝合金微观组织演变的影响

2.4.1 对晶粒尺寸与形态的影响

淬火冷却速率对铝合金的晶粒尺寸与形态有着显著的影响。当冷却速率较快时，形核率增加，而晶粒长大的时间相对较短，从而导致形成的晶粒尺寸细小且均匀。相反，若冷却速率较慢，原子有足够的时间扩散，晶粒会不断长大，尺寸变得不均匀，甚至可能出现粗大晶粒。在 Al - Mg 系铝合金中，快速冷却能够细化晶粒，提高合金的强度和韧性。这是因为细小的晶粒具有更多的晶界，晶界作为原子排列不规则的区域，能够阻碍位错的运动，从而提高材料的强度。细小的晶粒还能使变形更加均匀，减少应力集中，提高材料的韧性。因此，通过控制淬火冷却速率来细化晶粒，是提高铝合金性能的重要手段之一。

2.4.2 对晶界特征的影响

冷却速率的变化会对铝合金的晶界特征产生重要影响。在快速冷却条件下，晶界处原子来不及充分扩散和排列，导致晶界能较高，晶界结构相对复杂。这种高能晶界可能会影响合金的性能，例如在某些情况下，会增加合金的腐蚀敏感性。而当冷却速率较慢时，晶界处原子有更多时间进行调整和排列，晶界能相对较低，晶界结构更加规则。晶界特征的改变还会影响合金中第二相在晶界的析出行为。快速冷却时，晶界处溶质原子的偏聚程度可能较低，第二相的析出相对较少；而冷却速率较慢时，溶质原子有足够时间在晶界偏聚，促进第二相在晶界的析出。

2.4.3 对析出相的影响

淬火冷却速率对铝合金中析出相的种类、尺寸和分布有着至关重要的影响。在不同的冷却速率下，铝合金中会析出不同类型的相。在 Al - Zn - Mg 系铝合金中，快速冷却时，由于原子扩散受到抑制，主要析出细小的亚稳相，如 η′相；而冷却速率较慢时，可能会析出相对粗大的平衡相，如 η 相。冷却速率还会显著影响析出相的尺寸。一般来说，冷却速率越快，析出相的尺寸越小且分布越均匀。这是因为快速冷却使溶质原子来不及聚集长大，只能形成细小的析出相。这些细小且均匀分布的析出相能够有效地阻碍位错运动，提高合金的强度。

3.1 残余应力的量化表征

不同铝合金因成分与几何特征差异，淬火残余应力分布显著不同：

7050铝合金厚板：末端淬火实验显示，残余应力沿厚度方向呈梯度分布，表面压应力峰值达-210 MPa，心部拉应力峰值达+180 MPa。

7A04长条构件：深冷处理前残余应力为314.8 MPa(Mises应力)，经-196℃深冷后降至152.6 MPa，降幅达51.5%。

6061铝合金：30℃水淬时表面残余拉应力为96.8 MPa，60℃水淬时降至77.2 MPa。

3.2冷却速率与残余应力的非线性关系

冷却速率(Vc)通过热应力与相变应力耦合作用影响残余应力。研究表明：

低速冷却(Vc<50℃/s)：热应力主导，残余应力水平较低，但易发生非平衡析出，降低力学性能。

中速冷却(50–200℃/s)：存在“残余应力极小值窗口”。7050铝合金在流量密度130L·m⁻²·s⁻¹、喷水压力200kPa时(对应Vc≈150℃/s)，残余应力降至最低。

超高速冷却(Vc>300℃/s)：热应力急剧增大，残余应力显著升高。6061铝合金在冰水淬火(Vc≈400℃/s)时，表面残余拉应力比60℃水淬高25%。

3.3 冷却均匀性的关键作用

截面温差(ΔT)是残余应力的直接驱动力。双级淬火通过延长高换热系数温度区间的持续时间，减小ΔT，使7050铝合金残余应力降幅达30%。湖南大学开发的包覆淬火技术，在7150合金表面覆盖0.6mm无机胶粘剂+铝箔，调整表层与芯部冷却曲线同步性，残余应力几乎完全消除。

4.1第二相析出行为

冷却速率直接影响过饱和固溶体(SSSS)稳定性与第二相形核动力学：

临界冷却速率要求：7150铝合金的TTP(时间-温度-性能)曲线表明，在300–400℃温度区间，冷却速率需>100℃/s才能避免晶界η相(MgZn₂)连续析出，防止晶间腐蚀。

PAG介质调控机制：2A12铝合金采用聚烷撑乙二醇(PAG)淬火介质，通过调整浓度控制Vc在80–150℃/s，抑制θ相(Al₂Cu)粗化，提升尺寸稳定性。

4.2 位错与亚结构演变

位错密度：包覆淬火7150合金的位错密度显著低于常规水淬，归因于热应力松弛。

再结晶程度：7050铝合金在Vc>180℃/s时，表层再结晶晶粒比例达35%，而Vc

4.3时效响应差异

冷却速率通过保留空位浓度影响时效动力学：

T6时效：高冷却速率(Vc>200℃/s)试样硬度较高，但残余应力较大，剥落腐蚀评级仅为EC(严重腐蚀)。

T74过时效：冷却速率对T74态7050铝合金性能影响减弱，残余应力降幅超40%，且剥落腐蚀性能提升至EB级(中度腐蚀)。

5.1淬火工艺优化

介质选择：

PAG介质：可调节浓度控制Vc，使2A12铝合金残余应力降低30%–50%，尺寸稳定性提升。

双级淬火：首阶段高Vc抑制析出，次阶段低Vc(空冷或油冷)减小ΔT，7050铝合金残余应力降幅>25%。

新型包覆淬火：表面包覆层通过延缓初始冷却使芯-表温差ΔTmax减少200℃，残余应力降幅超90%，且力学性能保留率>98%。

5.2后淬火应力消减技术

冷变形工艺：

冷压缩：7050铝合金结构件2%变形量可使辐板区残余应力消减70%；筋条区需3%变形量。

冷拉伸：3%拉伸量使整体残余应力均匀化，机加工变形量减少60%。

深冷处理：7A04铝合金经-196℃深冷，残余应力降幅37.5%，机理为位错滑移与相变体积补偿。

5.3 数值模拟驱动的工艺设计

基于Hansel-Spittle黏塑性模型构建热力耦合有限元模型，可精准预测淬火-冷变形全过程应力演化。例如，通过识别“终滑点”位置优化换热系数分布，在控形区降低Vc，在控性区提高Vc，实现7075厚板残余应力与性能协同调控。

淬火冷却速率通过热应力-相变耦合效应和微观组织响应双重路径影响铝合金残余应力与性能：

1.残余应力控制：存在最优冷却速率窗口(如7050铝合金为150℃/s)，包覆淬火、双级淬火等可有效减小截面温差；

2.组织性能平衡：高Vc抑制有害相析出但增大了位错密度，需结合T74过时效或冷变形工艺协同优化；

未来研究需进一步探索极端条件(如超快速冷/深冷)下组织演变机理，并开发低残余应力-高强韧性匹配的新型淬火介质，以满足航空航天领域对铝合金构件极限性能的持续追求。

（作者：北京翔博科技）

参考文献

1.郑英等.7050铝合金单/双级淬火试验研究[J].金属热处理，2014.

2.淬火冷却速率对6061铝合金残余应力及微观组织演变的影响[J].JournalofCentralSouthUniversity，2024.

3.申坤等.PAG淬火介质冷却速率对2A12合金性能的影响[J].热处理技术与装备，2012.

4.赵祖德等.深冷处理消除7A04长条构件残余应力的建模与仿真[J].低温工程，2008.

5.秦国华等.7075铝厚板内淬火残余应力的形成机理分析与控制策略[J].稀有金属材料与工程，2018.

6.万里等.时效处理对7050铝合金厚板材料组织、性能及残余应力的影响[J].中国有色金属学报，2018.

7.王浩等.7050铝合金结构件热处理与冷成形过程残余应力演化规律的数值模拟[J].材料工程，2021.

8.蒋福林等.新型淬火工艺降低7系铝合金残余应力[J].JournalofMaterialsResearchandTechnology，2020.

9.快速冷却对6005A铝合金焊接残余应力的影响[J].热加工工艺，2022.

来源：苏迪说科技