更新时间：2022-08-25 14:28
自然时效是指将工件放在室外等自然条件下，使工件内部应力自然释放从而使残余应力消除或减少。自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，依靠大自然的力量，经过几个月至几年的风吹、 日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。
自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，依靠大自然的力量，经过几个月至几年的风吹、 日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。
自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置，石墨尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长，占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。
7N01铝合金是最早由日本开发Al-Zn-Mg系铝合金，不但具有良好的挤压性能，且具有优良的焊接性能，是理想的中强焊接结构材料，被广泛应用于大型建筑物、车辆和航空航天等领域是铁道和地铁列车及大型豪华汽车用大型薄壁高精度复杂实心和空心型材的主要合金。我国生产7N01铝合金型材的能力有限，在一定程度上制约了轨道车辆的制造水平。目前我国7N01合金的研究主要集中于合金的热变形行为，但作为以热处理为重要强化方式的铝合金，热处理对该合金后续的使用有着巨大的影响。
在热处理过程中，Al-Zn-Mg系合金逐渐析出沉淀相，与此同时合金的强度和塑性发生明显的变化。而7N01合金在高速列车上使用时不可避免的经过大角度的弯折过程，因此弯折性能是该合金的重要指标之一。考察该合金在常用的热处理状态下的弯折性能是其应用的重要基础。Al-Zn-Mg系合金常用的时效制度均属于人工时效，例如T6 、T7 、 T77和RRA等技术，国内外的研究人员己对此进行了深入的研究。与大多数7000系铝合金不同，7N01合金的主要时效制度为自然时效，有关这方面的研究并不多见。本文一方面通过电导率和高分辨电镜研究了7N01合金在自然时效过程的沉淀析出过程，另一方面考察了自然时效对该合金力学性能和弯折性能的影响，尝试将合金的性能与组织联系起来，为其进一步的应用提供参考。
采用东北轻合金有限责任公司提供的6 mm厚7N01合金板进行试验，其中Fe和Si为主要杂质元素。
热处理制度为470℃/40 min固溶处理，室温水淬后进行自然时效。室温拉伸测试在日本岛津AG SOkNE万能材料试验机上进行，拉伸试样按GB /T16865-97选取，取3个拉伸数据的平均值作为有效值。电导率测试用厦门第二电子仪器厂生产的7501型涡流电导仪，参照GB /T12966-91执行，测量前用标准块进行校准。弯折试验采用的试样尺寸为200 mm x 15 mm x 6 mm，弯折直径25 mm，弯折角度分别为60°， 90°， 120°，180°试验后肉眼观察其试验后有无明显裂纹。高分辨观察在Tecnai F20场发射透射电子显微镜上进行，样品制备采用双喷减薄，电解液为25 %硝酸+75 %甲醇，电压为（16-18）V，电流为（60-80） mA电解液的温度控制在-30--20℃之间。
通过7N01铝合金电导率在自然时效过程中的变化曲线可以看出，电导率随着时效时间的延长迅速下降，在20 d左右达到稳定。固溶淬火态7N01合金的电导率最大，约为22.7 MS。m，稳定态合金电导率较小，20 d到90 d的电导率平均值约为19. 4 MS.m。
高强铝合金电导率主要取决于合金的组织状态，由于铝合金的时效处理将改变析出相与基体的界面关系，所以，合金电导率可用以判断铝合金时效处理时强化相的析出程度。铝合金的时效过程中析出相与界面的关系转变顺序一般为:共格(GP区)、半共格(过渡相)、非共格(稳定相)，由此引起的晶格畸变逐渐降低，合金内应力降低，电子运动变得容易，因此电导率逐渐上升。合金的电导率随着时效时间的延长不升反降，因此可以得到结论:在自然时效过程中，7N01合金的组织中主要为增大基体晶格畸变的析出相，即与基体保持共格的析出相，这种析出相可能为GP区存在，但这需要进一步的电镜的证实。
通过自然时效对7N01力学性能的影响可以看出，合金的强度随着时效时间的延长逐渐增大，在时效20 d后，基本达到稳定值，合金的延伸率在自然时效1d后即达到稳定值15. 5%左右。稳定态7N01合金的抗拉强度在400 MP以上，屈服强度基本稳定在260 MPa以上。
7000系为可热处理强化的铝合金，其热处理的效果主要决定于析出相的尺寸、形貌、体积分数以及其与界面的关系。析出相的这些性质会随着时效的进行不断发生变化，且只有与基体保持共格和半共格关系的析出相具有最佳的强化效果，即合金的强度最高。因此在一定温度进行人工时效时，合金的强度先增大(峰时效)后减小(过时效)，相应的析出相与界面的关系从共格半共格逐渐转变为非共格。与此不同，7 N01的力学性能在自然时效过程中的特征为上升后保持稳定。因此可以得出推论，合金的析出过程可能是淬火后析出与基体共格或半共格的析出相，且保持这种界面关系长期不变。7 N01合金的这种析出特征使其在自然时效稳定后达到较高强度的同时仍保持较高的塑性，因此该合金极有可能在自然时效稳定后仍具有良好的弯折性能。
自然时效10 d的7N01合金经过60°，90°， 120°和180° 4个角度的弯折试验后的试样，可以看出，试样经过弯折后未发生断裂，且在弯折部位未发现明显的宏观裂纹，说明该状态合金具有良好的抗弯折能力。
自然时效60 d的7N01合金经过60°，90°， 120°和180° 4个角度的弯折试验后的试样，可以看出，经过60 d自然时效后的合金，其弯折后的特征与自然时效10d的合金无明显差异，即未发生断裂且无明显的肉眼可见的裂纹。
90°弯折试样塑性变形区域集中于材料的应力集中部位，试样的其他部分塑性变形较小或未发生塑性变形。
试样的外侧由于收到拉应力而伸长，内侧由于收到压应力的作用而压缩，对应的组织中，合金的外侧晶粒发生拉长，内侧晶粒发生压缩。由于弯折试验的试验温度为室温，同时压缩速率较低利于热量的释放，因此合金形状的改变主要是由位错的滑移造成。当拉应力和压应力同时高于或等于位错的阻力时，试样开始变形，材料通过塑性变形达到松弛应力的目的。若材料的塑性较低，则在试样受拉应力的外侧产生剧烈的变形，导致裂纹的出现，从而造成材料在弯折过程中断裂，相反，塑性较高的材料不易断裂。
从自然时效过程中7N01合金塑性对间曲线中可以看到，在经过自然时效1 d后，合金的塑性明显提高，且在后续的继续时效过程中，合金的塑性基本保持在15. 5%左右，因此自然时效7 N01合金具有较高的塑性，同时其塑性受自然时效影响较小，导致该状态合金具有优良的抗弯折性能。
在自然时效过程中，由于时效环境温度远低于人工时效，自然时效状态合金中的主要析出相GP II区，与人工时效条件明显不同，在人工时效下主要强化相为GP区。时效析出动力为体积自由能的降低，时效温度越低，则时效析出动力越大，但相应的，原子的活动能力降低，从而降低了过饱和溶质原子的扩散能力。在自然时效条件下，虽然时效析出动力较大，但是由于原子扩散能力的降低，只能形成与基体完全共格的GP II区，因此，合金在获得强化的同时保持了较高的延伸率，从而具有较好的抗弯折性能。此外，由于GP II区与基体的共格关系，增大了固溶体的晶格畸变，对输运电子造成强烈的散射作用，使电导率降低。
1.结合电导率和高分辨的实验结果，得到7N01合金在自然时效中的主要析出相为GP II区。
2. 7N01合金的力学性能在自然时效过程中先上升达到最大值后保持稳定。稳定态7N01合金具有较高的强度(抗拉强度在400 MP以上，屈服强度在260 MPa以上)和良好的塑性(延伸率约为15.5%，同时，在自然时效10-60 d内，在弯折试验中均未出现肉眼可见的裂纹。