铝合金热处理

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铝合金热处理特点:

众所周知,对于含碳量较高的钢,经淬火后立即获得很高的硬度,而塑性则很低。然而对铝合金并不然,铝合金刚淬火后,强度与硬度并不立即升高,至于塑性非但没有下降,反而有所上升。但这种淬火后的合金,放置一段时间,强度和硬度会显著提高,而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象,称为时效。时效可以在常温下发生,称自然时效,也可以在高于室温的某一温度范围(如100~200℃)内发生,称人工时效。

2024 铝合金在淬火加热时,合金中形成了空位,在淬火时,由于冷却快,这些空位来不及移出,便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态,必然向平衡状态转变,空位的存在,加速了溶质原子的扩散速度,因而加速了溶质原子的偏聚。硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高,空位浓度越大,硬化区的数量也就越多,硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大,固溶体内所固定的空位越多,有利于增加硬化区的数量,减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度,即随温度增加固溶度增加,大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度-温度关系,可用铝铜系的Al-4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。对铝铜系富铝部分的二元相图,在548℃进行共晶转变L→α+θ(Al2Cu)。铜在α相中的极限溶解度5.65%(548℃),随着温度的下降,固溶度急剧减小,室温下约为0.05%。 [3]

2024合金属于Al-Cu-Mg系高强度硬铝合金,由于合金板带材的最佳淬火工艺,以达到改善合金性能,控制其具有强度高,耐热性好,成型性优良及耐损伤等特制淬火变形,提高产品质量的目的。[4]

高纯高强铝合金的固溶程度对其性能的影响十分强烈,尽可能地提高固溶程度是提高该类铝合金综合性能的一个有效途径。[5]

但是随温度升高,性能变化有一定的特点,控制升温的速度很关键,主要是由于要虑2024铝合金的共晶温度(504.98C ),高于共晶温度则发生了变化。

铝合金工件加热后的冷却时间必须很短,一避免在固熔处理前工件局部或整体温度下降。工件从出炉到进入固熔处理槽的间隔时间要严格控制,延迟时间过长将导致工件温度下降,发生部分固熔体分解,析出粗大疏松相,产生组织偏析,从而降低时效强化效果。[6]

固溶热处理加热时间首先与合金性质、原始状态有关。因各种铝合金的成分相似所以对此不需特殊考虑,那么重点考虑的就是原始组织状态。当强化相比较细时,因固溶较快,加热时间可缩短。例如冷轧状态的板材所需加热时间较热轧

状态的短,重复淬火则更短,而一般退火状态因强化相较粗,保温时间应较长。另外,加热时间和加热介质、零件尺寸、量等因素也有直接关系。[7]

摘录不同温度时合金DOS分析如下:

在480C 和490C 淬火时,二元共晶中的2

CuAl和三元共晶中的S相(CuMgAl2)和CuAl2相开始固熔。在500.33C 淬火时,二元共晶中的CuAl2的固熔越明显,组成相的含量比低温时相应的减少,相边界变得圆滑。在504.98C 淬火时,强化相减少出现了轻微过烧组织。随着温度的继续升高,固熔更加充分,主要强化相显著减少,组织发生明显变化,合金中出现了共晶体和局部晶界复熔及熔相球和过烧三角形。淬火温度愈高,过烧特征愈明显。

在504.98C 淬火后,组织出现了轻微过烧,在此温度淬火后合金的力学性

能最高。尽管此时S(CuMgAl

2)相固熔得相当充分,CuAl

2

相也已明显固熔,

但合金基体强化作用还是主要的,故合金的力学性能非但未降低,反而有所提高一直达到峰值。当晶界出现明显的粗化和过烧三角形时,力学性能才明显降低。性能滞后于组织的原因是2024铝合金是时效强化合金,淬火温度愈高,淬火后时效强化效果就愈好。如果保温时间断,强化相溶解不充分,虽然超过三元共晶温度,但合金仍未达到饱和限。因此,轻微的过烧,不但不降低材料的抗拉强度和伸长率,而且使其有所提升高,使其疲劳性能才明显下降。当加热至525C ,

保温6min和12min时,CuAl

2

相得到充分固熔,并析出硬而脆的强化相,引起沉淀强化。因此,2024铝合金淬火后必须进行金相组织检验。[8]由以上数据分析可知,在我们的实验操作中出现了与文献资料有偏差的情况。理论上,在2024铝合金的共晶温度点附近,应该达到最为理想的性能,即:硬度达到最大。再随温度升高出现过烧现象影响合金的综合性能。即是资料中的500℃以后硬度下降的现象。对于这次试验数据中得到的在480℃有最大硬度,

随温度升高硬度直接下降的现象,个人总结做出以下设想:

1、由于实验环境复杂,各项指标未能达到正确实验的标准,所以在制备及操作中出现一些误操作,使制备的原材料不符合标准2024铝合金的技术参数要求。于是出现数据误差;

2、由于制备的试样粗糙不均匀,在进行性能测试时出现技术偏差,硬度测定过程中有错误操作等原因,使结果异常。

综合以上实验数据分析,我们得到:只有在修正实验参数,以及在正确操作和理想环境下,才能得到有参考价值的实验数据。本次实验数据存在技术偏差,不能客观反应2024铝合金的性能规范。需要在多次大量的实验操作后重新评估2024铝合金中固熔温度对其组织性能的影响。但是也不排除本次试验数据的现实意义,有可能该数据对纠正前人错误观点有所帮助,但是不能仅仅凭借一次实验草率做出判断,需要以后更多的实验来分析论证。

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