应力时效对高强度铝合金硬度的影响

《专业综合训练》报告书
课题名称：应力时效对高强度铝合金硬度的
影响
学院（系）：材料科学与工程学院
专业：热处理
年级：08级
学生姓名：刘建宁
指导教师：张静武
2011年12月13 日
应力时效对高强度铝合金硬度的影响
一、选题背景
高强度铝合金具有比重小、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特点，被广泛地应用于航空工业及民用工业等领域，尤其在航空工业中占有十分重要的地位，是航空工业的主要结构材料之一。

近几十年来，国内外学者对高强度铝合金的热处理工艺及其性能等进行了大量的研究，取得了重要进展，并极大地促进了该类材料在航空工业生汽中的广泛应用。

高强度铝合金主要是以AI-Cu-Mg和A1-Zn-Mg-Cu为基的合金。

前者的静强度略低于后者，但使用温度却比后者高。

AI-Cu-Mg系合金是发展最早的一种热处理强化型合金。

航空工业的发展，促进了该系合金的改进。

本世纪20年代和30年代相继发展了2014和2024合金，随后又发展了2618合金。

这个系的合金发展较为成熟，已先后定型了十几个牌号。

这些合金作为航空材料，己得到了广泛的应用。

热处理是一种常用的提高铝合金性能的工艺。

热处理工艺的不同对合金析出相也有很大影响。

最近，有学者研究发现，在时效过程中施加外应力，即应力时效，对A1-Cu-Mg-Ag合金中强化相的析出序列、数量、大小和分布等都有显著影响。

应力时效是指在时效过程中引入一小于屈服极限的应力，在温℃度和应力的耦合作用下，会使强化相的析出过程产生显著的变化。

这种热处理工艺最初是用于研究Ti-H，Zr-H，Fe-N及镍合金。

而对于铝合金体系的研究最早是用于简单二元体系A1-Cu合金。

HOSFORD 等于1975年首先展开了对A1-Cu 合金应力时效的研究。

二、文献综述
研究现状
HOSFORD 等于1975年首先展开了对A1-Cu合金应力时效的研究。

他们发现，时效过程中施加外应力能够使合金中的强化相θ’相沿某一方向呈择优取向析出。

若施加沿<100>方向的压应力，则θ’相沿平行于应力轴的方向析出，若施加拉应力，则沿垂直于应力轴的方向析出。

随后，SANKRAN 推翻了这一结论。

他认为，如果是压应力，则析出相应垂直于应力方向；如果是拉应力，则平行于应力方向。

在此之后，国内外学者展开了对A1-Cu合金应力时效的研究，得到的结论都与SANKRAN 的结论吻合。

ZHU等对Al-Cu合金的应力时效进行了比较系统的研究，认为应力位向效应与外加应力、温度、合金成分和时效时间有关。

目前对于应力时效的研究大部分针对A1-Cu简单二元合金体系，而对复杂合金体系研究较少。

HARGARTER和CHEN等研究了A1-Cu-Mg-Ag合金的应力时效。

他们均发现Al-Cu-Mg-Ag合金中的析出相η和θ’一样，均有位相效应。

HARGARTER等还发现，由于位相效应的存在，合金的强度也表现出各向异性。

目前对A1-Cu-Mg-Ag合金应力时效的研究大都针对位相效应现象或者由位相效应引起的合金的性能的变化，很少对合金在应力时效下强化相的析出过程进行研究。

早期对Al-Cu-Mg-Ag 合金的研究主要集中于Ω相的晶体结构。

一些研究结果表明Ω沉淀相是面心的正交结构( a = 0. 496 nm , b = 0. 895nm , c = 0. 848 nm) 。

Chang 等重新分析了这种相, 并认为基于这种相与平衡的θ相( a = b =0. 606 6 nm , c = 0. 487 4 nm) 有同样的化学组成(Al-Cu) , 这种相具有正方晶体结构. 实际上, 在Ω和θ相的结构模型中, 晶格常数的差别非常小,以至于在250 ℃以上的温度下长时间时效将会使得Ω沉淀相最终
被不同方向和形状的θ平衡沉淀相所取代。

最近对Al-Cu-Mg2Ag 合金的研究则侧重于改变合金中各元素含量及加入稀土元素对不同温度下力学性能的影响。

然而, 对于Ω相的生长动力学和Ag 能提高合金高温强度的机制还不清楚。

Cina于1974年提出的回归再时效(RRA)工艺能够在保持铝合金T6状态强度的基础上将抗应力腐蚀性能提高到接近T73的水平，为此各国开展了大量的研究工.但这些研究主要关注的是如何将Cina提出的工艺实用化，而忽视了RRA对室温力学性能影响规律的深入分析.而且，目前在该方面也出现了不一致的报道，如:大西忠一得出的不同温度下7475铝合金回归和再时效的硬度曲线，呈现出大小与单级峰值时效硬度相同的硬度平台式变化规律.在Oliveira 的研究中也出现了近乎平台式的硬度变化规律.而许多研究者得出了比峰时效硬度更高的回归再时效硬度，且呈单峰状变化特征.
关于7050 合金, Gang 等、Robson、Adler 等及Staley分别对7050 合金GP 区和η′相的形成、粗大第二相在加工和固溶处理过程的作用以及时效析出行为进行了深入研究。

Hardwic等和宋仁国等探讨了7050 合金的氢脆和应力腐蚀行为。

段玉波等和陆海庆等分别研究过7050 合金厚板的铸造和加工工艺。

郑立静等还探索了细化7050 合金的特殊方法。

为了使7050 合金获得更好的强度、韧性和抗应力腐蚀性能的结合, 国内外进行了大量的RRA 处理研究, 但这种处理很难在生产中应用。

目前7050 合金实用的热处理制度仍为双级时效处理。

张新明、叶凌英、罗智辉等过时效工艺对AA2195 铝锂合金微观组织的影响结果表明:时效过程中析出的球状粒子为富Cu 相,板条状相为富CuFe 相;在相同的时效时间下,越高的处理温度可以得到更大的析出相粒子体积分数;在
600K以下时效时,粒子沿原始晶界呈连续分布,并几乎占满所有晶界,这种网状分布的粒子在最终快速退火中不仅无法提供足够的形核位置,还将成为大角度
晶界移动的障碍,导致大尺寸扁平状晶粒组织的形成,而600K以上的样品则可以得到球状粒子,晶界上无连续分布的粒子,得到了比较理想的晶粒组织。

600KP24h 炉冷是AA2195 铝锂合金超塑性预处理的最佳时效工艺。

本文将通过对高强度铝合金的应力时效实验讨论应力时效对高强度铝合金硬度的影响。

三、研究目的、内容及方案
研究目的：
随着航空、航天工业的高速发展，对铝合金的强度和使用温度提出了更高的要求。

通过对应力时效对高强度铝合金硬度的影响的研究，找到应力时效影响高强度铝合金硬度的最佳条件，来提高高强度铝合金的硬度。

实验方案：
1、6061铝合金试样在200℃下，测定无应力状态时，铝合金试样硬度大小及其随时间的变化趋势。

2、6061铝合金试样在200℃下，测定不同应力状态时，铝合金试样硬度大小及其随时间的变化趋势。

3、6061铝合金试样在应力大小为200MPa下，测定不同温度状态时，铝合金试样硬度大小及其随时间的变化趋势。

温度/
时间/h
图1、时效工艺曲线
表1、6061铝合金试样200℃无应力时效硬度数据表
表2、6061铝合金试样200℃不同应力时效硬度数据表
表3、6061铝合金试样应力大小为200MPa不同温度时效硬度数据表
4、用X射线衍射方法，观察铝合金试样的内部组织及析出相的分布。

5、采用透射电子显微镜观察析出相的大小。

6、得出结论，用观察试样内部的结构来解释试样硬度大小变化的原因。

四、可行性论证
可行性分析：本项目有良好的前期工作基础和研究条件，再加上实验室的仪器设备做保障，科学的实验方法实验步骤，经过努力能够实现预期的研究目标，取得预期的研究成果。

可能存在问题：
1、试样在做电镜分析时观察不到所需要的相
解决方案：制样的问题或者电镜操作问题
2、所取应力与温度的范围过小不能完全体现合金硬度变化趋势
解决方案：扩大所选应力与温度范围
五、主要参考文献附录
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2、肖代红，王健农，丁冬雁．预拉伸处理对AI-5.3Cu-0.8Mg-0.3Ag合金性能和时效过程
影响[J]．热加工工艺，2003，4：1—2．
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4、刘晓艳，潘清林，曹素芳，陆智伦，何运斌，李文斌应力时效对AI-Cu-Mg-Ag 耐热铝合金组织与性能的影响.航空材料学报，2010,24（10）：1-5
5、宁爱林，刘志义，冯春曾，苏民铝合金回归再时效状态的超峰时效强度行为分析金属学报，2006,12（24）1253-1258
6、孟昭富，郑勇，龙厚文，刘玉惠.金属学报，1997; 33: 479
7、谷亦杰李永霞.张永刚.等.7050合金RRA沉淀析出的TEM研究[f71.航空材料一学
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8、宋仁国.曾梅光.张宝金.等.铝合金品界偏析与应力腐蚀、腐蚀疲劳行为的研究[[J ].中国
腐蚀与防护学报1996. 16(1):1一7.
六、导师意见：
七、成绩考核：
成绩：
答辩委员会主席签字：
注：《专业综合训练》报告书一般约4000-5000字。