鋁合金熱處理原理3.doc

鋁合金熱處理原理鋁合金鑄件得熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時(shí)間以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工型能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。3.1.1鋁合金熱處理特點(diǎn)眾所周知，對(duì)于含碳量較高的鋼，經(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對(duì)鋁合金并不然，鋁合金剛淬火后，強(qiáng)度與硬度并不立即升高，至于塑性非但沒(méi)有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時(shí)間（如46晝夜后），強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強(qiáng)度、硬度隨時(shí)間增長(zhǎng)而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。時(shí)效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時(shí)效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100200）內(nèi)發(fā)生，稱人工時(shí)效。3.1.2鋁合金時(shí)效強(qiáng)化原理鋁合金的時(shí)效硬化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，它不僅決定于合金的組成、時(shí)效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過(guò)程中縮造成的缺陷，特別是空位、位錯(cuò)的數(shù)量和分布等。目前普遍認(rèn)為時(shí)效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。 鋁合金在淬火加熱時(shí)，合金中形成了空位，在淬火時(shí)，由于冷卻快，這些空位來(lái)不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)。這些在過(guò)飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)原子 結(jié)合在一起。由于過(guò)飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。硬化區(qū)的大小和數(shù)量取決于淬火溫度與淬火冷卻速度。淬火溫度越高，空位濃度越大，硬化區(qū)的數(shù)量也就越多，硬化區(qū)的尺寸減小。淬火冷卻速度越大，固溶體內(nèi)所固定的空位越多，有利于增加硬化區(qū)的數(shù)量，減小硬化區(qū)的尺寸。沉淀硬化合金系的一個(gè)基本特征是隨溫度而變化的平衡固溶度，即隨溫度增加固溶度增加，大多數(shù)可熱處理強(qiáng)化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度溫度關(guān)系，可用鋁銅系的Al4Cu合金說(shuō)明合金時(shí)效的組成和結(jié)構(gòu)的變化。圖31鋁銅系富鋁部分的二元相圖，在548進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變L（Al2Cu）。銅在相中的極限溶解度5.65（548），隨著溫度的下降，固溶度急劇減小，室溫下約為0.05。在時(shí)效熱處理過(guò)程中，該合金組織有以下幾個(gè)變化過(guò)程：形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)GP（）區(qū)在新淬火狀態(tài)的過(guò)飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無(wú)序的。時(shí)效初期，即時(shí)效溫度低或時(shí)效時(shí)間短時(shí)，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，稱GP（）區(qū)。GP（）區(qū)與基體保持共格關(guān)系，這些聚合體構(gòu)成了提高抗變形的共格應(yīng)變區(qū)，故使合金的強(qiáng)度、硬度升高。 GP區(qū)有序化形成GP（）區(qū)隨著時(shí)效溫度升高或時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)生有序化，即形成GP（）區(qū)。它與基體仍保持共格關(guān)系，但尺寸較GP（）區(qū)大。它可視為中間過(guò)渡相，常用”表示。它比GP（）區(qū)周圍的畸變更大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙進(jìn)一步增大，因此時(shí)效強(qiáng)化作用更大，”相析出階段為合金達(dá)到最大強(qiáng)化的階段。形成過(guò)渡相隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展，銅原子在GP（）區(qū)繼續(xù)偏聚，當(dāng)銅原子與鋁原子比為1：2時(shí)， 形成過(guò)渡相。由于的點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時(shí)與基體共格關(guān)系開(kāi)始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，因此相周圍基體的共格畸變減 弱，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用亦減小，表現(xiàn)在合金性能上硬度開(kāi)始下降。由此可見(jiàn)，共格畸變的存在是造成合金時(shí)效強(qiáng)化的重要因素。形成穩(wěn)定的相過(guò)渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相Al2Cu，稱為相此時(shí)相與基體的共格關(guān)系完全破壞，并有自己獨(dú)立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時(shí)效溫度的提高或時(shí)間的延長(zhǎng)，相的質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大，合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步下降，合金就軟化并稱為“過(guò)時(shí)效”。相聚集長(zhǎng)大而變得粗大。鋁銅二元合金的時(shí)效原理及其一般規(guī)律對(duì)于其他工業(yè)鋁合金也適用。但合金的種類不同，形成的GP區(qū)、過(guò)渡相以及最后析出的穩(wěn)定性各不相同，時(shí)效強(qiáng)化效果也不一樣。幾種常見(jiàn)鋁合金系的時(shí)效過(guò)程及其析出的穩(wěn)定相列于表31。從表中可以看到，不同合金系時(shí)效過(guò)程亦不完全都經(jīng)歷了上述四個(gè)階段，有的合金不經(jīng)過(guò)GP（）區(qū)，直接形成過(guò)渡相。就是同一合金因時(shí)效的溫度和時(shí)間不同，亦不完全依次經(jīng)歷時(shí)效全過(guò)程，例如有的合金在自然時(shí)效時(shí)只進(jìn)行到GP（）區(qū)至GP（）區(qū)即告終了。在人工時(shí)效，若時(shí)效溫度過(guò)高，則可以不經(jīng)過(guò)GP區(qū)，而直接從過(guò)飽和固溶體中析出過(guò)渡相，合計(jì)時(shí)效進(jìn)行的程度，直接關(guān)系到時(shí)效后合金的結(jié)構(gòu)和性能。幾種鋁合金系的時(shí)效過(guò)程及其析出穩(wěn)定的強(qiáng)化相影響時(shí)效的因素從淬火到人工時(shí)效之間停留時(shí)間的影響研究發(fā)現(xiàn)，某些鋁合金如AlMgSi系合金在室溫停留后再進(jìn)行人工時(shí)效，合金的強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101鑄造鋁合金，淬火后在室溫下停留一天后再進(jìn)行人工時(shí)效，強(qiáng)度極限較淬火后立即時(shí)效的要低1020Mpa，但塑性要比立刻進(jìn)行時(shí)效的鋁合金有所提高。合金化學(xué)成分的影響 一種合金能否通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化，首先取決于組成合金的元素能否溶解于固溶體以及固溶度隨溫度變化的程度。如硅、錳在鋁中的固溶度比較小，且隨溫度變化不大， 而鎂、鋅雖然在鋁基固溶體中有較大的固溶度，但它們與鋁形成的化合物的結(jié)構(gòu)與基體差異不大，強(qiáng)化效果甚微。因此，二元鋁硅、鋁錳、鋁鎂、鋁鋅通常 都不采用時(shí)效強(qiáng)化處理。而有些二元合金，如鋁銅合金，及三元合金或多元合金，如鋁鎂硅、鋁銅鎂硅合金等，它們?cè)跓崽幚磉^(guò)程中有溶解度和固態(tài)相 變，則可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。合金的固溶處理工藝影響為獲得