ly12合金熱處理工藝試驗及組織和性能研究

ly12合金熱處理工藝試驗及組織和性能研究

合理使用l-cu-mg金屬鋁。用該合金制造的發(fā)動機散熱零件風(fēng)扇葉,使用前需經(jīng)熱處理(固溶加時效處理)以提高強度。但由于LY12合金中可溶相充分固溶的溫度與α(Al)+S(CuMgAl2)+CuAl2三元共晶溫度的間隔很窄,即熱處理加熱溫度范圍很窄,實際生產(chǎn)中極易過燒導(dǎo)致整爐零件報廢。因此LY12合金的開始過燒溫度對合格的下限組織的判定起著至關(guān)重要的作用,而各種研究的結(jié)果不一致。LY12合金相當(dāng)于前蘇聯(lián)的Д16合金,相當(dāng)于美國的2024合金。前蘇聯(lián)對Д16合金淬火加熱溫度取495～505℃,主要依據(jù)是Д16合金中的三元共晶α(Al)+CuAl2+S(CuMgAl2)的開始熔化溫度為507℃;美國對2024合金不同規(guī)格制品的淬火加熱溫度取為493℃±6℃,日本取為495℃±3℃,其依據(jù)可能是LY12合金存在四元共晶α(Al)+CuAl2+S(CuMgAl2)+Mg2Si,共晶溫度為500℃。本文對LY12硬鋁合金進行了系列工藝試驗及熱處理工藝與組織和性能之間的關(guān)系的研究。1試驗材料和方法1.1《中限成分》試驗用料為厚度4mm的退火狀態(tài)LY12合金板料?；瘜W(xué)成分為標(biāo)準《GB/T10569-1989》的中限成分:4.61%Cu,1.60%Mg,0.59%Mn,0.29%Fe,0.16%Si,0.063%Zn,0.007%Ni,0.048%Ti。常規(guī)力學(xué)性能要求為抗拉強度220MPa,屈服強度135MPa,斷后伸長率12%～14%。1.2熱處理溫度對試樣拉伸性能的影響將板材加工成標(biāo)準的拉伸試樣及金相試樣。試樣在B-30型硝鹽爐中加熱保溫,用XWG-101電子電位差計控溫。試樣淬火加熱溫度分別為478℃、482℃、496℃、499℃、500℃、504℃、509℃、510℃、512℃、515℃、518℃,保溫時間為5min,水冷;經(jīng)120h自然時效,然后測其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。金相試樣均采用0.5%氫氟酸水溶液侵蝕,然后在金相顯微鏡下觀察分析組織。2試驗結(jié)果及分析2.1熱處理溫度對拉伸性能的影響LY12合金顯微組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系曲線示于圖1、圖2。從圖中可以看出,淬火溫度低于505℃時,抗拉強度和斷后伸長率隨著溫度的升高而呈上升趨勢;當(dāng)超過505℃后,其抗拉強度和斷后伸長率開始下降,這是由于其組織過燒、晶界結(jié)合力降低所致。2.2組織分析2.2.1正常組織(1)l12圖1其組成相為α(Al)+S(CuMgAl2)+CuAl2,見圖3。組織特征為二元共晶中的CuAl2及三元共晶中的S(CuMgAl2)和CuAl2相充分固溶并彌散析出,為日常生產(chǎn)中典型優(yōu)良顯微組織,綜合力學(xué)性能也最佳。(2)固溶過程及邊界二元共晶中的CuAl2相較圖3(a)固溶更加明顯,相含量略有減少,相邊界開始變得圓滑,見圖3(b)。這是由于淬火加熱溫度提高所致,為合格的下限組織。(3)溫度低的組織與圖3(a)相比,二元共晶中的CuAl2相固溶較不充分,組成相的含量相對較多,見圖4,這是由于淬火加熱溫度降低所致。2.2.2異常組織(1)時間對合金拉伸性能的影響極輕度過燒組織組成相為α(Al)+S(CuMgAl2)+CuAl2,組織特征為強化相減少,殘留相邊界明顯圓滑,個別處已出現(xiàn)復(fù)熔的共晶球,見圖5。此時材料的抗拉強度和斷后伸長率不但不降低,反而有所提高。LY12合金是時效強化合金,通過在淬火后的自然時效過程中析出彌散強化相來保證使用性能。淬火加熱溫度越高,合金元素溶解越充分,強化效果就越好。但加熱溫度超過合金的最低共晶溫度時,將造成合金內(nèi)部的低熔點共晶相優(yōu)先熔化,即過燒。上述極輕微過燒現(xiàn)象是在加熱溫度雖然超過固相線或三元共晶溫度,但保溫時間短的情況下產(chǎn)生的,這時合金仍有部分強化相未固溶,基體的強化作用占主導(dǎo)地位。這種組織雖然靜載力學(xué)性能合格,但其抗疲勞性能必然嚴重降低,仍應(yīng)視為生產(chǎn)檢驗中的非正常組織。(2)材料的強化作用組成相為α(Al)+S(CuMgAl2)+CuAl2,基本保留退火狀態(tài)的條塊特征,二元共晶中的CuAl2相及三元共晶中的S(CuMgAl2)和CuAl2相剛剛開始固溶(見圖6(a)),起不到強化相應(yīng)有的強化作用。隨著淬火溫度的降低,試樣抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率明顯降低,材料的綜合力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮,將嚴重影響零件的使用壽命。欠熱組織可以通過返工處理得到改善。(3)晶粒組織及組成相淬火加熱溫度偏高時得到的過燒組織嚴重降低材料的力學(xué)性能,尤其是斷后伸長率。組成相為α(Al)+共晶組織+少量CuAl2+少量S(CuMgAl2),見圖6(b)。與極輕度過燒組織相比,其固溶更加充分,主要強化相顯著減少,組織發(fā)生了明顯變化,其過燒組織特征如下。這種共晶球分布在α(Al)固溶體內(nèi)部,也稱液相球或復(fù)熔球。由于變形鋁合金鑄錠在均勻化、變形過程中原始鑄態(tài)晶粒破碎,大部分共晶組織溶入固溶體內(nèi),而剩余少量共晶體則沿變形方向雜亂分布在基體內(nèi)。當(dāng)淬火加熱溫度升高至共晶溫度,殘留的低熔點共晶體,根據(jù)共晶成分不同而先后形成了液相,并由于液相表面張力的作用凝結(jié)成球形分布在固溶體內(nèi)。合金的晶粒邊界附著低溶點相和雜質(zhì)相,因此是最薄弱的區(qū)域。當(dāng)淬火溫度升高至共晶溫度,晶粒邊界往往是優(yōu)先熔化區(qū)域。由于晶界上的雜質(zhì)相分布及數(shù)量不均勻,故形成晶界局部加粗現(xiàn)象。合金的正常淬火組織,其晶界一般是比較纖細均勻的,并且是不定形的形態(tài)。當(dāng)淬火加熱溫度不斷升高時,晶粒邊界表面張力的作用以及原子活動能力的增大使晶界有趨直傾向,特別是有液相共存的條件下,晶界阻力大大減小,晶粒粗化等軸趨向更加明顯。在淬火溫度過高的情況下得到的嚴重過燒組織使材料力學(xué)性能全面下降。組成相為α(Al)+共晶組織,其組織特征除具備一般過燒組織的所有特征外,還在三晶交角處形成三角形的液相區(qū),這是比較明顯的嚴重過燒組織特征,見圖7(a)。嚴重過燒組織還有一個特征是出現(xiàn)在淬火裂紋頂端或附近的晶界氧化,見圖7(b)。3組織圖像的應(yīng)用(1)LY12合金的開始過燒溫度為502～503℃,這對合