时效时间对LY12铝合金残余变形的影响

XX大学 XX届毕业论文毕 业 论 文时效时间对 LY12铝合金残余变形的影响研究学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： XXX XXXXXXXXX材料科学与工程学院XXXXXXXXXX大学 XX届毕业论文时效时间对LY12铝合金残余变形的影响研究摘要：对LY12铝合金进行了固溶和时效工艺试验并测定了不同工艺热处理后合金试样的变形量和硬度，建立了LY12铝合金不同时效制度下变形量及硬度的曲线。试验结果表明，1908h时效时，硬度曲线上出现波峰，同时改善LY12合金试样尺寸稳定性的最佳时效工艺为19040h人工时效。关键词：LY12 铝合金，热处理，时效时间，残余变形XX大学 XX届毕业论文The Impact Study of LY12 Aluminum Alloy on Aging Time to the Residual DeformationAbstract: Such heat treatment process testings for LY12 aluminum alloy as solution treatment and aging have been performed. The deformation and the hardness of the alloy subjected to heat treating with different processes has been detected. The dependence of the deformation and hardness on its different aging process has been determined. The experimental results show that aging at 190 for 8h，the hardness of the alloy appear its peak, and the optimum aging process to improve the dimensional stability for the LY12 alloy should be aging at 190 for 40h.Key Words: LY12 aluminum alloy, heat treatment, aging time, residual deformationXX大学 XX届毕业论文第 I 页 共页目录1 绪论 .I1.1 引言 .11.2 铝和铝合金 .21.2.1 铝的结构及性能特点 .21.2.2 铝合金概述 .21.3 本课题拟解决的问题 .41.3.1 LY12 铝合金在应用中存在的主要问题 .41.3.2 精密仪表和零件对 LY12 铝合金尺寸稳定性的要求 .51.4 研究现状 .51.4.1 影响尺寸稳定性的因素 .51.4.2 尺寸稳定化处理方法 .61.4.3 残余应力的测试与评估方法 .62 实验及实验过程 .62.1 实验所用的基本理论 .62.1.1 LY12 铝合金的热处理强化 .62.1.2 金相试样的制备 .92.1.3 硬度的测定 .102.2 实验过程 .112.2.1 试样的准备 .112.2.2 热处理工艺 .112.2.3 尺寸的测量 .122.2.4 硬度测试 .122.2.5 金相试验 .133 实验结果及分析 .133.1 热处理工艺与残余变形的关系 .133.1.1 固溶处理对试样尺寸的影响 .143.1.2 时效处理对试样尺寸的影响 .143.1.3 试验结果分析 .153.2 热处理工艺与硬度的关系 .18XX大学 XX届毕业论文第 II 页 共页3.2.1 固溶处理对试样硬度的影响 .183.2.2 时效处理对试样硬度的影响 .203.2.3 试验结果分析 .203.3 金相显微组织分析 .233.3.1 人工时效处理对试样显微组织的影响 .233.3.2 试验结果分析 .234 结论 .23结束语 .25附录 A .27附录 B .28附录 C .28参考文献 .30致谢 .32XX大学 XX届毕业论文第 1 页 共 32 页1 绪论1.1 引言铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素，约占地壳总质量的 7.73%1。铝和铝合金是我国国防和国民经济各部门需要的重要金属材料，被广泛的应用在航空工业、电器工业、交通运输业、化学工业、建筑材料以及日用器皿等。由于地壳中铝储量非常丰富，其生产和应用将会取得更大的发展。现代飞机有 70是铝和铝合金制造的，所以人们称铝是“会飞”的金属。近些年来，随着科学技术的发展以及现代航空航天高速、高机动性能要求的不断提高，航空航天上越来越多地采用整体结构件代替以前用很多零件装配的部件，这样不仅有利于减轻结构的重量，而且有利于保证结构件稳定的性能，实现这一点就得开发出低内应力的板材，这些航空航天铝合金整体结构件的尺寸跨度较大，结构复杂，形状精度要求很高，周边轮廓与其它零件还有复杂的装配协调关系 2-3。这些铝合金型材薄壁化、断面尺寸和形位公差精密化的要求，给其加工精度以及成型后的尺寸稳定性提出了更高的要求。铝合金一般有如下优点：铝合金材质轻，这有利于减小能耗，使用铝合金构件是提高能源效率一个重要途径；铝合金材质一般防腐性较好，环保，服役寿命长，减少了日后的维护工作量，因而使用成本低、方便 4；铝合金具有适宜的机械性能以及优良的工艺性。我国的 LY12 牌号铝合金相当于美国牌号的 2024 铝合金，为铝铜镁系中的典型硬铝合金，其成份比较合理，综合性能良好，是硬铝中用量最大的，广泛用于制作各种高负荷的零件和构件（但不包括冲压件锻件） 。该铝合金具有适宜的机械性能、小的比重、良好的抗腐蚀性以及优良的工艺性，在仪器仪表制造业、航空工业中以及宇航工业中都占据重要的地位。美中不足的是其尺寸稳定性性能越来越难以适应现代精密仪表设计的要求 5，如在一个高精度的陀螺和罗经系统中,其任意元件的尺寸不稳定都可能导致其质心的偏移,在制导系统中引入误差,直接影响制导精度 6，在宇航应用领域,10 - 6乃至 10- 7数量级的微小塑性应变都将成为重要的误差来源 7。薄壁零件加工过程中，由于变形难以保证加工精度，造成材料的浪费和产品报废，直接影响到企业的生产效率及经济效益 7。因此该类XX大学 XX届毕业论文第 2 页 共 32 页型铝合金的尺寸稳定性一直是人们关注的问题。1.2 铝和铝合金1.2.1 铝的结构及性能特点1） 结构特点在铝晶体中，存在两种间隙，即直径为 1.17010-10m 的八面体间隙和直径为0.6210-10m 的四面体间隙。碳、氮、氢、硼、氧、氟、氧等元素均可作为间隙元素溶进铝中，但固溶度极小。室温时滑移系为111，高于 450时，除了111外，还有100。铝中的织构为：织构丝织构+，板织构110 8。铝属面心立方晶格，配位数为 12，单位晶胞有 4 个原子。铝的晶格常数在 298K 时的最可能值 4.04959610-10米，据此铝原子的直径大约为2.8610-10米，原子体积为 999.6 毫米 3/克原子，298K 时的密度为 2698.72 千克/米 39。2） 性能特点铝一般有如下特点 10：纯铝熔化温度为 660，熔点较低，有利于简化熔炼及热加工工艺，这也意味着其耐热性较差。密度小，重量轻，导热、导电性好；可强化，纯铝可以通过冷加工、添加各种合金元素及热处理等方式进行强化，使比强度和比刚度提高；塑性好，硬度低，易加工，工艺性能良好，可以通过采用多种加工方式成型；铝表面极易生成致密而牢固的氧化铝薄膜，耐腐蚀性良好，铝可在大气、水、多种酸和有机物中使用；无低温脆性，具有良好的低温性能，是一种优良的低温材料。铝还具有无磁性、反射性强、有吸音性、耐核辐射和美观等特性。1.2.2 铝合金概述1）铝合金的分类在铝中加入合金元素，其组织结构和性能就会发生改变，铝中的常加元素通常有铜、镁、锌、硅、锰。根据铝及铝合金中所加元素的多少对性能的影响情况，可以借助相图给予大致的分类。根据相图一般把铝及铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其中变形铝合金又可分为工业纯铝、热处理不可强化铝合金和热处理可强化的铝合金。形变铝合金：相图中区。该类铝合金加热至固溶线以上时能形成单相 固XX大学 XX届毕业论文第 3 页 共 32 页溶体，塑性好，适用于压力加工成形。工业纯铝：相图中区的 1 区域形变铝合金：相图中区。该类铝合金加热至固溶线以上时能形成单相 固溶体，塑性好，适用于压力加工成形。图 1.1 铝合金相图 10工业纯铝：相图中区的 1 区域不能热处理强化的形变铝合金：相图中区的 2 区域，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化；可热处理强化的形变铝合金：相图中区的 3 区域，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。铸造铝合金：相图中区，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。2）2XXX 系合金概述2XXX 系合金属 Al-Cu-Mg 系的可热处理强化的加工铝合金，铜、镁、锰是其主要合金元素，铁、硅、镍、锌等是主要的杂质元素。铜能提高合金的强度与硬度，但却使伸长率略有下降，铝-铜合金具有明显的时效特性；镁能提高合金时效后的力学性能，特别对人工时效后强度性能的提高尤为显著，但同时会引起伸长率较大的降低；硅能与镁形成少量的强化相 Mg2Si，对时效强化过程有影响；2XXX系合金中的锰、钛、钒、铬等能提高合金的再结晶温度、细化晶粒与改善合金可焊性能的作用；高强度硬铝中，镁的含量较高，镁、铜、铝互相结合形成XX大学 XX届毕业论文第 4 页 共 32 页S（CuMgAl 2）相，其强化效果优于 CuAl2，使合金具有一定的耐热性 8、11-12 。表 1.1 变形铝及铝合金数字代号 11组别 牌号系列纯铝（铝含量不小于99.00%） 1XXX以铜为主要合金元素的铝合金 2XXX以锰为主要合金元素的铝合金 3XXX以硅为主要合金元素的铝合金 4XXX以镁为主要合金元素的铝合金 5XXX以镁和硅为主要合金元素并以相为强化相的铝合金 6XXX以锌为主要合金元素的铝合金 7XXX以其他合金元素为主要合金元素的铝合金 8XXX备用合金组 9XXX对于铝铜镁系中的典型硬铝合金 LY12，铜、镁、锰合金元素对固溶体的稳定有如下几个作用 8、11 ：合金固溶体的稳定性随铜和镁的总含量的提高而降低；含铜量高的 LY12 合金中，锰含量的增加可以增加固溶体的稳定性；低铜合金中，固溶体随锰含量增加则下降。但如果合金中含镁较多时，稳定性则不受影响；增加合金中的锰含量，会降低固溶体的稳定性，使固溶体提前开始分解。表 1.2 LY12 铝合金的化学成分（质量分数） （摘自 GB/T 3190-1996）化 学 成 分 / %其他牌号Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Ti单个 合计AlLY12 0.50 0.50 3.84.9 0.300.9 1.21.8 0.10 0.30 0.15 0.05 0.10余量1.3 本课题拟解决的问题1.3.1 LY12 铝合金在应用中存在的主要问题XX大学 XX届毕业论文第 5 页 共 32 页LY12 变形铝合金由于其比强度高, 在宇航业中得到了广泛的应用。为了获得足够的强度与韧性, 各种航空铝合金毛坯必须进行固溶处理。该系列铝合金通过淬火时效, 有大量强化弥散相析出, 使其强度进一步提高 13、14 。当 LY12 铝合金材料从大约 500的高温快速冷却到较低温度时, 在冷却过程中引入了很大的热应力梯度, 通常构件表面呈现压应力而内部呈现拉伸应力 14。铝合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力, 而后续的机械加工后会破坏这些残余应力的平衡态, 所以在加工过程中及成品零件长期使用或存放过程中工件将产生变形。不少构件在机加工后,尺寸的变化不仅难以达到要求,甚至引起大量报废。此外，残余拉应力还会使构件增加应力腐蚀开裂的敏感性,导致早期疲劳失效 15。一般情况下，当工件刚性大且形状对称时, 变形较小，反之, 则变形十分明显。宇航产品为了减轻重量, 零件的形状大都为高筋薄壁 , 因装配的需要, 还有部分半环，这类零件, 变形是非常严重的 13。众所周知，导航系统在当今社会中正在扮演着越来越重要的角色，其中的惯性导航器件是其重要的元件，导航系统一般要求要有很高的精度，我国惯性器件广泛使用铝合金，尤其 LY12 应用更为广泛 14。构件尺寸精度要求的日益提高对 LY12 铝合金精密构件的尺寸稳定性也提出了更高的要求，尺寸不稳定的问题已经极大地影响精密零件的加工精度和使用的可靠性。1.3.2 精密仪表和零件对 LY12 铝合金尺寸稳定性的要求长期以来人们虽然在精加工领域做了许多卓有成效的探索, 精密切削的精度和精密的磨削精度得到不断地提高，精加工水平也完全能满足工件的瞬时精度 4, 但