（凝聚态物理专业论文）电解加钛zl108合金的热处理工艺优化和快速凝固组织的研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文采用正交试验的方法，探索了热处理主要因素对电解加钛z l l 0 8 共晶 a l - s i 合金( 简称z l l 0 8 d 合金) 力学性能的影响，并通过进一步试验得到优化的热 处理工艺。同时，用单辊旋转淬冷法制备了z l l 0 8 d 合金的薄带，研究了该合金 在快速凝固条件下的组织。 通过正交试验的极差分析得到：对抗拉强度和屈服强度而言，各因素的重 要次序为：固溶温度 时效温度 固溶时间 时效时间；对硬度而言，重要次序为： 时效温度 固溶温度 固溶时间 时效时间。并且，温度的重要性远大于时间的重 要性。而且随着固溶温度的升高和时效温度的降低，合金的力学性能升高。 通过方差分析，对抗拉强度、屈服强度和硬度而言，各因素的显著性排序 均为：固溶温度 时效温度 固溶时间 时效时间。温度显著性明显高于时间的显 著性，与极差分析结果一致。 通过进一步优化试验，验证了正交试验的试验规律，同时得到了热处理优 化工艺：固溶温度5 4 5 c 、固溶时间7 h 、时效温度1 7 5 。c 和时效时间1 0 1 1 ，抗拉 强度达到3 8 5 m p a ，屈服强度达到3 4 4 m p a ，维氏硬度达到1 5 4 。 通过单项试验得到，硬度随着固溶时间的变化并不明显，在固溶时间为6 h 左右时，达到最大值；硬度随时效时间的变化较明显，在时效时问为1 2 h 时，达 到最大的硬度；同时，随着固溶时间的延长，硅相面积增大，直径增大，球度增 大，硅相的形貌和分布发生了明显的变化。固溶时间为7 l l 时，硅相的球度、大 小和分布配合较好，对合金的力学性能能够产生较好的影响。 快速凝固试验表明，单辊旋转淬冷法制备该成分合金与传统重力铸造合金 d s c 曲线特征明显不同，这主要是由于冷却速度的不同造成了固溶度的不同， 促进了前者g e 区的产生和变化；通过x 射线衍射分析，由试验得到的实际晶格 常数小于理想代位固溶体和传统重力铸造合金的的晶格常数，这是由于固溶度的 提高造成了更大的晶格畸变；同时，在快速凝固薄带的x 衍射谱中出现了明显 的铝衍射峰，没有s i 等合金元素明显的衍射蜂出现，说明s i 等合金元素已基本 溶入基体中。 通过扫描电镜和金相显微镜分析得到，与传统重力铸造合金相比，快速凝 郑州大学硕士学位论文 摘要 固合金的组织明显细化。通过透射电镜分析得到，快速凝固合金薄带的组织中存 在a a l 和a l s i 共晶区，a - a l 的晶粒尺寸达到微米级，共晶区中s i 的尺寸达到 了纳米级。 关键词：z l l 0 8 d 合金，正交试验，热处理，快速凝固，微观组织，力学性能 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to ft h ek e yh e a t t r e a t m e n tf a c t o r so l lt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo f t h ee u t e e t i ca 1 - s ia l l o yo f z l l 0 8a d d i n gt i t a n i u mb ye l e c t r o l y s i s ( t h ea l l o y o f z l l 0 8 d ) i si n v e s t i g a t e d a n dt h eo p t i m i z a t i o nh e a tt r e a t m e n ti sa c h i e v e dt h r o u g h a f u r t h e rt e s t a tt h es a m et i m e ，t h er i b b o n so fz l l 0 8 da x em a d eb yt h es i n g l er o l l e r m e t h o d ，a n dt h em o r p h o l o g yo f t h er a p i d l ys o l i d i f i e da l l o y si si n v e s t i g a t e d t h er a n g ea n a l y s i so f t h eo r t h o g o n a lt e s ts h o w st h a t ，t ot e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l d s t r e n g t h , t h es i g n i f i c a n c ec o n s e q u e n c eo ft h eh e a tt r e a t m e n t f a c t o r si s ：s o l u t i o n t e m p e r a t u r e a g i n gt e m p e r a t u r e s o l u t i o nt i m e a g i n gt i m ea n d t h a to ft h eh a r d n e s si s ： a g i n gt e m p e r a t u r e s o l u t i o n t e m p e r a t u r e s o l u t i o nt i m e a g i n gt i m e ， a n dt h e t e m p e r a t u r ei sf a rm o r ei m p o r t a n tt h a nt h et i m e w i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l u t i o n t e m p e r a t u r e a n dt h ed e c r e a s i n go f a g i n gt e m p e r a t u r e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y i n c r e a s e t h ev a r i a n c ea n a l y s i ss h o w st h a t ，t ot h et e n s i l es t r e n g t h ，t h ey i e l ds t r e n g t ha n d t h e h a r d n e s s ，t h es i g n i f i c a n c ec o n s e q u e n c eo f t h ef a c t o r si s ：s o l u t i o n t e m p e r a t u r e a g i n gt e m p e r a t u r e s o l u t i o nt i m e a g i n gt i m e t h et e m p e r a t u r ei sm o r e i m p o r t a n tt h a nt h et i m e t h a ti sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so f t h er a n g ea n a l y s i s t h ef o l t h e rt e s tv e r i f i e st h ee x p e r i m e n t a ll a wg o u e nf i o mt h eo r t h o g o n a lt e s t ， a n dt h em o r eo p t i m i z a t i o n a lh e a tt r e a t m e n th a sb e e no b t a i n e dw h i c hi ss o l u t i o n t e m p e r a t u r e ：5 4 5 c ，s o l u t i o n t i m e ：7 h ，硒n g t e m p e r a t u r e ：1 7 5 ( 2 ，a n da g i n g t i m e ：1 0 h , a n dt h et e n s i l es t r e n g t h ，t h ey i l e ds t r e n g t ha n dt h ev i c k e r - h a r d n e s sc a nr e a c h3 8 5 m p a , 3 4 4 m p aa n d1 5 4 t h r o u g ht h es i n g l et e s t t h ev i e k e r - h a r d n e s sd o e s n tc h a n go b v i o u s l yw i t l lt h e v a r i a t i o no ft h es o l u t i o nt i m ee n dc a nr e a c hi t sm a x i m u mw h e nt h es o l u t i o nt i m ei s a b o u t6 h w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ea g i n gt i m e , t h ev i c k e r - h a r d n e s sv a r i e so b v i o u s l y , a n dr e a c h e si t sm a x i m u mw h e na g i n gt i m ei s1 2 h a tt h es a m et i m e , t h ea r e a , t h e d i a m c t e ra n dt h er o u n d n e s so ft h es ip h a s eb e c o m eb i gw i mt h ei n c r e a s i n go ft h e s o l u t i o nt i m e , a sar e s u l t ，i t sm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o nh a sb e e nc h a n g e d a n d i l i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a e t w h e nt h es o l u t i o nt i m er e a c h7 h ，t h er o u n d n e s s ，t h ed i s t i l b u t i o na n dt h es i z eo ft h es i f i tw a l la n dt h a th a v eg o o de f f e c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h i sa l l o y t h er e s u l t so f t h et e s to f t h es a m ea l l o y sm a d eb yt h es i n 舀er o l l e rm e t h o ds h o w s t l l 矾t h r o u g ht h et e s to fd s c ，t h e r ea l eo b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ec n d o t h e r m a l c u r v eo f t h er i b b o n sm a d eb yt h es i n # er o l l e rm e t h o da n dt h a to f t h ea l l o y sp r o d u c e d b yt h em e t a l l i cg r a v i t yc a s t i n gm e t h o d , a n dt h a tc 锄b ed u et ot h ec o o l i n gr a t e d i f f e r e n c e sw h i c hc a u s e 3t h ed i f f e n e c e so fs o l i ds o l u b i l i t y , w h i c ha c c e l e r a t et h e f o r m a t i o na n dt h ev a r i a t i o no ft h ep r e c i p i f i a t e dp h a s eo ft h ef o r m e r t h r o u g ht h et e s t o f x r d i tc a nb eg o t t e nt h a tt h er o b b i o n s l a t t i c ec o n s t a n t sa r em u c hs m a l l e rt h a nm a t o f t h ei d e a ls u b s t i t u t i o ns o l i ds o l u t i o na n dt h ea l l o y sp r o d u c e db yt h em e t a l l i cg r a v i t y c a s t i n gm e t h o d ，w h i c hd u et ot h ei n c r e a s i n go f t h el a t t i c ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h e i n c r e a s i n go f t h es o l i ds o l u b i l i t y a n dt h e r et i t l es h a r pd i f f r a c t i o np e a k sb e l o n g i n gt oa 1 ， a n dt r i oo t h e ro b v i o u sp e a k sa r ed i s c o v e r e d t h e s ep r o v et h a tt h ea l l o ya g e n t sh a v e d i s s o l v e di nt h eb a s a lb o d ye n t i r e l y t h r o u g ht h et e s to fs e m a n dt h em e t a l l o g r a p h i em i c r o s c r o p e ，t h em o r p h d o g y o ft h ea l l o y sw h i c hr a p i d l ys o l i d i f i e si sm u c hr e f i n e rt h a nt h a to ft h ea l l o y sp r o d u c e d b yt h em e t a l l i cg r a 啊t yc a s t i n gm e t h o d t h r o u g ht h et e s to f t e m ，i tc a l lb eg o t t e nt h a t t h em o r p h o l o g yo ft h er i b b o n si sm a d el l po fa - a la n da i - s ie n t e e f i ca r e a , a n dt h e g r a i ns i z eo f 舡a 1r e a c ht h em a g n i t u d eo fu n l a n dt h es i z eo fs ie x i s t i n gi n t h e e u t e e t i ca r e ar e a c ht h em a g n i t u d eo f n m k e y w o f d s ：z l l 0 8 da l l o y , o r t h o g o n a lt e s t , h e a tt r e a n t m e n t ，n p i ds o l i d i f i c a t i o n ， m o r p h o l o g y , m e c h a n i c a lp r o p e r t y 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 铸造铝硅合金概述 第一章绪论 自从电解铝技术获得应用以来，世界铝业得到了迅猛的发展，铝合金已成 为最常用的两种工业合金之一。铸造a 1 s i 合金是铸造铝合金中最重要的一个系 列，由于其密度小、比强度高，同时具有优异的铸造性能、耐蚀性能、可焊性及 热膨胀性，广泛地应用于航空航天、汽车、机械等行业，用来生产形状复杂、薄 壁、耐蚀、气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷，或要求在较高温度下工 作的大、中、小型铸件。 1 1 1 铸造铝硅合金的现状 随着现代工业及铸造技术的发展，对铸造铝合金的需求量日益增大l l - 3 1 。2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，在铸件总量停滞不前甚至下降的情况下，日本的铝铸 件产量一直保持年递增1 0 左右的高增长率【1 】。在汽车工业中，由于要降低能耗， 汽车需要轻量化，当前交通运输业己成为铝合金应用的最大市场。汽车重量对燃 料的经济性起着决定性的作用，如图1 1 f 4 】所示，车重每降低1 0 0k g ，油耗减少0 7 l 1 0 0k m s l ，而铝合金是最佳的汽车轻量化用材。近年来，各国广泛采用铝等有 色合金件代替钢铁件。2 0 0 1 年，小汽车平均总重量降低为8 0 0k g 左右，其中包括 的钢铁部件为2 0 0k g ，铝合金零部件为2 7 5k g ，镁合金增为4 0k g ，而汽车零部 件7 0 为铸件【6 】。因此，以提高总体燃料经济性和保护人类生存环境为目的的汽 车轻量化运动，促进了铝合金铸件在汽车上的应用，从上世纪7 0 年代石油危机以 来，单车用铝量在逐年增加【5 】。由此可见，铸造铝合金的研究与应用将继续得到 迅猛发展。 铸造铝合金的力学性能主要由其化学成分、熔炼工艺、浇注条件和热处理 工艺过程等共同决定。在这些影响因素中，人们就合金的化学成分和铸造工艺参 数对材料性能的影响已经进行了大量深入的研究，在合金元素与杂质元素、精炼 与变质、熔炼与浇注、铝合金宏观与微观组织形成机理、晶粒细化机理与晶粒细 化剂等方面的研究均取得了重要的进展【 2 1 ，为高强度铝合金的广泛应用奠定了 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 良好的理论和实践基础。 人们对铸造铝合金固溶与时效强化过程及其机理的了解大多来源于对变形 铝合金热处理强化过程的认测 。引。但是，由于铸造合金与变形铝合金无论在化 学成分、熔炼工艺，还是在相变过程上均存在巨大的差异，因此，对铸造铝合金 热处理工艺过程及理论进行深入研究，通过优化热处理工艺参数来获得具有良好 综合性能和低廉成本的高强度铝合金铸件，具有重要的理论意义和重大的应用价 值。 图1 1 车重与燃油经济之间的关系 f i g 1 1r e l a t i o n s h i p b e t w e e 1 1 c a r w e i g h t a n d f u e lc o n s u m p t i o n 1 1 2 铸造铝硅合金的趋势 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，但其研究与应用也面临着严峻的挑 战。随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性能要求越来越高，对合金综 合性能和特种性能的要求不断提高。目前，铸造铝合金因强韧性稍逊使其应用范 围受到较大限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变 形铝合金，而不是铸造铝合金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了 缺陷，细化了晶粒，提高了致密性，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好 的使用性能。但是，对设备和工装模具要求高，工序多，因此变形铝合金生产周 期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有价格低廉、组织各向同性、 易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点，因此， 使传统的铸造铝合金在新世纪保持发展势头，开发研制新合金满足各种需要，替 代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金材料及其铸造成型工艺可以达到以铸代 锻、缩短铸造周期、降低制造成本的目的，是铝合金未来的发展方向【l 蛇。铝合 2 n 向 秘 ” 五-葛_dx、时誉t每鼍茛 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 金中，a 1 一c u 系合金强度高、塑性和韧性较好，但铸造性能较差，具体表现为热 裂倾向大、流动性较差、补缩困难。此外，该系合金抗腐蚀性能较差，有晶问腐 蚀倾向。a i m g 合金虽然具有高的强度、好的延性和韧性，抗蚀稳定性和切削加 工性能都好，但它的主要缺点是有裂纹倾向、易出现氧化夹杂、有自然时效倾向。 a l s i 系合金的流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造性能、 抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造合金，已成为制造业中最受 重视的结构材料之一。但目前铸造舢s i 合金的力学性能不尽如人意，强度和硬 度一般，韧性较低。然而，随着近年来汽车、航空工业的迅猛发展，为适应人类 社会对节约能源和环境保护的要求，工业界追求高比强度材料的欲望越来越强 烈，在这样一个社会经济背景下，人们对铸造铝合金性能的要求也越来越高，希 望进一步提高合金的各项性能指标，充分发挥材料的潜能，从而适应高科技的迅 猛发展 2 2 - 2 4 1 。 1 2 铸造铝合金的热处理概况 合金的性能决定于合金中a 固溶体的性能、晶粒大小、亚结构( 如镶嵌块) 及第二相的性能、数量、大小、形状和分布等。在a 1 s i 合金中常加的合金元素 有c u 、m g , 、m n 等，它们对a 1 s i 合金的强化作用主要是通过固溶强化、沉淀强 化( 即时效强化) 、过剩相强化及晶界强化等作用来实现。 由于大多数铸造铝合金中含有脆性的共晶体，并且其固溶体晶粒和第二相 亦较粗大，因而在铸造状态下合金的强度和韧性均较低。为了有效地控制铸件的 组织形态，改善其力学性能，应采取适当的热处理工艺，热处理工艺具有以下特 点【2 5 】： 。 ( 1 ) 合金的固溶处理温度一般偏低。因为多元铸造合金成分偏析较大，又 因铸件厚薄不同处的冷却速率不一样，故组织不均匀，易出现低熔点共晶，因此 加热温度受到限制，不能象变形铝合金那样控制在得到最大饱和度时狭窄的高温 范围。 ( 2 ) 保温时间较长。为了保证粗大组成物的充分溶解，并使偏析得以消除， 合金的加热保温时间一般在数小时以上，甚至数十小时。 ( 3 ) 铸件的形状比较复杂，且壁厚不均，为了减少淬火时的应力和变形， 3 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 必须在热水( 6 0 c 1 0 0 。c ) 中冷却。 ( 4 ) 一般铸造铝合金的自然时效效果较弱，如欲使其得到充分强化，必须 采用人工时效。 1 2 1 固溶处理 将合金加热至固相线附近，适当保温，使强化相溶入a ( a 1 ) 中，然后淬入冷 却介质中获得过饱和的n ( a 1 ) 固溶体，提高合金的强度和塑性，这种处理称为固 溶处理。铝合金的固溶处理主要有三个目的i 矧： ( 1 ) 析出相的重新溶解，形成过饱和固溶体，为合金的时效处理做准备； ( 2 ) 合金元素在晶内和晶间的均匀化； ( 3 ) 共晶硅相的粒状化。 为了获得最大的过饱和固溶度，通常将固溶温度尽可能升到共晶温度附近， 但不能发生过烧。 1 硅相形貌的变化 铝硅合金的力学性能主要是由其微观组织决定的，尤其是初生a ( a 1 ) 和共晶 硅的形貌与大小，合金中的共晶s i 和杂质相( 如富铁相等) 均属于过剩第二相，由 于它们的尺寸较大，且很分散，对合金的强化作用较弱，但它们的存在可能会对 合金的塑性产生显著影响，当其尺寸较大，且形状不均匀时，则在受力过程中， 易于产生应力集中，引起自身破碎，而形成裂纹，并加速裂纹的扩展，从而降低 合金的塑性。如果第二相以细小的粒状或球状均匀地分布在基体中，合金的力学 性能将更优越。通常采用变质处理可以使共晶s i 细化，使其由板片状转变成珊瑚 状，但迄今为止人们没有发现变质方法能使共晶s i 直接变成粒状或球状。因此长 期以来人们一直在努力寻找获得粒状或球状第二相的方法，早期的试验中就已发 现热处理可以使共晶s i 粒状化 2 7 - 2 9 。无论变质与否，硅相颗粒在固溶处理时均会 经历钝化熔断、粒状化和粗化的过程，如当固溶处理时间过长或温度过高时，则 硅相可能出现明显的粗化现象。并且，经变质处理的合金比未经变质的合金粒状 化过程明显要快。 合金在固溶温度保温一段时间后共晶s i 就发生扩散熔断和钝化，这一阶段的 主要特征是硅相在分叉处及本身存在“瓶颈”的特定部位发生缩颈、熔断，板片 4 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 状共晶s i 的尖端和边缘发生内缩，倾向于变圆变钝。这是由于板片状共晶s i 的尖 端和边缘曲率大，位能高，s i 原子溶解和迁移的驱动力较大。板片状共晶s i 钝化 后合金力学性能有明显提高。m e y e r s 2 8 】认为在固溶处理时平衡第二相的溶解可以 看成是受扩散控制的反向生长过程。在一维的情况下，熔断和长大的动力学是由 t ”2 决定的。早期研究中把这一思想应用到了对a i c u 合金a 相的溶解研究中，通 过质量守衡和流量平衡原则分析了溶解动力学，固溶处理时收缩第二相的半径r 与时间t 的关系可以表达如下： r o r = 七瓦( 1 1 ) r o ：初始时刻的第二相的尺寸；r ：任意t 时的第二相尺寸；d ：互扩散系数；k ： 过饱和常数 共晶s i 相粒状化阶段的主要特征是，共晶s i 在已粒状化的基础上其圆整度进 一步提高，逐渐向球形或类球形转化，共晶s i 颗粒也不断从q 树枝晶晶界向晶内 部迁移，分布更趋均匀。冶金物理学认为1 3 0 共晶合金结晶时，由于结晶前沿物质 场和热场的不稳定性以及在晶体内部不可避免地存在一些不同的缺陷，必然导致 共晶第二相能态的不均匀性，造成基体中溶质原子的不均匀和溶质原子从高能态 处向低能态处的转移，结果是具有高能态的第二相逐渐溶解，通过原子扩散并在 低能态处第二相上不断析出，最后导致粒状第二相的形成，共晶s i 在热处理高温 条件下的粒化就是遵循这一规律的。经过这一阶段的热处理，合金的强度可进一 步提高。共晶的粒状化阶段是s i 相在整个热处理过程形貌变化的主要阶段，细小 的颗粒状s i ，不但减小了对合金基体的削弱作用，而且对基体有弥散强化效果， 所以，合金的抗拉强度不但可以进一步提高，而且对合金的塑性也有较大的影响。 固溶处理后期，共晶s i 颗粒不断长大变粗，与第二相的反向生长和长大相似， 第二相的粗化过程也是一个受扩散控制的动力学过程。m e y e r s 认为第二相的长大 粗化过程有两种机制，一种机制是o s t w a l d 熟化模型，原子从尺寸较小的第二相 表面脱离，通过基体的扩散附着在尺寸较大的第二相表面，这样最终熟化的结果 是尺寸较小的相溶解消失，而尺寸较大的相长大粗化。其结果是基体中第二相的 平均尺寸变大、分布密度减小。当弥散结构本身就不稳定时，粗化就有可能是由 第二种聚结机制引起。首先不稳定结构的表面之间建立联系，随后合并成一个大 5 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 的第二相结构。这两种机制都是受表面能的驱动。目前，国际上比较流行的粗化 模型按照l s w ( “f i s h i t z s l y o z o v ，w a g n e r ) ) 1 2 8 1 ， n 露：譬f ( i - 2 ) ” 9 月。r y ：界面能；v ：粗化相的摩尔体积；t ： 固溶处理温度；：气体常数，c o ： 粗化相的平衡摩尔浓度，d ：扩散系数，r 0 、r 分别为初始时刻和末时刻第二相 尺寸。 在第二相的粗化阶段，合金的强度和塑性基本不发生变化，保持在一个较 高的水平上。产生这种现象的原因，可以认为是由于共晶s i 颗粒在基体中产生的 正负影响相互抵消的结果。微粒弥散度越大，数量越多，微粒间距越小，对合金 的强化效果越大。在合金的固溶处理后期，由于共晶硅相颗粒不断长大，必然导 致颗粒间距增大，共晶硅相颗粒对合金弥散强化效果下降，尽管共晶硅相形状和 分布有所改善，但合金的力学性能仍保持不变。继续增加保温时间，由于第二相 过于粗大，合金的性能将出现下降的趋势。 2 析出相的溶解和固溶强化 在高强度铸造a l s i c u m g 合金中，m g l ：j s i 形成m 9 2 s i ，其在q 固溶体中的 溶解度在5 9 5 ( 2 时为1 8 5 ，且随温度的降低而减小，即使在铸造过程中由于非平 衡凝固形成的m 9 2 s i 相，在固溶过程中，在合适的温度下都重新溶解到n 固溶体 中。c u 在n ( a 1 ) 中的最大溶解度为5 7 ，也随温度的降低而减小。c u 与a l 形成 a 1 2 c u 相，在s i 合金中a i z c u 相在热处理固溶阶段能全部溶解于a 固溶体中。 固溶温度高时原子易于扩散，不溶相在基体中也会发生钝化从而降低合金 中的应力集中，使合金的力学性能在固溶处理后得到改善。固溶处理过程也可使 组织均匀化，减小在凝固过程中形成的溶质元素偏析，这一均匀化过程所需的时 间长短取决于固溶处理温度和枝晶问距的大小。组织的均匀化也为时效处理时弥 散强化相的析出创造了一个良好的形成条件。固溶处理后固溶体过饱和程度提 高、组织均匀程度大大提高，为加速扩散创造了有利条件，也为时效时的重新沉 淀析出提供了驱动力，使得受溶质原子扩散控制的时效过程得以加快进行1 3 1 钏， 由于弥散相的组织形态、数量和分布很大程度上影响着弥散强化型合金的力学性 能，因此，热处理的第一阶段( 固溶处理) 被看成是决定时效后弥散强化相显微组 6 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 织和最终合金的力学性能的关键阶段3 5 瑚】。那些溶入铝合金基体形成过饱和固溶 体的溶质原子对合金产生一定的固溶强化效应。溶质原子与溶剂原子的尺寸差别 越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果也越好。早期的固溶强化理论主要考 虑到溶质原子对位错的钉扎作用。溶质原子在位错线周围富集时，对其运动起阻 碍作用；溶质原子在层错处富集也会引起固溶强化。现代固溶强化理论则充分考 虑随机分布的溶质原子与运动位错的相互作用。 3 固溶处理工艺 固溶处理时间和温度对合金的力学性能影响很大，固溶处理温度过高会使 铸件产生过烧，固溶时间过长并不能使硅相颗粒的球度进一步得到改善，反而可 能使硅相过分粗大。而固溶温度过低，固溶时间过短则固溶不充分。因此固溶处 理阶段，选择合适的温度和时间是十分重要的【3 9 - s o 。 固溶温度是固溶处理的关键因素，a 1 2 c u 溶解缓慢，保温时间不够时不能使 其充分固溶于基体，达不到强化效果。为了加速a 1 2 c u 的溶解而提高固溶温度时， 则容易造成严重过烧。而m 9 2 s i 只有在较高温度下，才能迅速溶解。综合考虑各 因素，李德成等f 4 l 】对z l l 0 7 a 合金的固溶处理采用分级加热制度，用该工艺进行 固溶处理时，硅相刚好完全球化，尚未长大粗化，而a 1 2 c u 这一主要强化相则基 本上全部溶入基体，得到了较好的固溶组织。在固溶处理时，很小的温度间隔也 会导致材料性能出现显著差异，其根本原因是由于共晶硅相粒状化过程中较大的 表面激活能驱动所致【4 2 - 4 3 ，所以在固溶处理时准确控温是十分必要的。 1 2 2 时效处理 经淬火后得到的过饱和o ( a d 固溶体是不稳定组织，在室温下放置或在一定 温度下保温，都会使不稳定的过饱和a ( a 1 ) 固溶体的结构发生变化，并伴有强度 和硬度的升高，这种处理称为时效。在室温条件下进行的时效称为自然时效，在 加热情况下进行的时效称为人工时效。 使金属材料强化的方法之一是在其中引入质硬、细小而呈弥散分布的颗粒。 一般通过选择合适的添加元素和适当的热处理工艺，使第二相从它所溶解的基体 中沉淀出来，从而得到弥散的颗粒。时效强化是铝硅类合金的主要强化手段，时 效强化后合金的力学性能取决于合金的微观组织，即晶界和晶内的精细结构，包 7 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 括晶粒大小、晶界的性质和晶内质点的大小、分布和弥散程度、质点与基体是否 共格等。 时效强化合金的晶界包括：含有沉淀相或杂质质点的晶界，含有无沉淀带 的晶界和含有粗大沉淀相质点又含有无沉淀带的晶界等。晶内质点包括：过渡沉 淀相、稳定沉淀相、不溶解质点及某些缺陷( 空位、位错) 等。 1 时效强化过程 时效强化是一个很复杂的过程，它开始于过饱和固溶体的分解，铸造合金 的时效过程则更为复杂。为说明这一过程，以a i c u 合金的时效处理为例进行阐 述，其可分为四个过程m ： 预分解阶段：此过程中，合金性能的变化是由于溶质原子分布的不均匀 性引起的。这时只是在基体中过饱和的溶质原子沿着基体i 整j 1 0 0 l 晶面，部分聚 集为具有亚显微尺寸原子团聚区b p g p i 区，使基体晶格尺寸发生畸变，阻碍位错 运动，因而使合金的强度和硬度升高。g e l 区的结构与基体相同，与基体完全共 格。由于g e l 区与基体完全共格对应，晃面能和应变能都很小，因此，g p i 区可 在较小的过冷度下形成。 g p 1 1 区的形成：此过程中，c u 原子在g e l 区基础上继续富集，g e l 区不 断增大，并发生有序化，形成了g p i i 区，又称矿相，同时口相的 l o o l 晶面与a 相的 1 0 0 ) 晶面平行。p 。是具有正方晶格的中间过渡相，a = b = 4 0 4 a ，c = 7 6 8 a ， 仍与母相保持共格关系，但其产生的晶格畸变更大，因而产生更大的强化效果。 的形成：随着时效过程的进一步发展，c u 原子在g p i i 区进一步富集， 形成了0 相，其化学成分与a 1 2 c u 相当，具有正方晶格，a = b - - - 4 0 4 a ，e = 5 s o a ， 并且，相的 1 0 0 ) 晶面与a 相的 1 0 0 ) 晶面平行，与母相保持局部共格，合金的 强化效果开始下降。 时效后期，合金进入过时效阶段：过渡相0 和母相q 的共格关系被破坏， 从母相脱溶，形成稳定的p 相( a 1 2 0 1 ) 和平衡的a 固溶体，a m - b = 6 0 7a ，c - - - 4 8 7a 。 0 相与母相为非共格关系，弹性畸变消失。 a i - c u 合金时效强化相的沉淀析出序列为：g p i 一矿一矿一口，各相与固溶 体界面关系序列为：共格一半共格一非共格。矿、口相的晶体结构及形貌 见图1 - 2 。图1 3 说明了a 1 - 4 c u 合金的组织与硬度曲线之间的变化关系，不同阶 8 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 段相互之间略有重叠。早期所产生的硬化，乃是由于形成了g e l 区，当0 相生成 时，则会变得更加硬化。峰值与矿与口同时存在时的组织相对应，其后，硬度 随着护相的粗化和曰相的形成而逐渐降低。 兰虱。， ( 1 0 o ) 各边均共格 酱l u j u , *- _ - _ _ 。- _ _ _ _ - r n 6 0 ) t 0 0 1 ) 共格或半舞播 ：勰j 垂共格 ( l 厶) ，则通过f 检验，有9 5 的把握判断因素 a 对试验结果的影响是显著的，但是还没有9 9 的把握说因素a 是显著的，即 显著性水平达到了5 或者说0 0 5 而没有达到显著性水平l 或者0 0 1 。 在因素和误差的的方差分析过程中，若某一因素c 和误差的平均变动满足 c2 v ，则判断因素c 、d 的变动中因素水平改变的影响很小，它的变动实际 上主要是误差的扰动，可以在f 检验以前就可以判断因素c 、d 的影响是不显著 的，因此通常将c 、d 的变动s c 、s d 与s 氍合并在一起作为误差的变动，同时， 将c 、d 的自由度尼、厶与厶合并在一起作为误差的自由度，以此对误差进行 修正，计算公式为( 2 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 。 s 囊= j c + - , i - s t ( 2 - 1 2 ) 2 i 郑州大学硕士学位论文 第二章合金材料的制备和试验方法 露= 厶+ 厶+ 厶 ( 2 一1 3 ) “”表示对误差变动及误差自由度修正后的结果 2 2 试验材料的制备与组织观察 2 2 1 试验材料的制备 制备试验材料的原料为：电解法生产的不同t i 含量低钛铝基合金细晶铝锭 ( 郑州大学和河南登封铝业公司共同研制) 、工业纯铝锭、结晶硅、镁锭、 a i 5 0 c u 、a i 1 0 m n 及a 1 1 0 s r 中间合金锭等。 1 正交试验所采用合金的制备 共晶铝硅活塞合金均采用7 5 k w 电阻炉和1 2 。石墨坩埚进行熔炼，每炉熔炼 3 s k g ，浇注金属型力学性能拉伸试棒2 模。熔炼前，所有炉料和模具都将预热 至2 0 0 ，石墨坩埚加热至暗红，将结晶硅、a