（材料学专业论文）新型6xxx系铝合金热变形行为与腐蚀性能研究.pdf

2 0 1 0 屑硕十学位论文摘要 摘要 国内绝大多数中小型企业的铝合金挤压生产线都是生产建筑材， 不配备水淬装置，很难生产工业型材。但随着建筑型材市场竞争日益 加剧，许多企业都迫切需要一种新合金，能够不经水淬便能满足工业 型材市场的要求，从而提高企业的竞争力。本实验设计了3 种添加微 量元素的a 1 m g s i c u 合金，并与6 0 6 1 和6 0 8 2 合金作对比。对比5 种合金的淬火敏感性和停放效应以及综合力学性能，优化出一种综合 性能较好的新型a 1 m g s i c u 系合金。采用热模拟研究这种新型 a i m g s i c u 合金的高温流变行为，重新制定了低温挤压工艺和在线 热处理制度；利用电子万能实验机、光学显微镜、扫描电镜对合金的 力学性能、组织特征进行了分析；通过电解腐蚀、盐雾腐蚀实验，研 究铜含量以及应力损伤对腐蚀性能的影响，并研究了合金镀膜后的抗 酸和抗碱性腐蚀性能。主要研究结果如下： ( 1 ) 实验室优化后的合金成分为a 1 0 4 m g 0 4 5 s i 一0 6 8 c u ，其抗 拉强度达到3 3 1 m p a ，屈服强度达到2 4 3 m p a ，伸长率为1 7 1 。 ( 2 ) 合金实验室最佳热处理制度为：均匀化温度5 6 0 ，保温 1 2 h ；固溶温度5 2 0 ，保温2 h 后水淬；时效温度1 6 5 ，保温7 5 h 。 ( 3 ) 中试试验结果表明，铸锭加热到4 6 0 挤压后在线风淬， 停放3 小时，经2 0 0 x 3 h 人工时效，抗拉强度达到3 0 9 m p a ，屈服 强度达到2 5 8 m p a 。 ( 4 ) 热模拟结果表明该合金为正应变速率敏感材料，变形激活 能为1 9 0k j m o l 。 ( 5 ) 该合金对淬火方式和停放时间不敏感。 ( 6 ) 合金盐雾腐蚀7 2 h 后出现不均匀腐蚀，应力损伤前后腐蚀 速度变化较小，镀膜之后抗酸性腐蚀能力较强，抗碱性腐蚀能力较弱。 关键词：a i m g s i c u 合金；流变应力；显微组织；淬火敏感性；腐 蚀性能 2 0 1 0 届硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e x t r u d e ri ns m a l la n dm i d d l ee n t e r p r i s ew e r ed e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h e p r o d u c t i o n o fa r c h i t e c t u r a l p r o f i l e s w i t hn o w a t e 卜q u e n c h i n g ，w h i c hp r o d u c t6 0 6 3a l u m i n u ma l l o yp r o f i l eo n l y w h i l e w i t ht h eg r o w i n gc o n s t r u c t i o no fm a r k e tc o m p e t i t i o n ，f o rr e d u c i n gt h e c o s to fe n t e r p r i s e - r i c hp r o d u c tl i n e ，m a n yc o m p a n i e su r g e n t l yn e e dan e w a l l o yw h i c hc a nb eu s e dw i t hn ow a t e 卜q u e n c h i n g s ow ed e s i g n e dt h r e e k i n d so fa 1 - m g s ia l l o yw i t ht h ea c c e s s i o no fm i c r o e l e m e n to r i g i n a l l y c o m p a r e dw i t ht y p i c a l6 0 6 3a n d6 0 8 2a l l o y t h e nw eo p t i m i z e dt h eb e s t o n eb yc o m p a r i n gt h eq u e n c hs e n s i t i v i t y , p a r k i n ge f f e c ta n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea l l o y s a n dt h e nw ea n a l y s e dt h ef u n c t i o no fa l l o y e l e m e n t sa n dt h ee f f e c to fd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n tc r a f l w o r ko nt h ea l l o y m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eb yo m ，s e m ，a n de l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n e s t u d yt h ec o r r o s i o nm e c h a n i s ma n dc o r r o s i o nr a t eo nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n tb ye l e c t r o l y t i cc o r r o s i o na n ds a l ts p r a yc o r r o s i o n t h r o u g h t h es i r i e so fi n v e s t i g a t i o n ，w ed r e wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： ( 1 ) t h eo p t i m i z e da l l o ya i - 0 4 m g - 0 4 5 s i 一0 6 8 c uh a st h em a x i m a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ：g be q u a l3 3lm p a ，i f 0 2e q u a l2 4 3m p aa n d6e q u a l 1 7 1 ( 2 ) t h eb e s th e a tt r e a t m e n ts y s t e mo fa l l o yi nl a bw a s ：f i r s t l y , t oh o l d t e m p e r a t u r ea t56 0 f o r12h o u r sa sh o m o g e n i z a t i o n ；a f t e rt h a tt r e a t s o l i ds o l u t i o na ta b o u t5 2 0 f o r2h o u r s ，w a t e r - q u e n c h e d ；t h e na g i n g w i t h1 6 5 f o r7 5h o u r s ( 3 ) d u r i n gt h et e s ti ni n d u s t r y ：q u e n c h i n gw i t hs t r o n gw i n d ，3 h d e l a y a g i n ga t2 0 0 f o r3h o u r s ，a l l o yh a das t r e n g t ho f o be q u a l i n g3 0 9 m p a ， o o 2e q u a l i n g2 5 8 m p a ，a d a p t e dt ot h ei n d u s t r yp r o f i l e ( 4 ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o ws t r e s so fa 1 一m g s i - c ua l l o yi s s e n s i t i v et ot h es t r a i nr a t ea n dd e f o r m i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h eh o t d e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g y18 9 8 2 0k j t o o l ( 5 ) a l l o yh a sl o wq u e n c hs e n s i t i v i t ya n dp a r k i n ge f f e c t ( 6 ) a f t e rs a l ts p r a y c o r r o s i o nf o r7 2 h ，a l l o ya p p e a r su n e v e n c o r r o s i o n a f t e rs t r e s si n j u r i e s ，t h ec o r r o s i o nr a t eo ft h ea l l o yc h a n g e s t i 2 0 1 0 届硕十学位论文a b s t r a ( 玎 s m a l l e r a l l o yh a sah i g ha c i dr e s i s t a n c eo fc o r r o s i o na n dal o wa l k a l i n e c o r r o s i o na f t e rc o a t in g k e yw o r d s ：a 1 - m g - s i - c ua l l o y ；f l o ws t r e s s ；m i c r o s t r u c t u r e ；q u e n c h s e n s i t i v i t y ；c o r r o s i o nr e s i s t a n c e 1 1 i 2 0 1 0 届硕十学何论文 第一章文献综述 第一章文献综述 挤压是最重要的压力加工方法之一，在产量和用途上，挤压材( 管、棒、型、 线) 一直是仅次于轧制材( 板、带、条、箔材) 的铝合金材料。但是在1 9 4 9 年 以前，我国的铝挤压行业完全是一片空白。直到1 9 5 6 年1 0 1 厂( 现东北轻合金 有限责任公司) 投产后，中国才有了自己独立的铝挤压工业，基本满足了当时国 防军工和国民经济对铝材的需求。1 9 7 8 1 9 9 9 年是中国铝加工工业的振兴和大发 展时期，尤其是铝挤压工业和建筑型材工业进入了一个高速大发展的阶段。然而， 进入2 1 世纪之后，随着我国工业的迅速发展，交通运输，航海航空，电子电器， 机械制造以及体育用品等工业应用铝型材的品种，数量与日俱增，工业用铝型材 的比例逐年攀升，许多铝挤压加工企业已不再是单一生产建筑用铝型材，而是逐 步扩大生产多种工业用铝型材，成为铝型材挤压市场的又一新气象。 1 1 工业用铝型材生产现状和发展趋势 1 1 1 工业型材的特点 一般来讲，工业铝型材是指除建筑门窗，幕墙，室内外装饰及建筑结构用铝 型材以外的所有铝型材。工业铝型材有部分是通用材，断面相对比较简单，如角 材、槽材、丁字型材等，但更多是专用材，不同行业有不同的用材，有些更是薄 壁，宽高比大，长度可达2 0 多米，不但对性能要求较高，而且对断面公差，平 直度等都有严格的要求。 工业用铝型材主要是6 x x x ，7 x x x 系合金，热处理态大多为t 5 和t 6 ，绝 大多数产品不需要表面处理，但对合金成分，尺寸密度，机械性能和表面质量等 都有严格的要求，属于挤压型材领域内高技术含量产品i ，对生产工艺和设备有 着较高的要求。因此，工业型材的生产技术也往往代表着一个国家的铝挤压生产 水平。 随着铝挤压材加工新技术的研发( 如难变形材料加工技术) ，新产品的开发， 工业铝挤压材的应用越来越广，如地铁及高速列车用大型铝合金型材，冷藏集装 箱用铝材，天然气管道，管母线，字母弹壳，鱼雷管用铝材，大直径薄壁管材， 带筋管材，耐海水腐蚀管材，灌溉铝管等高精度异型型材，特种管材等。在工业 用铝挤压型材中，型材占了很大比重，使用遍及各行各业。在工业发达国家中， 交通运输业用型材在工业挤压材种占有较大的比重，大型轨道车辆型材质量要求 高，生产难度大，更代表着挤压生产的先进技术水平。 2 0 1 0 届硕十学位论文第一章文献综述 1 1 2 国内外发展趋势 同本自2 0 世纪7 0 年代以来，就开始研究各种各样的挤压加工方法，如静水 挤压，连续挤压等技术早已进入实用阶段。目i j 在不断地开发研制出新的特殊挤 压技术，如连续挤压拉拔技术，可变断面挤压技术，新材料新功能挤压技术，弯 曲挤压技术以及精密挤压技术等。其挤压产品已大量应用到建筑，家电，汽车， 船舶以及高速列车等行业中。在挤压领域，美国从基础理论到生产实践都走在世 界前列。俄罗斯在铝合金型材挤压方面也占据十分重要的地位，前苏联自1 9 5 6 年即丌始了铝合会壁板的生产，我国有很多挤压技术现在还仍然沿用前苏联的技 术。英国，意大利，法国，挪威，瑞典，加拿大以及澳大利亚等国的铝合金型材 挤压技术也发展到了相当高的程度。 我国工业铝型材的开发比较晚，大多数企业都是在建筑铝型材的基础上进行 开发的，我国专门生产工业铝型材的企业并不多。建筑铝型材的合金为单一的 6 0 6 3 合金，而工业铝型材除了6 0 6 3 合金外，还有其他品种的合金，绝大部分合 金，特别是厚壁件一般需要水淬才能满足机械性能的要求，因此，不是所有的工 业铝型材都适合在建筑铝型材的机列上生产，这也限制了一些企业对工业铝型材 的丌发。我国大型，特大型挤压机列大都按照生产工业铝型材来设计的，但中小 挤压机适合生产工业铝型材的并不多，而且生产建筑铝型材的挤压机大多是 1 6 m n 以下的挤压机，2 0 , , - 4 0 m n 范围的挤压机占的比例很小。除了大型挤压机 外，其它挤压机的装备水平普遍落后，对生产高精度型材也是很不利的。工业铝 型材除了大规格型材外，更多的是中小规格型材，在工业型材中占有很大的比例， 品种规格多，批量小是其特点，而且有些行业的用材还未开发，这比大型材可能 更具有潜力。因此，我国铝型材挤压技术的研究开发方向【2 】如下： ( 1 ) 丌发新的铝合金材料和模具材料； ( 2 ) 加强型材产品设计，充分利用铝型材挤压的特点； ( 3 ) 进行先进制模技术和新的挤压技术的研究： ( 4 ) 改进现有模具结构，开发各种新的结构以及进行冷却系统和润滑系统 的研究，以提高模具的寿命和产品的质量； ( 5 ) 研究技术流动规律以及模具和挤压加工过程的温度场，速度场，应力 应变场及其变化规律；在计算机上用f e m 对挤压过程进行数值模拟，以指导设 计模具和制订工艺流程的工作。 2 2 0 1 0 届硕十学位论文第一章文献综述 1 26 x x x 挤压铝合金及其特性 1 2 1 常用挤压铝合金 挤压铝合金可按以下几个主要特征进行分类： ( 1 ) 按照抗拉强度的高低分为：低强度( o b 4 4 1 m p a ) 铝合金： ( 2 ) 按照热处理强化程度分为：热处理强化铝合会和热处理不强化铝合金； ( 3 ) 按照焊接性能分为：可焊铝合金，在熔化焊接时，能够保持或者仅稍 微改变其力学性能；不可焊铝合金，在熔化焊接时，合金的强度性能显著降低； ( 4 ) 按照抗腐蚀性能分为：高抗蚀性( 在大气条件下和在海水中抗一般腐 蚀性能和抗应力腐蚀性能高) ，中等抗蚀性和低抗蚀性铝合金。 上述分类方法在很大程度上时有条件的，因为某些合金根据变形条件和热处 理制度不同可以划分为不同类型。例如，一次挤压2 a 1 2 合金半成品，淬火和自 然时效后要保持未再结晶组织，其强度大于4 4 1 m p a ，属于高强度铝合金。但是 经过二次挤压或用轧制方法生产2 a 1 2 合金则具有完全的或者部分的再结晶组 织，其抗拉强度低于4 4 1 m p a ，属于中等强度合金。在淬火和人工时效状态下的 6 a 0 2 合金半成品，其抗拉强度高于2 9 4 m p a ，属于中等强度合金；而在淬火和自 然时效状态下，其抗拉强度低于2 9 4m p a ，属于低强度合金。 低强度铝合金( 工业纯铝，3 a 2 l ，5 0 0 5 ，5 a 0 2 ，5 a 0 3 ，5 0 8 6 ) 热处理后不 强化，其半成品在退后状态下合冷作硬化后可强化。某些铝镁硅合金，例如6 0 6 3 和6 0 6 1 属于低强度合金。但是这些热处理后可以强化，其型材在淬火和人工时 效是火自然时效后使用。这类合会具有良好的可焊性和高的抗蚀性。上述合金在 冷作硬化状态下进行熔焊是，寒风和靠近焊缝区的强度明显降低。因此，对于制 造等强度的结构来说，焊接区的壁板部分应该加厚。 中等强度的合金可以分为两组：热处理不强化铝合金5 a 0 5 ，5 a 0 6 ，5 8 0 6 和热处理强化铝合金6 a 0 2 ，2 a il ，2 a 7 0 ，2 a 0 6 等。第一组合金的半成品只是 在退火状态下使用，具有良好的可焊性和高抗蚀性。第二组合金的半成品在淬火 和自然时效或者人工时效后使用。该组合金抗蚀性和可焊性不同，2 a 0 2 合金属 于高抗蚀性和可焊性合金，而2 a 1l 合金的抗蚀性和可焊性则低。 高强度铝合金7 a 0 4 和2 a 1 2 在热处理时可急剧强化。7 a 0 4 合金的半成品在 淬火和人工时效后使用，而2 a 1 2 合会半成品通常在淬火和自然时效后使用。这 类合金的抗蚀性不高，必须采用专门的保护方法( 包铝，阳极氧化，涂油漆层) 。 7 a 0 4 合金的一般抗蚀性比2 a 1 2 合金略高一些。但是2 a 1 2 合金具有很高的塑性 3 2 0 1 0 届硕十学位论文第一章文献综述 和热强性。 当焊接热处理强化铝合金时，其焊缝和靠近缝区的强度大大降低，其抗蚀性 下降。所以这些合金属于不可焊的。这类合金的结构装置采用铆接，而很少采用 螺栓连接。 1 2 26 x x x 系典型挤压铝合金 6 x x x 系( a i m g - s i ) 合金是最重要的挤压铝合会，目f j 全世界有7 0 以 上的铝挤压加工材是用6 x x x 系合会生产的，其成分范围：( o 3 1 3 ) s i ， ( o 3 5 1 4 ) m g 。在此极限范围内，各国研制丌发了几百种不同成分的合金。美 国a a 标准合金表中列有4 6 种不同成分的6 x x x 系合会，而在1 9 8 0 年l o 月出 版的国际合金成分手册中列出了2 5 2 种不同成分的6 x x x 系合会。经过几十年 的实践应用和筛选，证明6 0 6 3 ，6 0 8 2 ，6 0 6 1 ，6 0 0 5 等4 种合金及其变种已经占 据了6 x x x 系合金的统治地位( 8 0 以上) ，他们涵盖了抗拉强度( o b ) 从 1 8 0 - 3 6 0 m p a 整个范围内的所有合金。 ( 1 ) 6 0 6 3 型合金 6 0 6 3 型合金( 含6 0 6 3 ，6 0 6 3 a ，6 4 6 3 ，6 4 6 3 a ，6 7 6 3 ，6 9 6 3 等) 是当今世 界最典型的应用最广泛的挤压铝合金，其全球产量仅次于3 0 0 4 h 1 9 合金罐料带 材。2 0 0 2 年世界产量达4 1 0 万t ，而中国的产量约为1 0 0 万t ，主要为建筑型材。 这类合金的成分见表1 1 。 表1 16 0 6 3 型铝合金的化学成分 4 2 0 1 0 届硕十学位论文 第一章文献综述 6 0 6 3 合金是a i m g s i 系合金中典型代表，具有特别优良的可挤压性和可焊 接性，是建筑门窗型材的首选材料。它的特点是在压力加工的温度速度条件下， 塑性性能和抗蚀性高：没有应力腐蚀倾向；在焊接时，其抗蚀性其实不降低。 6 0 6 3 合会在热处理是剧烈强化，合金中的主要强化相是m 9 2 s i 和a 1 s i f e 。 如果6 0 6 3 合金挤压型材在退火状态下的抗拉强度为9 8 - 117 6 m p a ，那么在淬火 和自然时效后可提高到1 7 6 4 - - , 1 9 6 m p a ，此时相对仲长率下降不大( 2 3 。2 5 下降 到1 5 2 0 ) 。合金在1 6 0 1 7 0 下，经过人工时效可以得到更大的强度效果，此 时，抗拉强可提高到2 6 9 5 2 8 5 2 m p a 。但是，在人工时效时，塑性性能剧烈下 降( 6 = 1 0 , - , 1 2 ) 。淬火与人工时效之间的间隔时问对6 0 6 3 合金( 在人工时效时) 的强化程度有显著的影响，随着间隔时间由1 5 m i n 增加到4 h ，抗拉强度和屈服 强度降低2 9 4 3 9 2 m p a 。人工时效时的保温时间对6 0 6 3 合金半成品的力学性能 没有重大影响。 ( 2 ) 6 a 0 2 合金 普通的6 a 0 2 合金( 不限制铜含量) 属于a i m g - s i c u 系合金。它在压力加 工的温度一速度条件下，以及在室温下具有很高的塑性性能。 生产6 a 0 2 合金挤压半成品时，虽然其锰含量比较少，但在热处理时却能保 持着未再结晶的组织，因此，可以显著提高强度性能。和6 0 6 3 合金一样，6 a 0 2 合金在热处理时急剧强化，其主要强化相为m 9 2 s i 和w ( a i 。m g s s i 4 c u ) 。 淬火后用自然时效的方法可以提高抗拉强度，该性能与退火状态下的相比 提高一倍，而淬火后再人工时效的大约可提高两倍。但是，在人工时效时塑性性 能却明显下降( 相对伸长率大约降低1 2 ，而相对压缩率降低2 3 以上) 。6 a 0 2 合会的典型力学性能如表1 3 所示。 表1 2 在不同状态下6 a 0 2 合金的力学性能 6 a 0 2 合金在人工时效状态下的抗蚀性明显下降，并出现晶间腐蚀倾向。6 a 0 2 合金中的铜含量越高，则抗蚀性下降越多。通常把合金中的铜含量控制在o 1 以下。6 a 0 2 合金可以点焊，滚焊和氩弧焊。焊接接头的强度为集体金属强度的 6 0 - , 7 0 。焊接后淬火和实效可使焊接接头的强度达到基体金属强度的9 0 - - , 9 5 。 5 2 0 1 0 俑硕士学位论文 第一章文献综述 1 36 x x x 系铝合金型材的技术基础 1 3 1m 9 2 s i 相析出过程动力学研究 m g z s i 相是6 0 0 0 系合金中的主要强化相，它的大小和形状对性能的影响极大。 其一般过程为：a 过饱和固溶体一溶质原子丛聚区- - * g p 区( 球状) _ d ”相( 针状) _ p ，相( 棒状) _ b 相【】。时效初期m g 、s i 原子在铝基体的晶面上聚集，形成溶 质原子富集区即g p 区，与基体保持共格关系，边界上的原子为母相0 【和g p 区所 共有。为了同时适应两种不同原子排列形式，共格边界附近产生弹性应变，正是 这种晶格的严重畸变阻碍了位错运动，从而提高了合金的强度。随着时效时间的 延长，m g 、s i 原子进一步富集并趋向有序化，迅速长大成针状或棒状即为d ”相， 其c 轴方向的弹性共格结合引起的应变场最大，它的弹性应力也最高，当d ”相长 大到一定尺寸，它的应力场遍布整个基体，应变区几乎相连，此时合金的强度最 高；随着时效过程的进一步发展在矿相的基础上，m g 、s i 原子进一步富集形成 局部共格的d7 过渡相，其周围基体的弹性应变有所减轻，对位错运动的阻碍减少， 此时强度达到最大值，强度已有所下降。时效后期在p 相与基体界面上形成稳定 的d 相，失去了与基体之间的共格联系，完全从基体中脱离出来，共格应变消失， 强度下降。从上述脱溶过程来看，g p 区、p ”相和p 相都能有效地提高6 0 6 3 铝合会 的强度其中强化效果最好的为p ”相，其次为p 相【9 。| o 】。p a s h l e y 等人首先提出了溶 质原子丛聚区，并用来解释双级时效行为，接着d u t t a 和a l l e n 幂u 用d s c 证实时效 过程中形成了溶质原子丛聚区。最近e d w a r d s 等人找到了在7 0 。c 时效的过程中， s i 原子丛聚区、m g 溶质丛聚区、m g 原子和s i 原子丛聚区出现的直接证据。6 0 0 0 系合金中抗拉强度对b ”相与b ，相的比率非常敏感【_ 7 1 。许多科研人员对6 0 0 0 系合金 时效过程中析出的过渡相的结构和化学成分做了大量的研究，对g p 区的结构和 化学成分尚无统一的认识，e d w a r d s g a 认为g p 区、p ”相、p 相中m g 、s i 原子百 分比为l ：l 【8 】，而m a t s u d a 认为g p 区的m g 、s i 原子百分比为l ：l ，并且指出g e 区是 由多个平面组成，每个平面有一个原子层厚，宽2 5 n m ，长度在3 0 n m 之内，平面 内m g 、s i 原子相隔0 4 0 5 n m 并且交替排列。还有人专门研究了含过剩s i 的m 9 2 s i 相析出动力学p j 。 1 3 2 强化机制 增加铝合金对位错运动的抗力叫合金强化，铝合金的强化方法很多，一般分 为加工硬化和热处理强化两大类，其强化机制有以下几种： ( 1 ) 固溶强化 6 2 0 1 0 届硕十学位论文第一章文献综述 溶质原子溶入基体金属中总是提高其变形抗力，这种作用称为固溶强化。固 溶强化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦阻力。固溶强化 作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。固溶强 化不能获得特别高的强度。不过其带来的塑性损失比其他方法小。 ( 2 ) 第二相强化 铝合金中往往包含三类第二相：结晶时生成的尺寸为0 1 0 3 m 的结晶相 为第一类质点：在结晶终了温度和时效温度以上温度内产生的0 0 1 0 5 9 m 非共 格弥散质点为第二类质点；时效温度产生的0 0 0 1 o 1 “m 共格时效相为第三类质 点。这三类质点产生三种不同的强化机制，分别为： 异相强化 一类质点中难溶相产生的强化就称为异相强化。异相强化的第二类指点硬、 脆、较粗大，故合金塑性损失大。 弥散强化 非共格硬颗粒弥散物对铝合金的强化称为弥散强化。弥散质点引起的强化包 括两个方面：弥散质点阻碍位错运动的直接作用，弥散质点为不可变形质点，位 错运动受阻后，必须绕越通过质点，产生强化，弥散物越密集，强化效果越好； 弥散质点影响最终热处理时半成品的再结晶过程，部分或完全抑制再结晶，使强 度提高。 沉淀强化 从过饱和固溶体中析出稳定的第二相，形成溶质原子富集亚稳区的过渡相的 过程称为沉淀，凡是有固溶度变化的合金从单相区进入两相区时都会发生沉淀。 由沉淀或时效引起的强化叫沉淀强化或时效强化。铝合金时效析出的质点一般为 g p 区，共格或半共格过渡相，尺寸为0 0 0 1 0 1 m ，属第三类质点。沉淀 强化的质点在基体中均匀分布，使变形趋于均匀，因而时效强化引起塑性损失比 弥散强化和异相强化要小。 图1 1 为k e l l y n i c h o l s o n 对沉淀强化理论的表述。理论上，两曲线的交点 决定了可能达到的最高强度。在这个理论中，位错切割沉淀机制( s h e a r i n g ) 和 位错绕过沉淀机制( b y p a s s i n g ) 相竞争，消耗能量较少的机制开动。图l 一2 为 与时效相关的强度变化示意图【l o 】。 ( 3 ) 晶界强化 铝合金晶粒细化，晶界增多，由于晶界运动的阻力大于晶内相邻晶粒不同取 向使晶粒内滑移相互干涉而受阻，变形抗力增加，即合金强化。晶界自身强度取 决于合金元素在晶界处的存在形式和分布形态，化合物的优于单原子吸附的，化 合物为不连续、细小弥散点状时晶界强化效果最好。晶界强化对合金塑性损失较 7 2 0 1 0 届硕十学位论文 第一章文献综述 少，常温下强化效果好，但高温下不宜采用晶界强化，因高温下晶界滑移为重要 变形方式，使合会趋向沿晶界断裂。 图1 1 沉淀强化示意图 一二： 图1 2 铝合金综合强化示意图 ( 4 ) 复合强化 用高强度的粉、丝和片状材料采取压、焊、喷涂和溶浸等方法与铝基体复合， 使基体获得高的强度，称为复合强化。 1 3 3 合金元素对a i - m g - s i 系铝合金i l a 士g 6 月匕b 的影响 ( 1 ) 镁和硅 a i m g s i 系铝合金中m g 、s i 是主元素。在理想状念下，m g 与s i 按1 7 3 ： l 结合成m s i ，为了获得一定量的m 9 2 s i 强化相，应控制好合金中镁与硅的含 量。图1 5 斜线为生成m 9 2 s i 的镁与硅的理论百分含量，即m g s i = 1 7 3 ；斜线上 方区域即m g s i 1 7 3 ，相组成为m 9 2 s i + m g ，过剩镁使m 9 2 s i 在合金中的溶解性 显著降低，从而降低合金的强化效剁2 卜2 6 】；斜线下方区域即m g s i 要8 0 j 粤 巡6 0 鬻 4 0 2 0 o 2345 样撇 图3 12 - 5 号合金不同停放时间 2 号 3 号 图3 - 22 - 3 号合金不同淬火方式 。无廷迟 延迟3 h 口延迟5 h 水淬 j x l 淬 o 3 5 3 0 3 5 o 3 5 2 0 1 0 届硕十学位论文 第二章淬火敏感性和停放效应研究 从表3 2 及图3 1 中可以得知，2 号和3 号合金在5 2 0 无延迟，延迟3 h 以 及5 h 后时效得到的最佳硬度值相当，说明2 号和3 号合金对停放时间不敏感。 因为在实际生产中，由于矫直和搬运工序的存在，挤压出来的型材不能马上时效， 一般需要堆放3 5 h 后才能进行，而2 号和3 号合金的停放效应低于6 0 8 2 合金， 更有利于工厂生产。从图3 2 可以看出，风淬和水淬下合金硬度变化不大，说明 2 号和3 号合金具有较小的淬火敏感性，加上本身的合金绝对含量较低，而且镁 硅比皆为0 8 9 1 ，因此较低的固溶条件和较少的时效时问便能获得不错的力学性 能。特别是3 号合金，在1 8 5 时效3 h 后，其性能已经达到工业型材的要求， 而且对停放时i 日j 和淬火方式不敏感，具有很好的应用前景。 采用5 2 0 固溶，无停放，停放3 h ，停放5 h 后分别在1 6 5 和1 9 5 时效。 具体的力学性能如下表3 3 。 表3 3t 6 状态下2 到5 号合金不同热处理制度下的力学性能 2 号 3 号 4 号 1 6 5 1 9 5 1 6 5 1 9 5 1 6 5 1 9 5 3 0 8 6 0 3 0 2 2 8 3 0 i 9 6 3 l o 1 3 3 2 0 2 3 2 9 8 8 4 3 3 0 9 5 3 2 1 1 4 3 0 8 3 8 3 0 6 9 l 3 0 8 5 4 2 8 4 6 8 2 4 5 4 8 2 4 4 3 9 2 4 0 1 2 2 5 5 8 6 2 3 3 6 5 2 5 6 8 5 2 5 5 8 2 2 5 4 9 8 2 6 3 9 9 2 6 i 5 5 2 5 2 1 4 2 4 3 1 7 2 4 8 3 4 2 3 7 6 6 2 3 7 5 4 2 6 5 4 0 2 1 7 3 0 2 0 3 7 0 1 9 8 2 3 2 0 4 9 3 2 1 8 7 5 1 9 5 2 9 1 7 2 1 6 3 1 6 3 1 7 2 1 5 8 1 7 1 1 8 5 1 8 o 1 9 8 1 6 7 1 7 2 1 2 4 1 3 o 1 1 3 0 8 3 2 0 8 4 6 o 8 4 5 o 8 5 i o 8 1 7 o 8 4 3 o 7 3 5 0 7 7 3 0 7 7 0 0 7 7 4 0 8 6 0 0 7 6 3 0 8 3 0 o 8 l l 0 8 5 3 0 8 5 5 0 8 3 6 5 2 2 1i 6 31 6 4 2 31 2 20 7 7 6 -_-_-ll_-_-_-_-_l-i_i_l_lll-_l-_l_l_一l_i_l_-_- o m 4 5 2 ” 5 ：3 。 4 。 m m ” 3 3 o 3 5 o 3 5 o 3 5 o 3 5 o 3 5 o 3 2 0 1 0 屑硕十学位论文 第二章淬火敏感性和停放效戍研究 根据工厂中试以及实验室硬度结果，从中挑选合会最高硬度对应的工艺， 研究合会的力学性能。由于6 0 6 3 合会力学性能远低于其他它4 种合会，因此不 再进行比较，表3 4 及图3 5 为合令实验室力学性能。 表3 4t 6 态各合金的最佳力学性能 o b ，口鱼 o0 2 ，口t 图3 5t 6 态2 3 4 号合金最佳性能 圜 从表3 4 可以看出，与6 0 8 2 相比，2 号和3 号合金的延伸率提高了5 3 。一 般来说，合金的屈强比( 0 0 2 o 。) 越小其塑性越好。如高塑性退火铝合金， 6 = 15 3 5 ，0 0 2 o b = 0 3 8 0 4 5 ；人工时效铝合金6 5 ，c o 2 o b = o 7 7 0 9 6 1 4 2 】。从 表3 1 可以看出，与6 0 6 3 和6 0 8 2 合金相比，新合金各状态抗拉强度大幅度提高， 而屈服强度变化不明显，屈强比大大降低，因此新合金具有优于6 0 6 3 和6 0 8 2 合 金的塑性。新合金在成分上与6 0 6 3 比较，m 9 2 s i 绝对含量适当降低，时效强化 效果部分削弱，导致材料延伸率有所提高。另外，由于合金中加入了适量铜元素， 而c u 和a l 都是面心立方结构，c u 溶于a l 中后，增加了 1 11 ) 的结构组元， 使得位错滑移更为容易，提高了材料热塑性。 与其他4 种合金相比，由于3 号合金对停放时问和淬火方式不敏感，而且具 2 9 卯 0 3 3 2 2 l 射 2 0 1 0 屑硕十学位论文 第二章淬火敏感性和停放效应研究 有最佳的综合力学性能，较大程度上符合工厂的需求，因此后续的研究主要以3 号合金为主，研究其微观组织，热变形行为以及腐蚀性能。 4 ；：。一 3 3 合金微观组织分析 3 3 1 金相组织分析 3 号合金铸态组织均匀化前后如图3 - 6 所示 嚣獬：- l 图3 - 6 合金铸态组织 ( a ) 均匀化前( b ) 均匀化后 从图3 - 6 ( a ) 可以看出，3 号合金的铸态组织中，晶体内部存在着大量的树枝 状的枝晶，而且也存在着大量的粗大第二相；而在图b 中，晶界处的粗大第二相 析出已经明显减少，特别是晶体内部的树枝状偏析已基本消失。这主要是铸锭在 经均匀化退火后，发生了非平衡相的溶解及过剩相的聚集，球化等组织变化，消 除了化学成分的显微不均匀性的缘故。由此可见，铸锭均匀化可以很好改善挤压 性能。 3 3 2 断口扫描 将3 号合金拉伸试样进行断口扫描，观察其韧窝形貌和组织特征。新合金 t 6 状态下的断口形貌如图3 7 所示。对断口观察发现，其断裂类型均属于韧窝 微孔聚集型。在一些韧窝中可以看到夹杂物或第二相粒子。韧窝大小、深浅及 数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和 材料的热处理方式。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断口上形成 的韧窝尺寸较小也较浅。反之则韧窝较大而深。材料的塑性变形能力大，韧窝深 度大，反之韧窝深度小。从图中可以看出，合金t 6 状态下的断口韧窝大而且深， 并且单位面积上的大韧窝分布密集，可以说明合金在t 6 状态下具有较好的塑性。 2 0 l o 届硕十学位论文 第二章淬火敏感性和停放效戍研究 图3 7 新合金t 6 状态下的断口形貌 ( a ) 5 0 0 倍( b ) 1 0 0 0 0 倍 3 3 3t 5 态扫描电镜和能谱分析 采用扫描电镜和能谱仪，观察3 号合会经过在线挤压风淬后，时效2 0 0 。c x 3 h 之后的微观组织如图3 8 和图3 - 9 所示。 图3 - 8 较亮相能谱分析 3 i 2 0 1 0 届硕+ 学位论文第二章淬火敏感性和停放效应研究 叟垡l 竺兰一! 兰些4 冀! c l 一5 敝= 幻。泛“；=l 112蓦i6”，；i3；9，；2i，41 2 8 i i im 鲋 l1 5 g l s 1 k ”1 l n a c r l x e 1 e m e n t z “a i im g k 1 3 9 1 5 4 一 r 嗽 ：_ 2 9719tk13 3 12 8 j i 矗 + l 矗 f 0 敏 0 l a g i 。 i 图3 - 9 较暗相能谱分析 从图3 8 可以看出，3 号合金中比较明显的相有两种，一种是比较亮的相，一 种是和基体颜色比较接近的相，通过能谱分析可知： 较亮的相为合金中m n 元素形成的q a l l 5 ( f e m n ) 3 s i 2 粒状组织。在a l - m g - s i 系合金熔炼过程中，由于f e 元素不可避免的带入，合金中常存在针状pa 1 9 f e s i 相，而这些脆性相对合金性能有害，由于m n 元素的加入，这些针状组织转变成 a a l l5 ( f e m n ) 3 s i 2 粒状组织，也就是图3 8 中较亮的相，这些组织能够消除铁元素 对合金性能带来的不好的影响。 图3 - 9 中和基体颜色接近的相为m 9 2 s i ，在3 号合金时效热处理之后，m 9 2 s i 强化相弥散析出，从上图可以看出，大小为0 3 - 4 ) 5 1 , t m ，说明强化相足够细小， 从而使得3 号合金有较好的力学性能。 3 2 2 0 1 0 届硕十学位论文 第二章淬火敏感性和停放效应研究 3 4 本章小结 ( 1 ) 优化出的3 号合金淬火后停放5 h 之内硬度度基本保持不变，在线风淬 和水淬性能差别不大，说明3 号合金的淬火敏感性和停放效应较低。 ( 2 ) 优化出的3 号合金实验室最佳热处理制度5 2 0 。c 固溶，水淬无延迟1 6 5 时效7 5 h ，最佳力学性能：o b = 3 3im p a ，a 0 2 = 2 4 3 m p a ，6 ：l7 1 。不仅强度值 高于一般工业型材合金，而且塑性相比6 0 8 2 合金提高了5 0 以上。 ( 3 ) 3 号合金m g a s i 的绝对含量比较低，低温挤压之后在线风淬下即能达 到一般工业型材的要求；3 号合金t 5 态( 在线风淬后延迟3 h 后2 0 0 3 h 时效) 的强度o b = 3 0 9 m p a ，o o 2 = 2 5 8 m p a ，符合工业型材的要求。 ( 4 ) 3 号合金中脆性pa 1 9 f e s i 转化为伍a i l5 ( f e m n ) 3 s i 2 粒状组织，合金中出 现弥散细小的m 9 2 s i 强化相，大约为o 3 o 5 岬。 3 3 2 0 1 0 届硕十学位论文第四章合金高温变形行为研究 4 1 实验方法 第四章合金高温变形行为研究 实验选择3 号合金的铸锭组织，其化学成分( 质量分数，) 为：0 4 m g ，0 4 5 s i ， 0 7 c u ，0 2 m n ，0 1 c r ，0 3 z n ，0 0 2 t i ，余量a l 。铸锭经5 6 0 ，1 2 h 均匀化处理 后加工成0 1 0 m m x l 5 m m 的r a s t e g a e v l 圆柱体试样；为了保证润滑剂在变形过程中 不致流失，圆柱试样的两端车有o 2m m 的凹槽。在g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上进行 等温压缩实验，压缩时在圆柱试样两端的槽内填充7 5 石墨+ 2 0 机油+ 5 硝酸三 甲苯脂，以减小摩擦对应力状态的影响。试验温度分别为3 1 0 、3 6 0 、4 1 0 、4 6 0 和 5 1 0 ，应变速率为0 0 0 2 、0 0 1 、0 1 、1 ，总压缩真应变量为0 7 。利用试样自 身电阻进行加热，加热速度为l s 。用连接到试样表面上的热电偶测量试样的 温度，到实验温度后保温5m i n 再开始热压缩变形。变形后立即水淬，以保留热 变形组织。 4 2 结果与分析 4 2 1 热压缩变形的真应力一真应变曲线 a 1 0 4 m g 0 4 5 s i 0 7 c u 0 2 m n 0 3 z n 0 1 c r 的实测真应力真应变曲线如图4 1 所示。由图4 1 可见，在研究条件下，合金热压缩变形时均存在较明显的稳念流 变特征：即在一定的温度和应变速率下，当真应变超过一定值后，真应力。不随 真应变的增大而发生明显变化；当应变速率一定时，真应力随温度升高而降低； 当变形温度一定时，随着应变速率的增加，真应力水平升高；且随着应变速率的 增大和温度的降低，进入稳态流变阶段所对应的真应力值逐渐增大。不同温度和 不同应变速率条件下的峰值应力如表4 1 所示。 表4 1 不同变形条件下的峰值流变应力 露 厶 芝 2 乜 。 己 孟 荟 2 窟 己 ! ! ! ! 丛堡堂堡垒奎一一至塑堡生垒全壹塑垄翌丝塑 芷 乏 墨 2 当 三 董 量 莹 至 1 ，s