（材料加工工程专业论文）almgsi合金的形变热处理及热模拟研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 6 0 0 0 ( a 1 m g s i ) 系铝合金是一种适合于汽车应用的轻量化材料，己被广泛应 用于汽车工业，用于制造汽车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等。 6 0 8 2 铝合金属于a 1 一m g s i 系中等强度的变形铝合金，具有良好的耐蚀性和加工 性能，广泛应用于大型焊接结构件、航海用零件等，常借助于形变热处理进行 强化。再结晶退火可以消除冷加工的影响，在实际生产中起着重要作用。对6 0 8 2 铝合金的形变热处理及热变形方面的研究还比较少。本文通过组织观察、性能 测试，热模拟等手段，对冷变形后再结晶过程、合金高温形变热处理及合金热 压缩过程中的动态软化做了较为细致的研究。本文研究的主要结果如下： 对6 0 8 2 铝合金冷变形的研究结果表明：冷压缩变形后6 0 8 2 铝合金的组织 呈现很明显的组织不均匀性，心部变形量最大，组织呈现明显的条带状，接触 模具处变形量最小，仅略微变形。冷变形后进行再结晶退火处理，在压下量为 6 0 ，退火时间为1 h 时，温度越高再结晶越容易发生，当压下量为6 0 ，退火 温度相同时，时间越长越容易发生再结晶。 对6 0 8 2 铝合金高温形变热处理的研究结果表明：6 0 8 2 铝合金和工业纯铝 相比，在高温变形过程中很难发生动态再结晶，变形后组织仍呈现条带状。但 变形温度对组织的影响不大。热变形后组织也呈现一定的不均匀性，但和冷变 形的相比，其组织的不均匀性得到改善。高温形变热处理可以有效提高6 0 8 2 铝 合金的硬度，固溶+ 变形+ 时效的工艺由于保留了部分形变强化而使其性能要略 高于固溶+ 时效工艺。 对6 0 8 2 铝合金的高温压缩模拟研究结果表明：6 0 8 2 铝合金在3 0 0 一 5 5 0 、应变速率为0 0 0 6 s 一o 6 s 。1 下高温压缩变形，存在近似稳态变形特征。 该合金为正应变速率敏感材料，其高温压缩变形的流变应力随着变形温度的降 低和应变速率的升高而升高。并且高温变形过程中由于试样内部组织存在摩擦， 也会产生变形热，导致试样温度上升。且应变速率越大，变形量越大，温度上 升越明显。因此在锻造过程中要采用合理的锻造工艺，不可忽视变形热在锻造 过程中对零件的影响，以免产生过热及过烧现象，造成零件的报废。根据热模 v 上海大学硕士学位论文 拟过程的应力应变曲线，推导出6 0 8 2 铝合金稳态流变应力本构方程，为6 0 8 2 铝合金的挤压、轧制、扭转等热加工工艺的制定，性能的控制及设备的选取等 提供了理论依据和实验基础。 关键词：6 0 8 2 铝合金；形变热处理；热压缩；流变应力；动态软化 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t 6 0 0 0s e r i e sa 1a l l o yw a sl i g h t w e i g h tv e h i c l em a t e r i a la n dw i d e l yu s e d ，s u c ha s v e h i c l eb o d y ，c a r t w h e e l ，o i lt a n k ，a l u m i n u mp o t ，c o v e rp l a t e ，m o t o rc a s t i n g ，e t c a 1 a l l o y6 0 8 2w a sam e d i u mi n t e n s i t yi na 1 一m g - s iw r o u g h ta l u m i m u ma l l o y w i t h g o o dc o r r o s i o nr e s i s t i n ga n dp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s ，i tw a sw i d e l ya p p l i e di nw e l d e d s t r u c t u r e s ，m a r i n ep a r t s ，e r e a n ds t r e n g t h e n e db yt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t r e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n gp l a y e da ni m p o r t a n tp a r ti np r o d u c t i o nf o re r a s i n gt h e e f f e c to ft h ec o l dd e f o r m a t i o n t h ea la l l o y6 0 8 2w a sr a r e l ys t u d i e d i nt h i ss t u d y ， t h er e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sa f t e rc o l dd e f o r m a t i o n ，t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n ta n d d y n a m i cs o f t e n i n gw h i l e h o tc o m p r e s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e db ym i c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n ，p e r f o r m a n c et e s ta n d t h e r m a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h ec o l dd e f o r m a t i o ne x p e r i m e n t so fa 1a l l o y6 0 8 2s h o wt h a t ： t h em i c r o s t r u c t u r e sw a su n e v e na f t e rc o l dd e f o r m a t i o n i nt h ec e n t r a lo fs a m p l e s ， t h ed e f o r m a t i o nw e r el a r g e ra n de x h i b i t e db a n d i n gm o r p h o l o g y w h e nr e d u c t i o nw a s 6 0 a n dt h ea n n e a l i n gt i m ew a slh ，r e c r y s t a l l i z a t i o nh a p p e n e dm o r ee a s i e ra th i g h e r t e m p e r a t u r e w i t ht h es a m er e d u c t i o na n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，r e c r y s t a l l i z a t i o n h a p p e n e dm o r ee a s i e rw i t hl o n g e ra n n e a l i n gt i m e t h er e s u l t so ft h et h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n te x p e r i m e n t so fa 1a l l o y6 0 8 2 s h o wt h a t ：c o m p a r i n gw i t hp u r ea 1a l l o y , i tw a sd i f f i c u l tt oh a p p e nd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n a f t e rt h e d e f o r m a t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r ea p p e a r sb a n d i n ga n dac e r t a i nd e g r e eo f u n e v e n t h em i c r o s t r u c t u r ew a sh a r d l ye f f e c t e db yt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h eh a r d n e s sc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l yb yt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t d u et o k e e p i n gd e f o r m a t i o ns t r e n g t h e n i n g ，a 1a l l o y6 0 8 2o fs o l u t i o n + d e f o r m a t i o n + a g i n g p r o c e s sp r e s e n t sh i g h e rp e r f o r m a n c e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o no f a 1a l l o y6 0 8 2 v i i 上海大学硕士学位论文 s h o wt h a t ：a t30 0 c 一5 5 0 ，t h e r ew a ss t e a d y - s t a t ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s u n d e r0 0 0 6 s 一一o 6 s s t r a i nr a t eh i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o n t h ea la l l o y6 0 8 2 i s p o s i t i v e s t r a i nr a t es e n s i t i v em a t e r i a l t h ef l o ws t r e s so fh i g h t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nw a si n c r e a s e dw i t hd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g a n ds t r a i nr a t ei n c r e a s i n g d u r i n gt h ep r o c e s so fh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n ，t h e t e m p e r a t u r eo fs a m p l e sw o u l di n c r e a s eb e c a u s eo fd e f o r m a t i o nh e a t t h eg r e a t e r s t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o n ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e dm o r eo b v i o u s l y t h e r e f o r e ，i n t h ep r o c e s so ff o r g i n g ，t h er e a s o n a b l ep r o c e s sw r i t sa d o p t e dt oc o n t r o ld e f o r m a t i o n h e a t ，w h i c hc o u l dn o t b ei g n o r e dt oa v o i d o v e r h e a t i n g a n d o v e r - b u r n i n g p h e n o m e n o n a c c o r d i n gt ot h es t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h e r m a ls i m u l a t i o np r o c e s s ， t h es t e a d y - s t a t ef l o ws t r e s sc o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw a sd e r i v e df o r6 0 8 2a l u m i n u m f l l o y i tp r o v i d e da t h e o r e t i c a lb a s i sa n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rs e t t i n gt h e6 0 8 2 a l u m i n u ma l l o ye x t r u s i o n , r o l l i n g ，r e v e r s ep r o c e s st e c h n o l o g ya n d c o n t r o l i n g p e r f o r m a n c e ，a n ds e l e c t i n ge q u i p m e n t ，e t c k e y w o r d s ：a la l l o y6 0 8 2 ；t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ；h o tc o m p r e s s i o n ； f l o ws t r e s s ；d y n a m i cs o f t e n i n g 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 e l 期：丝! 墨! 三：p期：沙丕口芝沙 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，因此汽车工业的每一次科技进步， 都会带来显著的经济和社会效益，降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源 是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的问题。减轻汽车自重是提高汽车的 燃油经济性、节约能耗的重要措施之一【l 】，为此近年来铝合金在车辆上的使用 受到广泛的重视，替代其它的材料( 如钢) 用作汽车零部件，成为地铁、列车、 轻轨、高速列车等轻量化、现代化的有效途径。1 9 9 1 年欧美的轿车上铝合金的 使用量为1 6 0 镑，2 0 0 1 年铝合金的使用量达到2 4 5 磅【2 】。美国资深汽车工程师 d a v i ds c h o l e s 预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，l o 1 5 年后会有越来越多的铝合金用于汽车【3 。5 】。r o i l s r o y c e 公司于最近推出的一款 轿车，其车身框架即全部用铝合金制成，是迄今为止在轿车上使用的最大的铝 合金整体结构件。显而易见，铝合金在车辆上的扩大应用已经成为不可阻挡的 趋势。目前汽车上的铝部件虽然还以铸件为主，但随着合金加工技术和新型合 金的不断开发，变形铝合金必将有更为广阔的应用空间。 1 16 0 0 0 系铝合金的特点及工业应用 1 1 16 0 0 0 系铝合金的特点 6 0 0 0 系a 1 m g s i 合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优良。与钢 板相比，6 0 0 0 系t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度相近，n 值超过钢板。此外， 6 0 0 0 系铝合金是可热处理强化合金，在冲压成型后，经油漆烘烤，性能可进一 步提高，而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工。 6 0 0 0 系铝合金具有成型性好、耐蚀性强、强度高、耐高温等优良性能。7 0 0 0 系合金虽然也具有较好的硬度和强度，但疲劳强度低于6 0 0 0 系合金；6 0 0 0 系 和2 0 0 0 系合金相比抗腐蚀性能优越；5 0 0 0 系合金的斯德勒线及桔皮效应不令 人满意，而6 0 0 0 系合金的这两种性质较好。综上所述，6 0 0 0 系性能优良，所 以倍受人们关注。6 0 0 0 系合金可以通过添加少量多种合金元素来细化晶粒，改 上海大学硕士学位论文 变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理等工艺获得良好的综合性能【6 。1 0 1 。 1 1 26 0 0 0 系铝合金的工业应用 6 0 0 0 ( a 1 m g s i ) 系铝合金是一种适合于汽车应用的轻量化材料，可用于汽 车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等结构【l ，如近期出现的6 0 6 1 铝合金驱动轴就是很好的例证【1 2 】。 6 0 0 0 系合金还用于生产车轮及轮毂等零部件，实现车轮的薄壁化、轻量化、 刚性化，如：美国的森特来因图尔公司用分离旋压法试制出整体板材( 6 0 6 1 ) 车轮，比钢板冲爪车轮重量减轻5 0 ，旋压加工所需时间不到9 0 秒个，不 需组装作业，适宜大批量生产，经济性较好【1 2 】。我国西南铝加工厂与日本轻金 属株式会社合作开发的用a 6 0 6 1 合金生产由5 7 1 5 m m 1 9 0 5 m m 的汽车铝轮 毂 1 3 1 。6 0 0 0 系铝合金增强材料是轿车上大量使用的轻量化材料，具有巨大潜 力。用陶瓷纤维、晶须、微粒等增强该系铝合金生产的复合材料，其比强度、 比弹性模量、耐热性、耐磨性等大幅度提高，可用做发动机零件。例如：用a 1 2 0 3 颗粒增强的6 0 0 0 系合金，具有较高的硬度、耐磨性、抗压强度、高温屈服强度 等性能，而且制造工艺比较简单，可用传统的加工方法加工成材，具有价格优 势，用于汽车的汽缸体、活塞、刹车摩擦件等结构【2 】。d u r a l 公司用6 0 6 1 铝合 金为基，以a 1 2 0 3 ( 含量1 0 2 0 ) 颗粒增强，生产活塞。以6 0 6 1 合金为基体，用 s i c 晶须强化制取复合材料，其强度为5 0 9 8 m p a ，v = 3 0 ，弹性模量为1 2 0 0 0 9 8 m p a ，是6 0 6 1 合金的1 6 倍，高温强度、疲劳强度也得到提高，已用于 柴油发动机活塞的顶部，并研究用于连杆【1 4 1 。目前，6 0 0 0 系铝合金在汽车上的 应用情况见表1 1 。 2 上海大学硕士学位论文 6 4 6 3s t r u c t l l r em a t e r i a l s ( s u c ha s t h ep a r to f d r i v es y s t e m 、t i e - i n 、e t c ) ；b a n do f a u t o m o b i l e 、 a d o r n m e n ti n n e ra u t o m o b i l e 、d o o r f r a m ea n dw i n d o w - f r a m ee t c a n du s e da s a t t a c h m e n tp a r t sa n do t h e rc o m m o na 1a l l o ym a t e r i a l s 6 0 6 1 s 自m c 咖p a r t s ( p a r to f d r i v es y s t e m 、t i e - i n 、e n g a n c e dp a r te t c ) ，s p o k e ，a l lk i n d o f b r a c k e t ，b u m p e r 、w h e e l 、h e a te x c h a n g e r 6 1 5 1s 自n 【l c t u r ep a r t s ( p a r to f d r i v es y s t e m 、t i e i n 、e n g a n c e dp a r te t c ) ，s p o k e ，a l lk i n d o f b r a c k e t 6 0 6 3s t r u c t i l r em a t e r i a l s ( s u c ha s t h ep a r to fd r i v es y s t e m 、t i e - i n 、e n g a n c e dp a r te t c ) ，b a n d o f a u t o m o b i l e 、a d o r n m e n ti n n e ra u t o m o b i l e 、d o o r f r a m ea n dw i n d o w - f r a m ee t c a n d u s e da sa t t a c h m e n tp a r t sa n do t h e rc o m m o na ia l l o ym a t e r i a l s c a r r i a g e ( t r a v e r s eb r a c k e t ，f r o n tw i n gp a n e l ，s l i d ew a yw i n gp a n e l ) b o d y w o r k f a c e p l a t e ，c a b ( i n s i d eb o a r do ft h et o p ，i n s i d ea n do u t s i d eb o a r do fe n g i n ec o v e r , i n s i d e b o a r do fd o o r , i n s i d eb o a r df o rf e n c e ，f r o n tf l a s h b o a r d ，f r a m eo fa t t e n dab a n q u e o ； c a r r i a g e ( t u r n i n gp i l l a r , w h e e lc o v e r , b e h i n df l a s h b o a r d ，b r a c k e t ，f l o o r b o a r d ) 6 0 1 6 6 1 1 1 b o d y w o r kb o a r d ，p a n e le t c 6 1 8 l a 6 0 0 5 a 3 上海大学硕士学位论文 1 1 36 0 0 0 系铝合金研究方向 6 0 0 0 系铝合金在生产中已经被广泛应用，但有不少问题还待进一步改进， 目前6 0 0 0 系铝合金的研究方向主要有如下几个方面： ( 1 )降低生产成本，提高生产效率，继续努力开发具有优良的耐腐蚀性和成 形性以及时效硬化性的6 0 0 0 系铝合金材料。 ( 2 ) 开发具有优良的挤压性和焊接性的6 0 0 0 合金材料，无论在国内外，6 0 0 0 铝合金的焊接性和抗挤压性都是制约其使用的关键问题。 ( 3 ) 开发具有高疲劳强度的6 0 0 0 系合金。由于6 0 0 0 系铝合金的疲劳性能不 是很理想，所以其疲劳等力学性能应当引起人们的更多关注，尤其应加大其疲 劳机理研究，分析微观结构与力学性能的关系，积累力学参数，从而在工艺上 以及化学组成上使之优化。 ( 4 ) 发展发泡铝材成型技术，开发密度更小的6 0 0 0 系合金材料。 ( 5 ) 通过优化6 0 0 0 系合金的化学成分和各种加工工艺，制造出具有较好冲 压性能的板材；建立汽车车身用铝合金标准，研制适应性更强的6 0 0 0 系汽车车 身用新型铝合金，如：超塑性铝合金，积极推进车身、车体主要部位的铝材。 ( 6 ) 研究生产更薄壁的铸件及消失模铸件。 ( 7 )改进熔铸工艺，提高铸锭质量，实行技术革新。如在合金成分配制方法 上采用金属添加剂取代传统的部分中间合金，使合金成分控制得更加准确、均 匀；采用s n i f 法、a l p u r 法、r d u 法、m i n t 法、泡沫陶瓷等在铸造生产线 上净化铝合金熔体的新技术，使铝合金熔体中的氢含量降低；采用在线细化晶 粒技术，细化铝合金铸锭晶粒组织等，生产出更适于汽车使用的6 0 0 0 铝合金材 料。 ( 8 ) 改进热处理工艺，提高6 0 0 0 系铝合金使用性能。英、美、日本等国家 的材料工作者开展旨在改善铝合金综合性能的固溶一时效一再时效处理技术 ( r r a ) 研究，将原来6 0 0 0 铝合金t 6 处理改为r r a ( 回归再时效处理， r e t r o g r e s s i o na n dr e - a g e i n g ) 处理，使在晶界分布的连续链状的析出相改变为不 连续的非共格析出相【6 1 。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 合金元素对a i m g s i 合金的影响 1 2 1m g 元素的影响 m g 对a 1 的强化作用是明显的，每增加1 的m g ，抗拉强度大约升高 3 4 m p a 。m g 可以单独加入形成二元a 1 - m g 合金，含m g 量在7 以下的合金在 室温时稳定，一般加工铝合金含m g 量在6 以下。 与固溶体平衡的相为a 1 8 m g s ，其热处理强化作用不明显，故二元a 1 m g 系合金为热处理不可强化合金。而a 1 8 m & 相的形态和分布对合金抗蚀性能有明 显的影响，如果沿晶界呈链状分布，将造成晶间腐蚀和应力腐蚀开裂；如果呈 弥散状态分布于晶内和晶界，则合金的抗蚀性能明显提高 2 6 1 。 1 2 2si 元素的影响 当镁含量一定时，a 1 m g s i 合金中的抗拉强度随硅含量的增加而升高。合 金中的m 9 2 s i 相愈少，过剩硅对合金的强度、淬火效果、自然时效效果提高的 愈大。当硅含量一定时，a 1 m g s i 合金的抗拉强度随镁含量的增加而提高，但 其增加程度要比镁一定时随硅含量增加的程度小。增加硅含量，能改善其铸造 性能和焊接性能。而a 1 m g s i 合金的耐蚀性能则随m 9 2 s i 相和硅的增加而急剧 降低。当有杂质铁存在时，部分硅可能与铁形成汉字状的f e s i a l 型三元相，从 而阻止了能使合金塑性急剧降低的粗大f e m n a l 6 相初晶的形成。 随着s i 含量的增加，合金的晶粒变细，金属流动性增大，铸造性能变好， 热处理强化效果增加，型材的抗拉强度提高。由于过剩硅提高铝固溶体的过饱 和度，也增加了时效期间g p 区的密度，因而提高了时效硬化效应。但过剩的 硅易沿晶界偏析，降低塑性，引起晶界脆化，耐蚀性变坏【2 1 丌。 研究表明，增大s i 含量能提高s i 析出物及b 相的析出密度导致更高水平 的强化，而对促进人工时效动力学作用不大，在工业生产中，主要是通过影响 合金时效的初始硬度进而提高合金的烤漆硬化性【2 8 1 。 5 上海大学硕士学位论文 1 2 3m n 元素的影响 m n 对材料的性能有强化作用，它对铝及铝合金的再结晶过程有很大影响。 第一，它能阻碍铝及其合金的再结晶过程，提高再结晶温度。第二，在再结晶 终了阶段m n 能显著细化再结晶晶粒。而且，m n 形成的弥散强化相对硬度和强 度的提高也有贡献。m n 在6 0 0 0 系列合金中有多种作用。由于m n 促进1 3 a 1 f e s i 转变成q a 1 f e s i ，减少了均匀化时间，并且对中等强度的合金如6 0 6 1 和6 0 8 2 能阻止在随后的挤压热处理阶段晶粒长大和粗化，添加m n 的其它作用是m n 能阻止s i 在晶界成核，防止金属脆性，从而提高了断裂强度，在添加m n 含量 大于o 1 0 的更高强度合金里，m n 的害处是增加变形抗力，降低铸锭的挤压 性能，同样也增加淬火敏感性。 锰固溶于铝中，可提高再结晶温度2 0 1 0 0 k ，铝越纯，锰含量越高，作用 愈明显。对再结晶晶粒细化主要是通过a 1 6 m n 弥散质点对再结晶晶粒长大起阻 碍作用。a 1 6 m n 是与a 1 。m n 固溶体相平衡的相，它除了能提高合金的强度，细 化再结晶晶粒外，另一重要作用是能熔解杂质铁，形成a 1 6 ( f e 、m n ) ，减小铁 的有害影响。同时a 1 6 m n 的电极电位与铝的电极电位相等( 0 8 5 ，所以对铝 的抗蚀性能没有影响。另外，锰会明显的增加铝的电阻，所以用作导电材料时 应控制锰的含量。合金中锰含量过多时，会形成粗大、硬脆的a 1 6 m n 化合物， 将损害合金的性能【1 0 】。在液一固相变时，灿和m n 形成粗大的a 1 f e m n s i 相( q 相1 颗粒，这种粗大相在热轧过程中会破碎，在破碎的粗大相的周围将形成一高 应力区，促进了新晶粒的形核和成长；在固固相变时，a 1 和m n 会形成细小弥 散的a 11 2 m n 3 s i ( q 相) 颗粒相，尺寸在0 1 一o 3 9 m 左右，这种弥散的颗粒相对 合金再结晶中的晶界迁移有阻碍作用。合金中m n 含量增加时，a 1 1 2 m n 3 s i 弥散 相的体积上升，增大了颗粒相对再结晶时界面迁移的阻碍作用；合金中f e 含量 降低时，a 1 f e m n s i 粗大相的体积下降，减小了粗大相在再结晶过程中引发新晶 粒形核的可能性。加锰也可以减少铝镁硅合金的停放效应，锰还有固溶强化， 提高韧性和耐蚀性的作用【2 9 3 2 1 。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 4c u 元素的影响 c u 是铝合金中重要的合金化元素，有一定的固溶强化作用。它通过改变析 出序列而提高时效动力学。添加铜能够促进烤漆过程中1 3 ”相的形成，提高烤漆 硬化性能。含铜量较高合金的显微组织更细密，而且有更高的硬度。a 1 m g c u 系列合金中有两个主要强化相，即0 ( c u a l 2 ) 和s ( a 1 2 c u m g ) 相。c u a l 2 ( 0 相) 有 着明显的时效强化效果。硬铝中以s 相的过渡相强化效果最好，0 相的过渡相 强化效果稍次，合金中同时存在s 和0 的过渡相时，强化效果最大。s 相的过 渡相还有一定的耐热性。根据文献【3 3 1 ，按质量计算，m ( c u ) ：m ( m g ) 2 6 时，形 成s 相；m ( c u ) ：m ( m 曲 2 6 时，形成s + 0 相或0 相。 但铜元素的存在会增加合金的晶间腐蚀倾向。m 9 2 s i 含量高的合金会发生 时效滞后现象，即停放效应，微量的铜能降低自然时效速度，从而减轻停放效 应的不良影响。a 1 m g s i 系合金出现停放效应主要是由于镁和硅在铝中的固溶 度不同，硅的固溶度小，先于镁发生偏聚；硅原子偏聚区小而弥散，基体中固 溶的硅含量大大减少。当再进行人工时效时，那些小于临界尺寸的硅的g p 区 将重新溶解，导致形成介稳的b 相的有效核心数减少，从而生成粗大的p 相。 为减少停放效应，将铜加入合金，此时合金中还可出现w - - c u 4 m 9 5 s i 4 a 1 x 、0 c u a l 2 相和s - c u m g a l 2 相，同样会产生沉淀强化，使铝镁硅合金强度增加，但 铜会降低其耐蚀性和工艺性能【4 9 1 。已有研究表明，添加少量的铜，能够提高合 金强度早期的研究表明强化作用是由于添加铜后生成了s 和0 析出物。另外一 种在a 1 m g s i c u 合金中发现的沉淀是q 相，它第一次是被d i x 和s a g e r 发现。 p e 仃o v 的研究表明它的分子式是a 1 5 c u m 9 4 s i 4 或者是a 1 5 c u m g s s h ，而p h r a g m e n 发现它具有六边形结构，更好的分子式是a 1 5 c u 2 m g s s i 6 。添加c u 可以改善挤 压合金的导电性和机械加工性能，对于高强度合金特别是6 0 6 1 合金能阻止室温 停放后对人工时效机械性能的有害影响，6 x x x 系列合金中铜含量超过0 2 0 会 降低其抗腐蚀性 3 4 枷】。各种合金元素对6 x x x 合金各方面性能的影响见表1 2 所 示【3 们。 7 上海大学硕士学位论文 表1 2 各种合金元素对6 x x x 合金各方面性能的影响 注：ff 较人增大；f 较小增大；li 较大的降低；4 较小的降低；( 1 ) 为满足m 9 2 s i 量 不变；( 2 ) 没有坏的影响且对高的淬火速率改变很小；( 3 ) 很小或没有害的作用；( 4 ) m n 、 c r 、z n 添加量很少；( 5 ) 极大的依赖于添加量和均匀化处理；理想的挤压合金应具有高的 挤压性能、强度和延展性，同时有低的淬火敏感性。 1 3 铝合金的形变热处理 为了发展既有高强度又有高韧性和抗应力腐蚀性能的铝合金，近百年来， 人们进行了大量的试验和研究，总结了不少的工艺方法，其中最有效的方法有 两种：一种为回归再时效处理( w t a ，r e t r o g r e s s i o na n dr e - a g e i n g ) ，另一种为形 变热处理( t m t ，t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ) 。t m t 是将塑性变形的形变强化 与热处理的相变强化相结合的一种工艺方法，也称热机械处理，最开始是用于 钢铁材料。其基本原理是：通过形变增加金属中缺陷( 主要是位错) 的密度并改 变其分布，热处理相变时这些形变时产生的缺陷将影响新相的形核动力学和分 布，同时，新相的形成又对位错等缺陷的运动起钉扎、阻滞作用，使金属中的 缺陷稳定、组织细化，从而提高其强度和韧性。另外，它还能大大简化铝件生 产流程，节省能源，因而受到愈来愈广泛的重视。 1 3 1 形变热处理的基本原理 塑性变形增加了金属中的缺陷( 主要位错) 密度并改变了各种晶体缺陷的 分布。若在变形期间或变形之后合金发生相变，那么变形时缺陷组态及缺陷密 上海大学硕士学位论文 度的变化对新相形核动力学及新相的分布影响都很大。反之，新相的形成往往 又对位错等缺陷的运动起钉扎、阻滞作用，使金属中的缺陷稳定【2 1 。所以，形 变热处理是变形与相变既相互影响又相互促进的一种工艺，不能简单的视为形 变强化和相变强化的叠加。 按照金属强度与其内部缺陷存在的关系，提高金属强度的具体途径大致有： ( 1 ) 减少金属中所含缺陷的密度，使之接近理想的完整晶体，让所有的 原子同时参与抵抗外加应力的作用，以接近理论数值的强度水平。例如当缺陷 少到呈纯铁晶须的状态时，其抗拉强度达到7 0 0 0 m - n m ：。 ( 2 )通过一定的加工处理进一步引入大量的位错以及造成阻挡位错运 动的各种障碍。这时，或者由于位错本身的相互阻塞，或者由于受溶质原子、 沉淀相、晶界、亚组织等所构成的阻碍所拦截，使得在外加应力作用下的滑移 过程变得困难起来，从而达到提高强度的效果。这种方法虽然在提高强度水平 方面不及前面的种，但在工业生产中却是易于实现的，因而得到了广泛的实 际运用。例如，高碳钢线材在5 0 0 - - 5 5 0 的铅浴中等温分解呈索氏体组织，然 后进行多次冷拔。这类钢丝具有较高强度，抗拉强度可以达到3 0 0 0 m n m 2 以上。 近代关于实际金属强度的位错理论，对合金化强化( 除了在一定程度上改 变原子间结合力这方面以外) 、相变强化及形变强化的原因找出了共同的解释， 即都造成了有利于抵抗外加应力作用的组织状态。由此可见，合金化强化( 指 其改变金属组织状态的方面) 、相变强化及形变强化，从工艺角度来说是大不相 同的，但是却殊途同归，都是造成金属中较多的缺陷密度，从而改善金属强度。 所以，在已知成分的金属材料上合理地综合运用形变强化与相变强化，可以得 到更为满意的强化效果。简言之，用形变的方法给金属中引进大量的位错缺陷， 再用热处理的方法把位错牢固地钉轧起来，最终使得金属得到包含大量难于移 动的位错的相当稳定的组织状态，从而使金属的强度提高，这就是形变热处理 的基本原n t 6 1 。 1 3 2 形变热处理的分类 形变热处理在钢中的运用已经十分广泛，并且也收到了很好的效果，但是 9 上海大学硕士学位论文 在铝合金中的运用仍然处在一个起步的阶段，尤其在高温情况下进行变形的形 变热处理研究更是比较少见。 铝合金的热处理一般分为固溶和时效两个部分，可以将其大致分为以下三 类【4 1 】： ( 1 ) 低温形变热处理 低温形变热处理又称为形变时效。最广泛的处理方式有： 1 ) 淬火冷( 温) 变形人工时效： 2 ) 淬火自然时效冷变形人工时效； 3 ) 淬火人工时效冷变形人工时效。 冷变形造成的位错网络，使脱溶相形核更为广泛和均匀，有利于合金的强 度性能和塑性，有时也可以提高抗蚀性。冷变形对时效过程的影响较为复杂。 它与淬火、变形和时效规程有关，也与合金本性有关，对同一种合金来说，与 时效时沉淀相类型有关。简言之，主要依靠形成弥散过渡相而强化的合金，时 效前冷变形会使合金强度提高。这类合金淬火后，经冷变形再加热到时效温度 时，脱溶与回复过程同时发生。脱溶将因冷变形而加速，脱溶相质点将因冷变 形而更加弥散 低温形变热处理也可以采用温变形。在温变形时，动态回复进行得很激烈， 有利于提高形变热处理后材料组织的热稳定性。 ( 2 ) 高温形变热处理 1 ) 实现高温形变热处理的基本条件 高温形变热处理工艺为热变形后直接淬火并时效。因为合金塑性区与理想 的淬火温度范围既可能相同也可能有别，总的要求是应自理想固溶处理温度下 淬火冷却。 进行高温形变热处理必须要求所得到的组织满足以下三个基本条件： 热变形终了的组织未再结晶( 无动态再结晶) ； 热变形后可以防止再结晶( 无静态再结晶) ； 固溶体必须是过饱和的。 若前两个条件不能满足而发生了再结晶，则高温形变热处理就不能实现。 1 0 上海大学硕士学位论文 进行高温形变热处理时，由于淬火状态下存在亚结构，时效时过饱和固溶 体分解更为均匀( 强化相沿亚晶界及亚晶内位错析出) ，因而使其强度提高。另 外，固溶体分解均匀，晶粒碎化以及晶界弯折使合金经高温形变热处理后塑性 不会明显降低。再有，因为晶界呈锯齿状以及亚晶界被沉淀质点所钉扎，使合 金具有更高的组织热稳定性，有利于提高合金的耐热强度。 2 1 影响高温形变热处理的因素 合金本性具有高堆垛层错能的金属，易于发生动态回复因而阻碍动态 再结晶过程的进行，这样的金属就可以进行高温形变热处理。铝合金的层错能 高，易形成非常稳定的多边化组织，所以铝合金进行高温形变热处理原则上是 可行的。 高温形变热处理目前只能在a i - m g s i 系及a l z n m g 系合金中广泛应用。 这两个系列的合金具有宽的淬火加热温度区间，淬透性也较好。 热变形条件热变形条件包括变形温度、变形速度和热变形量。同一合 金在不同热变形条件下进行高温形变热处理会有不同的效果。 变形温度越高，动态回复越易进行，金属中的储能越少，再结晶越困难。 所以，提高变形温度对高温形变热处理有利。 变形速度越快，位错的组合过程越难进行，影响动态回复中亚晶的形成。 因而为了提高高温形变热处理的效果，应降低变形速度。 在同样的变形温度及变形速度条件下，变形程度越大，金属中变形储能越 多，对再结晶过程有利，因而对高温形变热处理有不利影响。 总之，为实现高温形变热处理，需要采用合理的热变形工艺。 ( 3 ) 预形变热处理 1 ) 实现预形变热处理的基本条件 预形变热处理的典型工艺为：在淬火、时效之前预先进行热变形，将热变 形及固溶处理分成两道工序。 实现预形变热处理的基本条件是： 热变形时无动态再结晶； 热变形后无亚动态或静态再结晶： 上海大学硕士学位论文 固溶处理时也不发生动态再结晶。 保证了这些条件，就可以达到亚结构强化目的。再通过随后的时效，实现 亚结构强化与相变强化有利的结合。 2 ) 组织状态图 为了保证上述实现预形变热处理的基本条件，首先需要了解各种合金在不 同变形条件下可能的组织状态。 冷变形程度决定了储能大小以及随后加热时再结晶的难易程度，但热变形 后储能大小及可能的组织状态与变形程度、变形温度及变形速度均有关。 3 ) 挤压效应及组织强化效应 某些铝合金挤压制品经淬火及时效后，与同一合金、经同样变形条件( 温 度及变形量) 及热处理条件( 淬火及时效) 的其他制品( 如轧件、锻件等) 相 比较，其强度更高的现象称为“挤压效应 。 挤压效应的实质是挤压半成品淬火后保留了未再结晶的组织，而轧制与锻 造制品则已再结晶。后来又发现，一系列合金轧制与模锻制品( 如a 1 z n m g 系合金) 在适当的条件下同样可以获得未再结晶组织，从而使合金强度提高。 于是由挤压效应概念发展到“组织强化效应”。凡是淬火后能得到未再结晶组织， 使时效后的强化超过一般淬火时效后强化的效应，称为“组织强化效应 。 组织强化效应的获得同合金的性能有关，铝合金具有高的堆垛层错能，故 铝合金容易产生组织强化效应，这是其本质因素。但合金元素的影响也十分明 显，例如，m n 、c r 、z r 等元素在铝合金中能生成阻碍再结晶的弥散化合物，使 合金的再结晶初始温度升高，在热变形和淬火加热