（材料物理与化学专业论文）hzl114a合金时效过程研究.pdf

h z l l14 a 合金时效过程研究 摘要 h z l l1 4 a 合金具有优良的铸造性能、较高的比强度和韧性，以及良好 的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，而被广泛应用于航空、航天和军事工业中。 为了提高其使用性能，充分发挥材料潜力，需要对其进行热处理。其热处 理工艺主要包括固溶处理和时效处理两部分。而等温转变曲线( t t t ) 又 是制订热处理工艺的主要依据，目前还没有发现有关h z l l1 4 a 合金的时效 时等温转变曲线的相关报道。本研究利用光学显微镜、热分析、扫描电子 显微镜、材料显微硬度仪等仪器对h z l l1 4 a 合金时效过程各阶段的金相、 组织、硬度进行了分析、观察和测定，获得主要结果如下： ( 1 ) 经5 4 0 固溶处理并淬火的h z l l l 4 a 进行时效处理，测量不同 时间、不同温度下的硬度变化。无论在哪一个温度下时效，其硬度都经历 如下变化规律：没有明显变化一开始增加一出现峰值一硬度下降j 并豆柽 不同的温度下时效时硬度的转变速度不同。高温转变速度加快，低温转变 降低；另外，所达到的时效硬度的峰值也随时效温度的不同而有规律的变 化，即高温时效硬度低，低温时效硬度高。 ( 2 ) 根据时效过程中硬度随时问的变化关系描绘出h z l l1 4 合金的等 温转变曲线。由该曲线可以知道，合金在2 0 0 。c 左右时效的孕育期最短， 而在17 5 左右时效时的时效硬度最大。所以，此种合金在1 7 5 时时效3 小时至4 , j , p , - j 是较合理的时效工艺。 ( 3 ) 利用差热分析( d s c ) 的方法难以观测到h z l l1 4 a 合金的等温转变 的热效应。 ( 4 ) h z l l l 4 a 合金的最佳固溶温度为5 4 0 。c 、保温1 0 小时。 关键词：h z l l l 4 a 合金等温转变曲线( t t t )固溶处理时效处理 时效硬度 工n v e s t i g a t l 0 no ft h ea g e i n gp r o c e s s o nh z l l1 4 aa l l o y s a b s t r a c t h z l l l 4 aa l l o y sa r ew i d e l yu s e di na v i a t i o na n d s p a c e f l i g h t a n dm i1i t a r y i n d u s t r yb e c a u s eo ft h e i rf a v o u r a b l ec o m b i n a t i o n s o f s t r e n g t h ，e a s eo fc a s t i n gp r o c e s s e sa n dg o o dr e s i s t a n c et o c o r r o s i o na n df a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c i ti sn e c e s s a r yt od oh e a t t r e a t m e n ti no r d e rt o i m p r o v eu s a b l ep r o c e s s e sa n df u l l yg i v e p l a y t om a t e r i a l p o t e n c y t h ep r o c e s s e so fh e a tt r e a t m e n t i n c l u d es o l u t i o nh e a t t r e a t m e n ta n d a g e i n g h e a t t r e a t m e n t m a k i n gt h ep r o c e s s e so fh e a tt r e a t m e n ti sp r i m a r il ya c c o r d i n gt o t y p i c a lt i m e t e m p e r a t u r et r a n s f o r m a t i o nd i a g r a m t h er e p o r t so n t y p i c a l t i m e t e m p e r a t u r e t r a n s f o r m a t i o n d i a g r a m o fh z l l l 4 a a l l o y sa r e n ts t i l lf o u n db yf a r b yu s i n gt h eo p t i cm i c r o s c o p e a n d t h et h e r m a la n a ly sisa n d s e ma n dt h eh a r d n e ssa p p a r a t u s ，t h e c h a n g e s o f m e t a l l o g r a p h y a n d o r g a n i z a t i o n a n dh a r d n e s s a r e r e s e a r c h e di n e v e r y s t a g ed u r i n gp r o c e s s e so fh z l l l 4 aa l l o y si n t h ea r t i c l e s u c hc o n c l u s i o n sm i g h tb ea c h i e v e da f t e ra b u n d a n t e x p e r i m e n t a t i o n s ( 1 ) t h ed i f f e r e n ta g e i n gh a r d n e s so f h z l i1 4 a a l l o y sa r e m e a s u r e da td i f f e r e n t t i m e a n d t e m p e r a t u r ed u r i n ga g e i n g f o l l o w e d s o l u t i o nh e a tt r e a t m e n ta t5 4 0 t h ea g e i n gh a r d n e s s a l1 o b e y t os u c h c h a n g ei a wd u r i n ga g e i n gt r e a t m e n ta t a n y i i t e m p e r a t u r e t h ec h a n g e1 a wi st h a ta g e i n gh a r d n e s su n d e r g of r o m d i s t i n c t u n c h a n g e dt ob e g i n n i n gr a i s e t om a x i m u m p e a kt o h a r d n e s sd e c r e a s e t h et r a n s f o r m a t i o nv e l o c i t i e s o f a g e i n g h a r d n e s sa r ed i f f e r e n t d u r i n ga g e i n g t r e a t m e n ta td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h et r a n s f o r m a t i o nv e l o c i t i e so fa g e i n gh a r d n e s s a r eq u i c k e r d u r i n ga g e i n gt r e a t m e n t a t h i g ht e m p e r a t u r e t h a n t h o s ea tl o wt e m p e r a t u r e m o r e o v e r ，t h em a x i m u mp e a ko fa g e i n g h a r d n e s si sd i f f e r e n td u r i n gt h e a g e i n gt r e a t m e n ta t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h em a x i m u mp e a ko fa g e i n gh a r d n e s s i s h i g h e ra t l o wt e m p e r a t u r et h a nt h o s ea th i g ht e m p e r a t u r e ( 2 ) t y p i c a lt i m e t e m p e r a t u r e t r a n s f o r m a t i o n d i a g r a m a b o u t h z l l l 4 aa l l o y si sd e l i n e a t e do nt h eb a s i so ft h er e l a t i o no f a g e i n g h a r d n e s st o a g e i n g t i m e d u r i n ga g e i n g t r e a t m e n t i n c u b a t i o np e r i o do ft h ea l l o y si st h es h o r t e s td u r i n ga g e i n g t r e a t m e n ta t2 0 0 a c c o r d i n gt ot h isc u r v e h o w e v e r ，t h ea g e n g h a r d n e s si st h e h i g h e s td u r i n g a g e i n g t r e a t m e n ta t1 7 5 t o g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h er a t i o n a la g e i n gp e r f o r m a n c e i st o a g e f o r3h o u r so r4h o u r sa t1 7 5 ( 3 ) i t i sd i f f i c u l tt om e a s u r et h e t y p i c a lt i m e t e m p e r a t u r e t r a n s f o r m a t i o nd i a g r a mo f h z l l1 4 aa l l o y sb yu s i n gt h em e t h o do f t h et h e r m a la n a l y s is ( 4 ) t h er a t i o n a lp e r f o r m a n c e o fs o l u t i o n h e a tt r e a t m e n t a b o u th z l l l 4 aa 1 o y si st os o l u t ef o ra b o u t1 0h o u r sa t5 4 0 1 v k e yw o r d s ：h z l l l 4 aa l l o y s ：t t t ：s o l u t i o nt r e a t m e n t ：a g e i n g t r e a t m e n t ：a g e i n gh a r d n e s s v 、 j - 州人学硕十学付论文h z l l l 4 a 合金时效过群研究 第一章前言 由于交通运输、航空、航天、兵器工业的持续高速发展，各种新型高强高韧、高 比强度、高比模量、高耐蚀可焊、耐热耐蚀铝合金材料的发展一直受到世界各国的普 遍重视。世界各国越来越重视环境保护和可持续发展，努力减少对环境的污染，降低 能源消耗，提高交通运输速度，改善产品的使用和维护条件，轻量化成为必然豹选 择，铝成为轻量化的首选金属材料【1 】。根据中国政府提出的到2 0 2 0 年国内生产总值比 2 0 0 0 年翻两番的要求，中国原铝消费在今后五年将持续保持较快增长，到2 0 1 0 年有望 突破1 1 0 万吨。中国汽车行业迅速发展，预计到2 0 1 0 年中国汽车用铝将达到约2 5 0 万 吨，而且整个交通运输的用铝量也将超过3 0 0 万吨。铝是一种轻金属，其密度只有钢 铁的三分之一，铝可以构成多种合金，并且具有很大的比强度；此外，地壳中铝的含 量较多，分布广，占7 5 ( 质量) ，在1 2 种丰度最大的元素中居第三位，仅次子氧和 硅，屠各种金属元素的首位，一度被称为科技腾飞的使者 铸造铝合金是指由液态直接浇注成工件或毛坯的铝合金脚。它是在纯铝的基础上融 入金属或非金属元素，不仅保持纯铝的某些特性，而且由于合金化和热处理的作用， 使铸造铝合金具有良好的综合性能，应用越来越广泛。铸件是铝合金重要用途之一， 全世界每年约有2 0 的纯铝以砂模、金属模和压力铸造等形式用于铝合金铸件生产，是 交通运输和汽车制造工业等不可缺少的重要材料p j 。 1 1 铸造用铝合金的分类 铝是元素周期表上第三周期i i i a 族元素，原子序数1 3 ，相对原子质量2 6 9 8 1 5 4 ( 1 9 9 7 年国际相对原子质量表，以c 1 2 为基准) 。纯铝为面心立方晶体，强度很低 ( 仅5 0 m p a ) ，需加合金元素进行强化。大部分铸造铝合金的ob 为2 0 0 - - - 3 0 0 m p a ，部 分为3 0 0 , - 4 0 0 m p a ，少数可达5 0 0 m p a l 4 1 。作为合金元素加入金属铝中的金属和非金属 元素种类很多，依据它们所起的主要作用分为三种类型。第一类：是构成铝合金的重 要组元，s i 、c u 、m g 、z n 等元素属于此类。加入这些元素能强烈的改变朋的机械性 能和物理化学性能。在合金中这类元素含量较高；第二类：是铝合金中的次要组元， ； 参 广曲人学硕十学付论文 h z l i l 4 a 合金时效过群研究 如m n ，n i 、c r 、a g 等元素属于此类。加入这些元素能改善重要组元的不利影响和减 少f e 等杂质的有害作用：也可以迸一步提高铝合金的性能；第三类：主要作变质剂或 起细化作用，如t i 、z r 、b 、n a 、b c 、p 等元素属于这一类【5 1 。 温 度 1 6 5 w h 图1 1 铝合金分类示意图【6 】 l 热处理不能强化合金2 热处理可强化合金 f i g 1 1s k e t c ho f c l a s s i f i c a t i o no f c a s t i n ga l u m i n i u ma l l o y s 按照国家标准，铸造合金的牌号是由表示铸造合金的汉语拼音“z ”、铝和主要合 金元素的化学符号以及表示百分含量的数字组成，对于优质合金，在其牌号后附加字 母“a ”；而合金代号，是由表示“铸铝”的汉语拼音字母“z l ”以及后面的三位阿拉 伯数字组成，其中，第一个数字表示和金的系列；第二、第三位表示合金的顺序，同 样，优质合金在其后附加字母“a ”。 铝合金中含有多种元素，根据加工工艺特性可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝 合金：而铸造铝合金根据在铝基体中加入的主要合金化元素，可分为a 1 一s i 系、a i c u 系、a 1 m g 系、a 1 z n 系等4 类。此外，近年国内外还在开发出a l r e 系、a l l i 系铝 合金。每一类铝合金中，通常还有几种合金元素，所以，每一大类又可细分为二元 系、三元系、多元系合金。 。 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系，具有与变形铝合金相同的强化机 4 理，同样，可分为热处理强化型和非热处理强化型两大类。两者的主要区别在于：铸 2 ， j ； 婀人学硕十学 市论文 h z l i1 4 a 合金时效过科研究 造铝合金除含有强化元素外，还必须含有足够量的共晶元素，以使合金有相当的流动 性，易于填充铸造时铸件的收缩缝朔。 1 2 各类铸造铝合金的特点及应用 1 2 1a 卜z n 系锅台盒 这是开发应用最早的第一代铸造铝合金。由a l z n 合金的二元状态图中可知：z n 在a l 中的溶解度非常大( 在共晶温度3 8 2 时可达8 4 ) ，而在低温下溶解度却又急 剧缩小，在室温时已降至2 左右【叭。铝锌合金能“自动淬火”，合金中大部分锌均过 饱和固溶于a - a l 中，随后此合金又能在室温下自然时效，使合金强化【9 】相当一部分 a i - z n 合金可无需再进行高温淬火，有时只需进行人工时效。这不但缩短了生产周期， 节省了热处理设备，降低了生产成本，而且可以避免复杂薄壁铸件在淬火时发生变形 和裂纹。这是a i - z n 合金突出的优点。 a i - z n - m g 系合金具有较高的强度、良好的加工性和焊接性、以及一般的抗蚀 性；但对应力腐蚀敏感，高温性能较差，铸造性不佳，通常采用砂型铸造。 z l 4 0 1 合金是铝锌硅镁系四元合金，含有锌9 瞻1 3 o ，硅6 肛8 o ，镁 o 1 o 3 。它含有较多的硅，从成分上看，相当于z l l 0 1 合金加入9 o 1 3 o 的锌， 故又称含锌硅铝明【l 。 铝锌类铸造合金国际上现有近2 0 个牌掣1 1 l ，其主要特点是有良好的铸造性能、切 削性能、焊接性能和尺寸稳定性，铸态即有明显的时效硬化能力，可排除淬火引起的 变形和尺寸的时效变化；但由于结晶温度范围大( 参见a 1 z n 合金二元状态图) ，热 裂倾向大，气密性差，且密度大，用于砂型铸造，金属模易产生热裂现象，故应用范 围受到限制，逐渐被铝硅合金所取代，目前较少使用。 1 22a l - c u 系铝合金 自从铝工业兴起以来，铜几乎就是最普通的合金元素。a 1 一c u 系铝合金是继a 1 z n 系铝合金之后开发出来的第二代铝合金。该系合金含铜量一般在3 - 1l 之间。 在大多数铝铜合金中，铝是主要的组织组成物，而铸造合金的基本组织是由有晶 内偏析的铝固溶体树枝晶组成。在它们的晶界或树枝晶枝权间有各种各样的组成物， 形成脆性的断断续续的共晶网状组织。铜的含量越低、冷却速度越大，形成不连续共 晶的倾向越大。合金组织组成物可划分为两组：一组为可溶解的，它们般含有一种 j 曲人学硕十学位论文 h z l l1 4 a 合金时效过稃研究 或几种下列元素，如铜、锂、镁、硅、锌：另一种是不溶解的，它们至少或多或少含 有一种不溶解的元素，如铁、锰、镍等f l 2 】。 从a i - c u 二元状态图可知，在含铜为5 4 1 处形成电子化合物c u a l 2 。c u a l 2 可微 溶一些铝，形成一个单相区。在纯铝与c u a l 2 之间构成了一个一般的共晶型状态图。 共晶温度为5 4 8 c ，而此时铜在固溶体中最大溶解度为5 6 5 ，而室温时溶解度低于 o 1 ，因此，可用热处理方法进行强化合金。铝铜合金的主要强化相是c u a l 2 。所 以，有较高的强度和热稳定性，适于铸造耐热铸件。但铜含量高了会使合金的密度增 大，耐蚀性降低，铸造性能变差。 a i c u 系铸造铝合金牌号很多。c u 作为主要合金元素的加入，可以提高合金的强 度，改善高温性能，同时，也利于材料的机械加工；但砧c u 系铝合金铸造性能差， 热裂倾向大，并有晶间腐蚀和应力腐蚀倾向，由于收缩产生气孔也比较多 1 3 】，使其在 工业上的应用不多，主要应用于航空产品上，用于承受重大载荷的结构件和耐热件。 z l 2 0 3 合金的热处理强化效果最大，是常用的铝铜铸造合金。为了改善其铸造 性，提高流动性，减少铸造后热裂倾向，需加入一定量的s i ，以形成一定量的三元共 晶组织( n + s i + c u a h ) ，加硅后有利于室温性能和高温性制“】。 1 2 3a i m g 系铝合金 铝镁类铸造合金是铝合金中比重最小、强度最大、在海洋和大气气氛中有最高的 耐蚀性的合金。它还具有良好的切削加工性和焊接性。因此，广泛应用于航空航天、 造船等工业部门。由于a i m g 合金具有巨大的市场潜力，近年来受到世界各国的重 视。 m g 添加到a 1 合金中，会形成弥散相。由铝镁合金相图可知，在铝的一侧是简单 的共晶型合金，当镁的含量小于3 5 时，平衡组织为a 和1 3 两相。a 相为镁在铝中的 固溶体，在共晶温度( 4 5 1 ) 时的最大固溶量为1 4 9 ，室温时降至1 4 ，1 3 相为 m 9 2 a 1 3 化合物。n 和b 能够形成共晶体【1 5 】。但在铸造冷却不平衡的条件下，当镁的含 量大于5 时组织中己出现共晶。由杠杆定律可计算出：此共晶中含有约9 0 的b 相。 由于1 3 相较脆，故不希望合金在使用状态的组织中出现a 和1 5 的共晶【7 】。 由于镁在t l a 1 中的溶解度非常大，且镁的原子半径比铝大约1 3 ，所以，镁的 大量溶入使q 固溶体的晶格发生严重扭曲，从而提高合金的机械性能，因此，铝镁合 金可以经过热处理进行强化。可是，当镁的含量超过1 2 ，则由于b 相不能完全溶入a 4 j 阿人学硕十学付论文 l t z l l l 4 a 合金时效过群研究 固溶体，而在晶界上出现脆性相( 9 相) ，这不仅不能强化合金，反而削弱基体，使 机械性能急剧下降。所以实用的铝镁二元合金的m g 的含量不超过1 2 【8 】。 此类合金的缺点是：合金在1 0 0 x 2 以上温度工作时，会出现自然时效现象，使 机械性能的稳定性降低：固溶处理后未溶入a 固溶体中的游离b 相沿晶界分布，会 引起晶间和应力腐蚀，降低其抗蚀性能；镁与氧的亲和力大于铝与氧的亲和力，熔 化中很容易氧化烧损，导致合金的流动性能显著变坏，气孔增多。 这类合金包括_ a - m g 二元合金及础- m g s i 多元合金。 属于a 1 - m g 二元含金的国家标准的典型牌号为z l 3 0 1 。z l 3 0 1 合金有很高的综合 力学性能，比强度和冲击韧性比其他铸造铝合金要高得多。此外，由于合金在室温下 是单相固溶体型组织，所以有很高的塑性。一般用于暴露在大气或海水等腐蚀性介质 中承受大的冲击载荷的零件。 。 1 2 4a l - s i 系铝合金 铸造越s i 系铝合金是铸造铝合金中最重要的一个系列，其含s i 量4 一2 2 ，通 常由于其密度小、比强度高，同时具有优良的铸造性能、抗腐蚀性能和力学性能，使 该材质铸件占铝铸件总量的9 0 左右【1 6 1 。 舢s i 二元合金具有简单的共晶型相图。共晶成分的a 1 s i 合金具有最好的铸造性 能，但它的机械性能很低。含1 0 一1 3 s i 的铸造合金，其成分在共晶点附近，铸造 后的组织为共晶体加少量的初晶硅。由于脆性的s i 呈粗针状，故铸造合金的机械性能 很低，无法直接使用。若在浇注前往液态合金中加入2 一3 的变质剂进行变质处 理，由于钠能够阻碍硅晶体长大，使结晶温度降低，并使共晶成分向右移动，因而使 共晶成分的合金结晶后呈亚共晶组织。为了提高合金的机械性能，可往合金中加入 c u 、m g 等元素，它们在合金中能形成强化相，所以，这类合金除了应用变质处理 外，还可以通过淬火和时效进一步使合金强化【1 7 】。特别是目前我国生产的a 1 s i 系多元 合金的铸态机械性能不高，均需要时效强化【1 ”。 为了既能保持a 1 s i 合金固有的优点，又能使力学性能有更大幅度得提高，近几十 年来，世界各国铸铝工作者研究并采用了不少行之有效的措施，例如变质处理和合金 化等。 铝硅合金中单独加入各种合金元素时，以镁对合金的组织、性能的影响最大【1 9 1 。 铝硅合金中加入镁后的组织可按a 1 - m 9 2 s i s i 伪三元相图分析，所有成分在三相区内的 合金组织由a 初晶、二元共晶及三元共晶组成。a 1 s i m g 合金淬火时，m 9 2 s i 先溶入 广阿人学硕十学位论文 h z l l1 4 a 合金时效过稃研究 a 固溶体；时效时，又呈弥散相析出，使a 固溶体的结晶点阵发生畸变，就使合金强 化，力学性能显著提高，但伸长率有所降低。属于这系合金的有我国的z l l 0 1 、 z l l 0 1 a 、z l l 0 4 、z l l l 4 a 、z l l l 5 和z l l l 6 ，前苏联的a j l 9 以及日本的a c 4 a 和 a c 4 c 等。 1 3 合金的强化方法 随着现代工业和科学技术的发展，对铝合金材料的性能提出更高的要求。利用强 化理论对铝合金的有效强化，以满足各个领域的不同需求，是现在材料科学领域中十 分重要的课题。铝合金的强化方法很多，根据不同的机理可分为细晶强化、固溶强 化、形变强化、时效强化。 1 3 1 细晶强化 细化晶粒已经成为强化合金的一种重要方式。实验上早就发现多晶材料的流变应 力与晶粒直径的平方成反比。h a l l 和p e t c h 最早从位错塞积概念推导出这个关系1 2 0 - 2 n 。 晶界对位错运动构成强烈的障碍，在外应力的作用下取向最有利的晶粒的位错源首先 开动，位错源发出的位错滑移到晶界并在晶界前塞积起来。当塞积顶端产生的应力集 中达到相邻晶粒位错源开动的临界应力tc 时变形扩展。 根据塞积群施加在障碍上的力： f 。” 1 - 1 此临界应力为： t 。耵 1 2 其中n 是塞积群的位错数目。 假定塞积群长度为晶粒直径的一半，即： l = d 2 1 3 l 2 矗“警 1 - 4 将式子1 - 2 ，1 - 3 与1 4 联立：整理得： f = f + 七d 1 5 其中：七2 2 口t d d = i 高 6 j 阴人学硕十学付论文 h z l l1 4 a 台金时效过程研究 这就是著名的h a l l p e t e h 公式，它表明晶粒直径越小，屈服强度越高。该公式已经得到 了大量实验结果的证明瞄删。 另外，根据哈克涅斯( h a r k n e s s ) 和赫伦o h e n ) 提出的相界面积增加而产生的强 化。他们认为位错切过第二相颗粒时，使析出相与基体之间的接触面增加，外加切应 力要为所增加的相界能作功，这也构成产生强化的原因。根据功能关系一般存在如下 关系： f = 2 ( ( 孟r ( 土) 矿 1 6 此为位错切过第二相颗粒时，析出相与基体之间的接触面积增加，所引起的强化作 用。由上式可知，在缈一定时，析出颗粒越小，强化越明显。 为了得到超细晶粒可以采用以下几种方法： ( 1 ) 改变结晶过程中的凝固条件，一方面尽量增加冷却速度；另一方面调节合金的成 分以提高液体金属适应过冷的能力，使结晶从一开始就有较大的形核速率，进而取得 较小的初生晶粒组织。 ( 2 ) 进行形变处理，与此同时严格控制随后的回复和再结晶过程，以取得细小的晶粒 组织。 一 ( 3 ) 利用脱溶反应、粉末烧结和内氧化法在合金内产生细小的弥散相以限制基体晶粒 组织的大小。 ( 4 ) 通过往合金中加入适量的合金元素进行细化晶粒组织。常见的晶粒细化剂有钛、 硼、锆及稀土元素。实验证明：除了改善合金的强度和韧性外，晶粒细化还可以改善 合金的补缩能力、减小合金的热裂倾向、减小合金的针孔尺寸和数量，从而改善合金 的力学性能。 q 1 3 2 固溶强化 纯金属经过适当的合金化后，可以提高其屈服强度。如果这种作用是由于固溶元 素产生，而不是由于合金元素析出第二相粒子，也不是由于沿缺陷析出第二相等方式 产生，则称此作用为固溶强化 2 4 】。位错在固溶体合金中运动时必须克服溶质原子的应 立场，因此位错运动的阻力比纯金属大，这就是固溶强化的实质2 5 1 。固溶体中溶质原 子统计地分布在基体金属中，溶质原子溶入基体中产生原子尺寸效应、弹性模量效应 和固溶体有序化作用而导致材料强化瞄】。仿照滑移位错在其他位错应立场中运动的情 7 广嘣人学硕十学何论文h z l l l 4 h 合金时效过稃研究 形，可将溶质原子对位错运动的障碍分成两类：溶质原子的长程内应力场和位错与溶 质相遇时的短程作用力。 ( 1 ) 原子尺寸效应 由于溶质原子和溶剂原子之间的尺寸差异，在溶质原子周围晶体内会产生晶格畸 变，形成以溶质原子为中心的弹性应变场。该应变场会和位错发生弹性交互作用。溶 质原子移向位错线附近时，小于溶剂原子的溶质原子移向位锗周围的受压区域；大于 溶剂原予的溶质原子移向位错周围的受压区域，形成原子气团。位错的运动将会受到 原子气团的定扎作用，从而提高材料的强度。 ( 2 ) 弹性模量效应 固溶体中的溶质元素与基体材料的弹性模量不同时，在溶质原子周围会形成一个 半径约两倍于溶质原子的区域，此区域的弹性模量g p 与基体的弹性模量g 不同。在 产生相同的应变时，此区域与基体所需的外加应力将不同，外力所做的功也不一样。 二者之间存在一个能量差值，此能量差将对位错线产生一定的力。当g p g 时，该力 为阻力，将使通过溶质原子区域的位错受到阻碍；当g p 1 1 7 式中t 。表示化学强化的效果，y 。为比界面能，b 为位错的柏氏矢量， 为颗粒的平 均半径，r 为位错线张力，f 为体积分数。此效果对时效硬化的峰值贡献不多。 ( 2 ) 层错硬化析出相的层错能( 硒) 与基体的层错能( r ；f m ) 之间有差异，若y 。如 y 。f m ，则位错位于析出相之内，是能量上的有利位置，将位错由析出相拉出来所需的力 与r2 r 珈一有关。若基体的层错宽为w m ， 件下，临界分解切应力的增加为： 名= ( ，) ( 3 石2 f ( r ) 3 2 f b 2 ) 此项在颗粒小时起的作用不大。 析出相半径为 ，在2 w m 的条 ( 3 ) 模量硬化基体的切变模量( g ) 与析出相的切变模量( g d 不同： 9 1 - 8 j 两人学硕十学付论文h z l l l 4 a 合金时效过稃研究 , d g ：g g 。，由切变模量不同产生的硬化效果，称之为模量硬化，其关系式为： 姐9 ( r b ) ( ( r ) ( g g 儿 2 b t n ( 矿 l _ 9 ( 4 ) 共格硬化通常析出相在初期和基体保持共格，由于共格的应力应变雨产生的强 化称为共格硬化。此效果来源于共格应变场与位错应变场之间的相互作用，若不匹配 参数定义为： = 2 k p s ( 3 k p + 峋 卜1 0 艿：a p - - a i ( o 为析出相的体积模量， a a o 与a 分别为未受应变时的析出相的和基体的点阵常数，若泊松比为1 1 3 ，基体的与析 出相的模量相等，上式变为：占= 芋。此效果对临界分解切应力的贡献为： = 2 6 ( 硒) 5 ( ( ，) 归r ) 5 卜1 1 可以看出，在颗粒体积百分数伊一定时，强化作用随颗粒粗化而增加。并随错配度e 的增大而增大。 ( 5 ) 有序硬化有序共格沉淀的硬化作用是由超位错运动产生的反相畴界引起，其数 值为： = 忸f ) 2 b l 1 2 ya d b 为反相畴界能，占= 3 石2 6 f 3 2 r 。 ( 6 ) s p i n o d a l 分解硬化若s p i n o d a l 分解的调幅波的振幅为a ，波长为x ，则此分解 结构对临界切应力的贡献为： = 0 1 2 2 ( 爿叩即j ( z 6 r ) ， 1 - 1 3 式中：玎2 口面d a2 百d l a a ，为共格应变的量度，产生于成分不同而引起点阵常数的改变， y = ( c 1 + 2 c 1 ：) ( g t c 1 2 ) c l t 代表抵抗沿 方向由成分调幅而产生的点阵形变。 ( 7 ) o r o w a n 硬化这是对硬化效果贡献最大的一种机制。当位错不能通过析出相的 颗粒时，位错只能绕过它，先弯曲然后绕过，留下一围绕着颗粒的位错环，使后来位 错通过它更难。若析出相颗粒在滑移面上排列成正方形点阵，间距l s ，单位面积上的颗 粒数为m ，则： 1 0 r 阳人学硕十学伊论文 h z l l l 4 a 合金时效过群研究 厶= 吃j 此时位错绕过析出相颗粒的应力为： = 卺 在此基础上经过多次修正改进，得出 吒。= o 8 1 g b l n 掣( 工s 一2 ) 2 a ( 1 一v 、2 r o 为位错能中的内切除半径。 1 4 铝合金时效处理的方法 1 1 4 1 1 5 1 1 6 目前，工业上常用的时效处理大致可分为三类： 笫一类是峰值时效处理，从组织上分析得知，是通过析出沉淀相从而使合金具有 较高的强度； 第二类是过时效处理，是通过改变析出相的形态和晶界结构来实现耐蚀的目的； 第三类是分级时效，即峰值时效后回归处理而后再进行峰值时效处理的方法。 1 5 等温转变动力学曲线的测定方法 合金固溶处理后的相变是一个生核和长大的过程，这个过程发生的时间可用所谓 的等温转变动力学曲线描述，即转变量和转变时间的关系曲线( r r r ) 图。该曲线可 以反映相变的转变过程和转变速度。由于组织的变化往往会引起其物理性能的变化， 因此利用其物理性能的变化来研究它的组织变化是经常采用的手段。这些方法很多， 如膨胀法、磁性法、热分析法、金相法和硬度法等。 1 51 膨胀法 合金在发生固态相变时常常伴随着体积的不连续变化，从而引起热膨胀的不连续 变化。因此，分析热膨胀现象在研究相变特征方面占很重要的地位。它可用来测定合 金在不同温度下的线膨胀系数和各种相变温度。 根据线膨胀系数公式 d l t d t = al o l 一1 7 当只需要某给定范围内的平均线膨胀系数时，则是： 广眄人学硕十学位论文h z l l l 4 a 含金时效过稃研究 - - ( 鹕枷讹- f 1 ) 1 - 1 8 l 1 、b 为试样在温度t 1 、t 2 时的长度 上述情况只是在加热和冷却过程中材料不发生相变时才有效。若有相交发生，则由于 新旧两相的结构不同、比容不同，材料的体积将发生不连续变化，因而，热膨胀曲线 在相变发生的温度处形成拐点。根据此拐点比较容易地确定各种相变点。此方法可以 测出钢的过冷奥氏体转变曲线【2 9 】。但实际上靠近a i - m 9 2 s i 线的合金的膨胀系数与铝的 膨胀系数相同，富镁合金的热澎胀系数略有增大，而富硅合金的燕膨胀系数稍有降 低，但是相差都很小【3 0 】。 1 5 2 磁性法o ” 众所周知，奥氏体在任何温度下均为顺磁性，而它的转变产物如铁素体、珠光 体、贝氏体、马氏体都是铁磁性的。因此过冷奥氏体在a 2 温度以下等温或降温时，将 发生由顺磁性向铁磁性的变化。基于这种原理来测量钢的过冷奥氏体等温转变曲线的 方法，称为磁性法。利用磁性法来测量钢的等温转变曲线的仪器主要是热磁仪。 热磁仪具有强大的磁场。设磁场强度为h ，将小棒形试样顺置于磁场中，使试样 与磁场成一夹角、i ，。由于奥氏体是顺磁性的，所以不受磁场作用。当试样冷却到a 2 点 以下某个温度时，试样中的奥氏体开始转变而开始出现铁磁相。此时试样就受到一个 力矩m 的作用而开始偏转。此力矩的大小与试样的磁化强度j 成正比。随着奥氏体转 变的进行，试样中的铁磁相逐渐增多，因而试样所受的力矩也越来越大。设试样的体 积为v ，则此力矩： m = j v s i n v 1 - 1 9 试样在力矩的作用下发生偏转，从而使试样夹头的弹簧装置发生变形，使得弹簧片 中产生一个反向力矩m 来平衡试样所受的力矩m 。由此得到： m 。c v1 - 2 0 m f _ m 1 - 2 1 所以： j = c a 、f ( v h s i n v ) 1 - 2 2 因此，只要测出试样的偏转角v ，就可以知道转变的全过程。此中方法仅限于具 有磁性转变的材料。尽管磁性法尚缺乏足够的理论研究和其它方法的验证，但几年来的 广西人学硕十学位论文 h z l l1 4 a 合金时效过科研究 生产实践证明用该方法确认的处理工艺稳定性较好，产品质量能得以保证，这也进一步验 证了该方法的可行性。 1 5 3 热分析法 热分析是一种很重要的分析方法，简单的热分析方法已逐步被现代精密的热分析仪 所取代。相图可利用d t a ( 差热分析) 和d s c ( 差示扫描量热仪) 进行测定【3 2 1 。物质在升 温和降温的过程中，如果发生了物理的或化学的变化，有热量的释放和吸收，从而使 得温度变化的连续性受到破坏，进而就会改变原来的升、降温进程，并出现奇异的温 度特征，从而在温度记录曲线上有异常反殃，这称之为热效应彻。当它发生熔化或凝 固时或者发生固态相变时，都会有热效应发生。熟分析就是利用相变时的热效应来研 究它的相变过程的。此方法重点是确定热效应峰的位置，它直接影响到测定曲线的准 确性。 试样的热分析曲线，可提供试样内部转变开始温度、转变终止温度、转变速度、 转变潜热等信息。但热分析法比较适用于潜热大和转变速率快的过程，而不适于潜热 小和转变速率侵的过程，如大部分扩散型的固态相变削。 d t d t 表示试样在某一瞬间的冷却速度，d l y d t t 曲线就是试样瞬间冷却速度与时 间的关系曲线。当发生相变时，释放出的热量使冷却速度突然变慢，所以曲线急速下 降，这样d t d t t 曲线就会出现拐点，即为相交开始温度；相交结束后，冷却速度又 开始加快，所以d t d t t 曲线开始上升的点就是相变结束温度。 热分析法的测试装置主要由样杯和二次仪表组成。其中样杯一般多采用壳型，材 料为树脂砂，有时也用合脂砂或油砂。其壁厚应使之具有合适的冷却速度和足够的强 度。样杯的内尺寸大小要适当，太小则被测物质的质量过少，冷却速度快，冷却曲线 上的拐点不明显，甚至显示不出来；太大则物质的质量过多，冷却缓慢，曲线比较清 晰，但测试时间长，不能满足炉前快速检测的要求。此外，样杯所用热电偶丝的直径 一般为0 3 加5 m m ，需经严格校验，以确保测试的精度和可靠性。 154 金相法1 此方法最早用于钢的等温转变曲线的测定。金相法测定1 r r 曲线的工作原理是： 将一组试样奥氏体化后，迅速转入某一等温温度，在该温度下各试样等温不同的时 间，然后迅速淬入水中，最后进行显微组织观察。如果过冷奥氏体尚未发生等温转 变，则试样的组织为白色马氏体；如果过冷奥氏体已经开始发生分解，则分解产物为 黑色：如果已经分解完毕，那么组织中没有马氏体。由此测定各个等温温度下转变开 曲人学硕十学位论文 h z l l1 4 a 合金时效过科研究 始时间和转变终了时间。一般将奥氏体转交的体积分数为l 3 所需的时间定为转变 开始时间，而转变的体积分数为9 5 9 8 所需的时间视为转变终了时间。 1 5 5 硬度法 铸造铝合金的时效过程往往具有多阶段性，各阶段脱溶相结构有一定的区别，无 疑会反映出不同的组织特征，又由于材料的组织与硬度存在对应的关系p6 1 ，由于材料 在回火或时效过程中发生相变从而引起各阶段硬度的变化，即相变开始时硬度开始增 加，当硬度达到最大值后相变结束，之后进入过时效阶段。通过硬度的测量从而测出 该合金的时效时的c 曲线。 近年来国际上逐渐推广使用显微硬度测量法【3 7 】。根据有关文献报道【3 6 】：在同批零 件中用金相法和硬度法测量时，硬度法测量的偏差要比金相法小。显微硬度通过金相 显微镜进行硬度测试的测量与常规硬度测试相比，它具有测试负荷低( 最低为4 9x 1 0 4 n ) ，压痕尺寸小( 微米级) ，测量误差小等特点，而且加载速度、载荷保持时间自动调整，确 保加载均匀连续，可同时配合金相显微镜进行压痕测量和组织观察p 研，此外，和普通显微 硬度及常规硬度测量方法相比，显微硬度测量有其特点。一般常规显微维氏硬度( h v ) 测 量是依据以下公式计算的： i - i v = 0 1 8 9 1f d2 ( 1 ) 1 - 2 3 式中： f 为试验所加负荷，n ； d 为压痕对角线长度，m m 从而可以推导出： f = 5 2 8 8 2 h v d2 = a d2 ( 2 1 l 2 4 式中： a 为常数。即外加载荷与压痕尺寸有固定的f d2 的关系。因此，在实验中，当外加载 荷确定后，硬度值可由对应压痕尺寸的测量，通过计算机相应软件直接读数测得。 1 6 选题意义、国内外研究动态及本课题研究方向 1 6 1 选题意义 目前，节约资源和能源，使能源的利用率最高、能源消耗最低是技术发展的主要 趋势。而零部件的轻量化，特别是一些关键零部件材料的轻量化，如发动机活塞、连 1 4 j 西人学硕十学位论文h z l l l 4 a 合金时效过程研究 杆等，通过减轻自身重量来提高效率有显著作用。研究表明【3 9 】：汽车上，用铝代替 钢，l k g 铝可减轻车身重量1 5 k g 左右，丽车身重量每减轻1 k g ，可在1 6 万k m 总行 程中节省汽油1 0 l 。 随着现代工业及技术的发展，对铸造铝合金的需求量日益增大f 4 们。尤其是近年 来，各国广泛采用铝合金代替钢件。据文献报道【4 ”，2 0 0 1 年，一辆8 0 0 公斤的汽车 中，铝件就占有约2 7 5 公斤。由此可见，对铝合金的研究和应用将继续得到迅速发 展。h z l l l 4 a 合金具有优良的铸造性能，较高的比强度和韧性，以及良好的抗疲劳性 能和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、航天和军事工业中。特别是近几年来，大型或 超大型h z l l l 4 a 合金铸件应用的迅速增多【4 2 1 。通过提高铸件性能的方式来提高材料本 身的性能，而合理的热处理制度又是提高铸造铝合金性能的重要措施之一。热处理是 最终调节产品抗拉、延伸、硬度等力学性能的重要工艺【4 3 】。 等温转变曲线( ”盯曲线) 是描述不同给定温度下保持不同时间所发生的转变过 程，即转变开始时间和转交结束时间。根据t ，丌曲线可以选择适当的淬火介质