（材料加工工程专业论文）铝合金形变热处理工艺的研究.pdf

卜海大学硕士学位论文 摘要 为了寻找一种既节约能源，又能提高铝合金材料综合力学性能的方法，本文 借鉴了钢的形变热处理工艺，采用了适当的方式将铝合金的形变与热处理工艺合 而为一。并且，运用力学性能测试、扫描电镜、透射电镜和电阻仪等手段，研究 了固溶后形变热处理对材料力学性能的影响及其原理，分析了铝合金高温变形中 的温度变化，探讨了固溶中形变热处理中各形变参数对材料性能的影响及其强化 原理，可得如下结果。 对固溶后形变热处理的研究结果表明：固溶后形变热处理不仅能够提高 6 0 8 2 铝合金的抗拉强度和硬度，而且，随着变形量的增加材料到达时效硬化峰 值的时间不断缩短，出现过时效的时间也不断缩短；同时，形变强化在时效过程 中是没有明显衰减的，但由于固溶后的冷变形会造成材料中的强化相的析出有先 后，从而导致强化相没有在同一时刻达到其对强度和硬度贡献的最大值，最终使 得同浴后的冷变形削弱了材料的时效强化效果；通过对扩散激活能的分析，可以 看出经过x 变形的a l m g s i 系铝合金时效强化过程中强化相m g ：s i 的析出扩 f 散激活能q 。= q 。+ r t l n 二丛( 式中，t 。q 。分别为压下量为x 时达到时效硬度 t o 峰值的时间和压下量为x 时的扩散激活能) ，由此可见，固溶后的冷变形将降 低扩散激活能。 固溶中形变热处理研究结果表明：6 0 8 2 铝合金的强度和延伸率随着压下量 的增加而上升，当压下量大于2 0 以后，材料的强度变化不大，但是延伸率进 一步提高。 模具温度对固溶中形变热处理材料性能的影响也非常显著，模具温度在5 5 0 。c - 4 0 0 。c 的范围内，形变热处理后材料的强度保持不变，延伸率也基本不变： 模具温度在4 0 0 。c 一2 0 0 的范围内，经过形变热处理后的材料强度下降的非常 快，但延伸率变化不大；模具温度在2 0 0 。c 1 0 0 。c 范围内，经固溶中形变热处 理后材料强度出现了一个上升的趋势，但延伸率下降十分明显。因此，模具温度 在5 5 0 一4 0 0 内可以获得较好的综合力学性能。 上海大学硕士学位论文 固溶中形变热处理后材料的性能优于其他普通的热加工工艺的原因，经分析 后发现，主要由于其强化途径除了通常的时效强化以外，还有锻压热变形留下的 部分位错强化。 关键字：形变热处理，高温变形，时效析出，力学性能，铝合金 i i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt of i n dam e t h o dw h i c hc a nn o to n l ys a v ee n e r g y , b u ta l s oi m p r o v et h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fa ia l l o ym a t e r i a l s ，t h i sa r t i c l ed r e wf r o mt h es t e e l t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t a n db ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n g ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dr e s i s t a n c ei n s t r u m e n t ，t h ee f f e c to f a f t e r - s o l u t i o nt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 1a l l o y m a t e r i a l sh a sb e e ns t u d i e d ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g eo f a l m g s ia l l o yd u r i n g h i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c ta n dr e i n f o r c e m e n t p r i n c i p l e o ft h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r so fd u r i n g s o l u t i o nt h e r m o m e c h a n i c a l t r e a t m e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t yh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t so fa 胁r - s o l u t i o nt 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 ss h o wt h a t ： a f t e r - s o l u t i o nt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n tc a nn o to n l yi n c r e a s et h et e n s i l es t r e n g t h a n dh a r d n e s so f6 0 8 2a 1a l l o ym a t e r i a l s ，b u ta l s os h o r t e nt h ep e r i o do fr e a c h i n gt h e a g i n gh a r d n e s sp e a ka n dt h ep e r i o do fr e a c h i n go v e r a g i n g m e a n w h i l e ，t h e r ei sn o d e c r e a s eo fw o r kh a r d e n i n gi nt h ep r o c e s so fa g i n g h o w e v e rt h ee f f e c to fa g i n g r e i n f c r c e m e n ti sd e c l i n e df o rt h em a t e r i a l sw i t hc o l dd e f o r m a t i o n t h em a i nr e a s o no f t h ef a c ti st h a tt h ec o l dd e f o r m a t i o nc a u s e st h ep r e c i p i t a t i o nn o n s i m u l t a n e o u s l y , w h i c h c a u s et h a tt h e yd on o tc o n t r i b u t et h em a x i u mt oh a r d n e s sa n ds t r e n g t ha tt h es a m e t i m e ；a f t e rt h em a t e r i a l sh a v eb e e nd e f o r m e db yx t h ed i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g y q 。e q u a l st oq o + r t l n ! 丛( t mq x r e p r e s e n t t h ep e r i o dt or e a c ht h ea g i n gh a r d n e s s f i p * p e a ka n dt h ed i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g yw h e nd e f o r m i n gr a t i oi sx r e s p e c t i v e l y ) 一 t h ee q u a t i o ns h o w st h a tt h ec o l dd e f o r m a t i o na f t e rs o l u t i o nc a nr e d u c et h ed i f f u s i o n a c t i v a t i o ne n e r g y t h er e s u l t so fd u r i n g s o l u t i o nt 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 ss h o w t h a t ：t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f6 0 8 2a ia l l o yw i l li n c r e a s ew i t ht h er i s eo f d e f o r m a t i o nr a t i o w h e nt h ed e f o r m a t i o ni sa b o v e2 0 ，t h et e n s i l es t r e n g t hw i l l i i i 上海大学硕士学位论文 c h a n g es l i g h t l y , b u tt h ee l o n g a t i o nw i l li n c r e a s ec o n t i n u o u s l y t h et e m p e r a t u r eo fm o u l dh a sag r e a te f f e c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l w h e nt h ed i et e m p e r a t u r ei sb e t w e e n5 5 0a n d4 0 0 。c ，t h es t r e n g t ha n dt h e e l o n g a t i o no fm a t e r i a la f t e rt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n ta r eu n c h a n g e d ；i nt h er a n g e o f 4 0 0 。ca n d2 0 0 。c ，t h es t r e n g t hw i l ld e c l i n es h a r p l y ，a n dt h ee l o n g a t i o nw i l lc h a n g e s l i g h t l y ；d u r i n gt h er a n g eo f2 0 0 。ca n d1 0 0 。c ，t h es t r e n g t hw i l ls h o war i s ea n dt h e e l o n g a t i o nw i l ld e c l i n ec l e a r l y t h e r e f o r e ，t h em o u l dt e m p e r a t u r eb e t w e e n5 5 0 4 0 0 i ss u i t a b l e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa ia l l o yw h i c he x p e r i e n c e dt h ed u r i n g s o l u 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 r eb e t t e rt h a nt h o s eo fo t h e rh o td e f o r m i n gm e t h o d s t h em a i nr e a s o ni st h a tt h er e i n f o r c e m e n tt h e o r yo ft h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n ti st h e d i s l o c a t i o nl e f tb yh o td e f o r m a t i o nb e s i d e sa g i n gr e i n f o r c e m e n t k e yw o r d s ：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 td e f o r m a t i o n ，a g i n gp r e c i p i t a t i o n ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a ia l l o y 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 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) 期：边! ! ! ：堕 l 海大学碳士学位| 仑文 第一章绪论 形变热处理是将塑性变形的形变强化与热处理的相变强化相结合，使成 形工艺与获得最终性能统一起来的一种综合的方法1 2 1 。它不但能够获得一 般加工处理达不到的高强度与高塑性( 韧性) 的良好配合，而且可以减化零件 的生产流程，降低成本，带来相当的经济效益，因而在世界各国受到普遍重 视，得到较快的发展口1 。 1 1 形变热处理发展概述 广义的形变热处理，即任何将压力加工与热处理紧密结合起来，同时达 到成形与强化双重目的的综合工艺，这种工艺早就被人们所认识并且相当广 泛地加以利用。很早以前，当人类开始使用铁器之后的一段时间里，便发明 了利用锻造的方法通过氧化精炼使生铁脱碳成钢，并制成各种刀具。宋朝沈 括所著的梦溪笔谈中说：“取精铁锻之百余火，每锻称之，一锻一轻， 至累锻而斤两不减，则纯钢也。”后来，人们又发现，锻造而成的钢制刀具， 不经淬火，强度及耐磨性是不高的。1 6 3 7 年明代祟祯十年，科学家宋应星写 出的天工开物一书中提到：“凡熟铁钢铁，已经炉锤，水火未济，其质 未坚。乘其出火之时，入清水淬之，名日健钢、健铁。言乎未健之时，为钢 为铁，弱性尤存也。”由此看来，最早的热处理工艺是与锻造过程紧密结合 起来的。这实际上就是现在所谓的锻热淬火工艺，也就是形变热处理工艺中 的一种。但是由于当时技术水平限制，对这种工艺的本质没有足够的了解， 所以在很长一段时间内，形变热处理的发展受到了限制。直到本世纪五十年 代，国外有关学者美国人利普斯、范崔冷等开始对这一工艺作了系统的研究。 自六十年代初期，我国也投入了巨大的精力研究这项技术。如今，形变热处 理在钢中的运用已经十分广泛，例如，汽车转向节余热淬火，既降低成本， 又改善组织结构，尤其是提高了冲击韧性，对汽车安全件意义重大【4 1 ；再如， 经过形变热处理后的超细晶粒钢丝，具有细小的回火屈氏体与下贝氏体多相 组织，晶粒度为l o 1 3 级，并且具有超高强度和良好塑性，以及良好的表 上海大学硕十学位论文 面质量【”。 1 2 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 1 v l n m 2 。 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 方面不及前面的一种，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 。c 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 | 二海大学硕士学位论文 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理 6 】o 1 3 铝合金形变热处理的分类 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少见。 铝合金的热处理一般分为固溶和时效两个部分，按照形变发生在铝合金 热处理中的时间顺序，可以将其大致分为以下三类： ( 1 ) 固溶前形变热处理 形变发生于热处理前，其主要目的是为了细化晶粒，从而获得比较好的 超塑性能。但是如果当合金的热稳定性不高时，在形变热处理过程中某些晶 粒就易于长大，所以其应用范围有一定局限性【7 】。 ( 2 ) 固溶中形变热处理 形变发生在固溶处理中，也有人因为它一般在高温时发生形变，而将其 称为高温形变热处理。这种形变热处理可以看作将变形( 例如：锻造) 与热 处理合而为一的一种工艺，以达到简化工序，降低成本，同时改善合金的力 学性能的目的，工业上有较大的发展潜力，同时这也是目前研究比较少的一 种铝合金形变热处理的工艺。 ( 3 ) 固溶后形变热处理 形变发生在固溶后，时效前。由于一般为低温变形( 也有少部分为温变 形) ，所以也有人将其称为低温形变热处理，或者也称为最终形变热处理。 这种方法除了可以提高硬度和强度外，对材料的疲劳性能也会有所提高。 1 。4 铝合金形变热处理的具体工艺 1 4 1 固溶前形变热处理 发生了冷变形的金属在加热时，随着温度的升高，由于原子的扩散能力 上海大学硕士学位论文 增强，在晶体内部储存能的驱动下，将发生一系列组织变化：回复，再结晶， 晶粒长大粗化。 一般工艺为冷变形加上随后的热处理，或者冷变形加上再结晶过程，可 获得均匀细小的晶粒8 ，9 1 。固溶前形变热处理主要是为了获得细小晶粒。同时， 也有另一种方法可以获得同样的效果：固溶处理+ 过时效处理+ 温轧+ 再结 晶处理【1 0 】。这种方法也能使得材料获得比较优异的超塑性能。 1 4 2 固溶中形变热处理 t 一般有以下几种方法可以实现： 霞 t t 广n 厂t 芽嗣 矿_ 、 甜卜 !。 6 7 l ：淬火加热与保温2 ：压力加工3 ：冷至变形温度4 ：快冷 5 ：重新淬火加热短时保温6 ：淬火加热温度范围7 ：塑性区 进行固溶中形变热处理必须要求所得到的组织满足三个基本条件 4 卜海大学硕士学位论文 ( 1 ) 热变形终了的组织未再结晶( 无动态再结晶) ( 2 ) 热变形后没有出现再结晶( 无静态再结晶) ( 3 ) 固溶体必须是过饱和的 若前两个条件无法满足而发生了再结晶，则固溶中形变热处理的形变强 化效果就很难保证：第三个条件是为了进一步保证形变热处理中时效强化的 效果。 1 4 3 固溶后形变热处理 对于固溶后形变热处理国内外发表的研究文章比较多，一般用以下三种方式 来实现： ( 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 1 5 国内外研究进展 1 5 1 固溶前形变热处理 对于可热处理强化的a 1 合金只有通过再结晶才能使晶粒细化，对于不 可热处理强化的a 1 台金，也同样可以通过再结晶进行晶粒细化。 高强度7 4 7 5 铝合金经过固溶前形变热处理后，晶粒平均尺寸可以细化 到1 0 u m ，同时具有优良的超塑性能【1 1 1 。7 4 7 5 比较优化的应变速率为 5 1 0 。4 s ，温度为5 1 5 。c t ”】。为了自然时效后防止冷轧裂纹，中间热处理冷 却必须采用炉冷，冷却速度为2 5 ，j 、时以下。同时，再结晶的升温速度越快， 会得到越细小的晶粒。 1 4 2 0 a l m g l i z r 合金采用了形变热处理制度后，可获得细小等轴 的再结晶晶粒，平均晶粒度8 1 0 u r n 。人工时效使合金析出大量弥散细小的 第二相质点。过时效析出相主要是大颗粒m 9 2 a 1 3 、l i m g a l 2 和小颗粒的 z r a l 3 【1 。第二相粒子增加了材料在超塑性变形时晶粒尺寸的稳定性，阻碍高 一t - 海大学硕士学位论文 温塑性变形的动态再结晶和晶粒氏大。并确定了最佳的超塑变形条件，在温 度4 8 5 。c ，初始应变速率8 3 3 1 0 。4 s ，其延伸率为9 5 0 。这是目前1 4 2 0 铝合金的最佳超塑性质。 2 0 2 4 室温变形3 5 后进行4 9 5 x 3 0 m i n 再结晶处理可基本消除纤维组 织，获得均匀细小的等轴晶8 1 。 l c 9 铝合金在经过了形变热处理后，显微组织由粗大的柱状晶粒转变成 为了1 0 u m 左右的近等轴晶粒，同时，超塑性拉伸伸氏率由1 0 0 增加到了 5 8 0 1 ”。 a 1 一l i 合金用普通直接热处理后，其组织粗大，保持形变织构特征，其 中第二相粒子细化的程度与分布的均匀性也较差，从而严重影响性能；采用 冷轧2 6 一再结晶一淬火一时效工艺后，可获得( 1 1 1 ) 为主的再结晶纤维 织构，显微组织充分细化，第二相粒子的分布更为均匀；冷轧变形为再结晶 创造了晶体学条件，提供了能量基础和组织条件，是改善组织织构的基本机 s jr 忆 在l d 5 铝合金材料上的试验表明，形变热处理会导致晶粒内部出现大量 的滑移带，并伴有新的亚晶结构及大量的结构缺陷，为再结晶作能量的储备。 再结晶后可形成细小而又均匀的新晶粒，同时呈现出了等轴状态。通过控制 保温时间，既可获得细小，均匀等轴锻造组织，又可以提高材料塑性，降低 变形抗力m 。 在7 0 7 5 合金中的研究发现，冷变形能够促进再结晶形核率，从而获得 更细的组织。 1 5 2 固溶中形变热处理 铝合金固溶中形变热处理的实际研究的文献并不多见，主要在于一些理 论的说明。 ( 1 ) 固溶温度的影响 要有一定的固溶温度才能使合金元素完全溶入，从而使其在时效过 程中析出强化相。试验表明，6 0 6 6 铝合金固溶温度从5 l o 提高到 5 3 0 。c 时，强度也会随之升高，显然合金元素是否固溶充分，起到了很大 l 海大学硕士学位论文 的作用19 1 。 同时，固溶温度也不宜过高。据试验表明，2 a 1 4 在4 9 5 固溶可获 得较高的强化效果；当温度为5 1 0 。c 时，强度达到最大值：超过此温度， 晶界开始熔化。因此，在保证合金充分固溶的前提下，尽量选择低的固 溶温度。 ( 2 )固溶保温时间影响 如采用变形后再经过短时间保温的方法，则固溶处理保温时间对再 结晶晶粒粗化有重要的影响，固溶时间越长，再结晶组织的粗大化便会 越严重。 对于1 4 2 0 铝合金，选择3 0 m i n 的固溶保温时间既可克服较长固溶时 间所带来的再结晶组织粗大，晶界变宽等问题，又弥补了锻造后直接淬 火所造成的由于锂，镁元素固溶量有限而导致的析出相不足的问题，因 而获得了较高的强度和延伸率2 ”。 ( 3 ) 变形温度的影响 有人认为，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。因而提高变形温度对高温形变热处理有利2 1 。同时，也 有人认为变形温度高了，会使得回复和再结晶的进行都相当容易，从而 无法保证良好的力学性能【6 。 因此，到目前为之对于变形温度没有一个具体的定论。 ( 4 ) 变形速度 一般情况下，形变速度越快，一方面位错之间的运动过程越难进行， 影响动态回复中的亚晶强化的形成，另一方面形变会产生内热，从而促 进再结晶的发生。但是速度更大时，会缩短整个变形的时间，使得由于 动态回复再结晶而产生的去强化来不及进行，强度反而有所提高，同时 塑性下降 6 1 。 ( 5 ) 变形量的影响 随着变形量的增加，形变强化增强，但同时变形量增加也容易发生 再结晶，从而产生再结晶弱化。 海大学硕士学位论文 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 高温形变热处理可能会有不利的影响f 2 】。 ( 6 ) 时效温度及时间 由于经过了热变形，材料内部可能会存在位错等缺陷。这些缺陷密 度的增加，可能会使得时效峰提前出现，或原先适宜的时效温度出现过 时效的情况，而无法使材料性能方面的潜能全部发挥出来。 1 5 3 固溶后形变热处理 ( 1 ) 力学性能 经过固溶后形变热处理的材料其强度比单纯固溶+ 时效的要好。 由于溶质原子的分布和状态发生了变化，沉淀析出过程和形变位错运动 过程交互影响，对铝合金的力学性能产生了很大的影响，最终材料的强 度极限可提高2 0 以上【2 2 ，2 ”。对于a i m g s i 系的铝合金在1 5 变形时， 时效峰值的强度可以上升3 3 【2 4 。 ( 2 ) 停放时间的影响 停放时间也称预时效i t 寸1 日7 。即从淬火后到冷变形前板材在室温下停 放的时间。这也是一个重要的参数。在此期间溶质原子沿基体一定晶面 偏聚形成g p 区，当g p 区达到一定尺寸后，可以成为随后时效沉淀相 的核心。 2 0 2 4 合金板材淬火后室温停放时间( 预时效时间) 越长，g p 区的 密度越大，人工时效后的强度越高。停放6 1 0 h 的试样的时效强度最大， 并且在6 1 0 h 的范围内，时效强度无大的变化。 2 0 2 4 合金抗拉强度、屈服强度均随预时效时间的增加而提高，伸长 率却下降。较好的预时效时间为4 1 0 小时。 l d 3 1 合金，淬火与人工时效之间的停留不超过l h ，否则对性能有 损害( 尤其屈服强度) 2 7 】。 ( 3 ) 冷变形量的影响 淬火后的冷变形对g p 区的形核和长大，存在一个促进的作用。冷 变形对人工时效期间形成的过渡相有强烈地促进作用，可加快强化相的 上海大学硕士学位沦文 形成速度。 随变形量的增加，材料的起始硬度提高，时效峰值时间提前，但到 达峰值时效后硬度下降较快。低温形变使合金中形成较多的位错网络， 使脱溶相形核更广泛和均匀，有利于合金强度的提高。合金淬火后，经 过冷变形再加热到时效温度以后，脱溶与回复过程同时发生，脱溶过程 囚冷变形而加速，脱溶相质点更加弥散。同时，脱溶质点也阻碍位错的 多边化等回复过程，脱溶相的分布与密度也因位错的分布与密度的变化 而变化。冷变形使合金产生大量的位错塞积与缠结，有利于溶质原子的 聚集和强化相的形核和析出，使得时效过程加速，所以时效峰值时间提 前出现 1 9 1 。 ( 4 ) 冷变形对时效过程的影响 有研究显示，经过固溶后形变热处理的a l m g s i 系合金的时效 过程与未经过变形的合金的时效过程相同，在时效过程中硬度的增加速 度要比不经过形变的快，在不同的时效温度下合金达到最大硬度的时效 时间都比没有经过形变的合金达到最大硬度的短，在相同的变形量下， 随时效温度的提高时效峰值时间提前，且时效温度越高，达到峰值的时 间越短。在1 7 5 。c 时效时，经过变形的合金时效峰值时间提前到3 小时， 而未变形的合金为8 小时。 ( 5 ) 回复时间及温度的影响 如在冷变形后加上回复的过程，则经过研究表明，固溶处理水淬并 冷变形的2 0 1 4 合金，经过稍高温度短时间的回复处理后，虽然可获得尺 寸细小的亚晶组织，但同时引起析出相粗化，导致时效强化能力的显著 降低。 ( 6 ) 变形对析出相的影响 研究表明，固溶水淬后，冷轧变形对2 0 1 4 合金的基体析出相尺寸和 数最影响不大，但变形产生的非均匀分布的剪切带为析出相提供了优先 形核长大的位置【2 8 】。 上海大学硕士学位论文 1 6 本文的研究内容及意义 随着世界油价的不断上涨，人们对于汽车轻量化的呼声也越来越高。在汽车 零件生产中，采用铝合金件来代替钢件也逐渐成为汽车轻量化切实可行的办法。 在这方面，与国外的汽车零部件加工相比，在技术上我们还存在着很大的差距和 发展的空间。 在本课题组前期研究中，已经对铸造+ 锻造+ 热处理的热加工工艺进行了详 尽的研究，并对参数进行了优化，寻找到了对铝合金热加工切实可行的方法。但 在锻造和热处理的固溶阶段需要两次将材料加热到较高的温度，这对能源是一种 浪费。于是，便想到了能否将这两个需要升温的过程融合在一起。因此，借鉴钢 的形变热处理的思路，提出了铝合金的形变热处理工艺。 本文将把在钢中常用的形变热处理的方法运用到铝合金零件的生产中来，希 望将成形与热处理工艺合而为一，这不仅能够大大降低成品生产中的能耗，同时 也能提高材料的力学性能。文章主要研究固溶中与固溶后形变热处理，尤其对于 国内外报道较少的固溶中形变热处理的研究，将为铝合金汽车零部件的生产提供 一个新型节能的好方法。 o 上海大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章试验方法 当今世界汽车工业材料技术的发展主题是轻量化、高性能、安全和环保节能。 由于汽车轻量化要求，铝合金正在某些领域逐步取代钢，成为生产汽车零件的主 要材料之一。6 0 0 0 系列铝台金由于其具有优良的耐蚀性，成形性，可焊性等物 理和化学性能，而具有很大的应用前景 2 9 , 3 0 。 6 0 0 0 系合金的主要元素是镁和硅，在时效过程中形成m 9 2 s i 相。若含有一 定量的铬与锰，可以中和铁的坏作用；有时还添加少量的铜或锌，以提高合金的 强度，而又不使其抗蚀性有明显降低。在m 9 2 s i 中，m g s i 为1 7 3 ，而实际上， 大部分合金不是含有过剩的镁，就是含有过剩的硅。当镁含量过剩时，合金的抗 蚀性好，但强度与成形性能较低；当硅过剩时，合金的强度高，但焊接性能较低， 抗晶界腐蚀倾向稍好。 6 0 0 0 系列合金的人工时效机理为：形成g p 区 针状m 9 2 s i 非平衡相 + 棒状m 9 2 s i 非平衡相m 9 2 s i 平衡相。 本文的实验材料选用了在工业生产中运用较多的6 0 8 2 铝合金。 固溶中形变热处理的原始材料是经过连铸成形的6 0 8 2 铝合金。其化学成分 如表2 1 ： 表2 16 0 8 2 铝合金化学成分( 质量分数，) t a b l e 2 - - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 6 0 8 2a l l o y ( w t ) 固溶后形变热处理的原始材料是连铸后经过挤压成形的6 0 8 2 铝合金，其化 学成分如表2 - - 2 ： 卜海大学硕上学位论文 表2 - - 2 6 0 8 2 铝合金化学成分( 质量分数，) t a b l e 2 - - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 6 0 8 2 a l l o y ( w t ) 2 2 实验设备 压缩变形设备：c m t 5 3 0 5 型微电子控制万能试验机，插有电热棒可加热的 加压模具； 机 热处理设备：盐浴炉，烘箱，镍铬镍硅热电偶，电位差计 性能测试设备：h b - - 3 0 0 0 型布氏硬度机，c m t 5 3 0 5 型微电子控制万能试验 微观分析设备：s 一5 7 0 型扫描电镜( 日本h i t a c h i 公司生产) ，j e m 2 0 0 c x 透射电镜，电阻仪； 测温设备：红外线测温仪( 测量模具温度) ，数显热电偶测温仪( 测量试样 温度) 。 2 3 实验工艺 2 3 1 固溶中形变热处理工艺流程 上晦大学硕士学位论文 2 3 2 固溶后形变热处理工艺流程 2 3 3 具体工艺 1 固溶： 采用温度较为均匀的硝盐盐浴进行固溶处理，固溶温度5 4 0 。c 2 。c ，保温 4 5 m i n ，用电位差计进行温度的校准。 淬火转移时间小于1 0 s ，淬火介质为冷水，试样放入水中后不停搅拌，使其 迅速冷却。 2 时效 采用带有风扇的烘箱，时效温度为1 7 0 。c 2 。 时效结束后，取出试样水冷。 3 变形 固溶中形变热处理的变形为热变形，采用压缩变形。压缩变形的试样尺寸为 1 0 0 m m x1 2 m m 1 8 r a m 。 固溶后形变热处理的变形为冷变形，采用压缩变形或均匀拉伸变形。试样形 状为中2 m m 2 0 r a m 。 2 4 组织和性能测试 2 4 1 硬度测试 将试样上下表面磨到互相平行后，在h b - - 3 0 0 0 型布氏硬度机上进行硬度测 试。测试三次，取平均值。 上海大学碗士学位论文 2 4 2 拉伸性能测试 按照g b 6 3 9 7 - - 8 6 制成巾6 m m 短拉伸试棒。在c m t 5 3 0 5 型微电子控制万能 试验机上进行拉伸实验，测得抗拉强度和延伸率。拉伸速率为2 m m s 。拉伸试样 如图2 1 所示。 2 4 3 扫描电镜测试 图2 - 1 拉伸试样示意图 采用s e m 主要对拉伸试样的断口形貌进行分析。锯下高约为5 m m 的断口 放八超声波容器中清洗后，用s 一5 7 0 型扫描电镜进行观察。 2 4 4 透射电镜测试 采用t e m 主要对强化相m 9 2 s i 的大小和形貌进行观察。将透镜试样机械减 薄到3 0 - - 6 0 u m ，再用双喷电解法进行化学减薄，直至出现薄区。 2 5 实验设想 ( 1 ) 固溶后形变热处理的研究主要对冷变形量与性能的关系，冷变形量 与时效峰的关系进行讨论。 ( 2 ) 固溶后形变热处理机理的探讨主要研究冷变形对硬度的影响，以及 其在时效过程中衰减的情况，并且运用t e m 、电阻和一些力学试验分析冷变形 对于时效析出的影响，同时还就变形对扩散激活能和热力学的影响进行了一定的 讨论。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 热变形温度场的测量主要希望借此能够得到在热变形的过程中试样 各个部位的温度场分布的情况，同时也希望得到适合固溶中形变热处理的一些温 度的参数。 ( 4 ) 固溶中形变热处理的研究比较铸+ 热处理、铸+ 锻+ 热处理和铸+ 形变热处理的优缺点，并对变形量和模具温度对形变热处理试样的力学性能的影 响进行了研究，也简单的分析了固溶中形变热处理强度和延伸率提高的原因和机 碑。 上海大学硕士学位论文 第三章固溶后形变热处理对性能的影响 3 1 引言 固溶后，时效前发生冷变形所产生的位错，会在随后的时效过程中保留下来， 并且对时效峰值和时效速度产生较大的影响，同时，位错的引入也会使得强度和 硬度出现明显的提高1 9 , 2 3 , 2 4 , 3 1 , 3 2 。 铝合金固溶后形变热处理的研究是铝合金形变热处理的多种方法中开展较 早，相对也是运用较多的一种方法。但就目前的研究状况来看，对于6 0 8 2 铝合 金，这一在实际汽车零部件生产中运用较多的材料报道较少。同时，针对固溶后 形变热处理的强化机理的研究也不多见，尤其是将形变强化和时效强化分开来研 究的更为罕见。 本章节将通过不同的变形量和变形方式来考察固溶后形变热处理对6 0 8 2 铝 合金力学性能和时效峰的影响，具体的强化机理分析将在随后的第四章中详细讨 论。 3 2 实验步骤 实验包括对时效硬度峰和强度峰两个方面的测定。 在时效硬度峰测定中，采用压缩变形，压下量为o 、1 0 、3 0 、5 0 ； 在时效强度峰的测定中，根据实际情况，冷变形方式采用均匀拉伸的变形方式， 并保证材料的变形在塑性变形区内，而且不发生屈服和颈缩现象。为了使实验效 果比较明显，选用了材料所能承受的最大均匀拉伸变形量1 5 。 具体实验方法如表3 1 。 上海大学硕士学位论文 3 3 锻压变形等效模拟 考虑到在锻压过程中，材料各个部位的等效应变，并非与压下量完全一致， 因此用s u p e r f o r g e 软件对工件进行了锻压过程的模拟。 图3 1 为等效模拟压下量5 0 的示意图，图3 2 为1 0 、3 0 、5 0 压 下量的结果示意图。 图3 一l5 0 压下量的等效应变模拟示意图 上海大学硕士学位论文 图3 - - 2 1 0 ( a ) ，3 0 ( b ) 和5 0 ( c ) l - 玉下量的等效应变模拟结果图 8 上海大学硕士学位论文 从锻压过程模拟的结果来看，可以得出： 5 0 压下量的试样硬度测试处的等效应变为5 5 ；3 0 压下量的试样硬度 测试处的等效应变为3 3 ；1 0 压下量的试样硬度测试处等效应变为1 0 。 3 4 实验结果与分析 将不同时效时间后测得的硬度值和强度值，绘制成曲线。 图3 - - 3 为试样的硬度值与时效时间的关系。图3 - - 4 为试样的抗拉强度与时 效时间的关系。图中的锻压变形的变形量采用模拟所得到的等效应变。 王 一 趔 魁 g 时效时间( h ) 图3 3 不同变形量的试样硬度值与时效时闻的关系 j 二海大学硕士学位论文 0 口 茎 、， 创 鼎 捌 蜒 时效时间( h ) 图3 - - 4 变形1 5 与未变形的试样强度值与时效时间的关系 从图3 3 可以看出，随着变形量的增加，试样的时效硬度出现峰值的时间 提前，等效变形5 5 、3 3 、1 0 、0 后达到时效峰值的时间分别为l h ，2 h ， 3 h 和4 h ；同样，从图3 4 中也可以看出，拉伸变形1 5 的试样的抗拉强度出 现峰值的时间比未变形的试样提前2 h 左右。 时效峰的提前是由于，冷变形形成了位错，从而造成了位错密度的增加，而 位错为原子的扩散提供了快速通道，加速了脱溶相的析出，原子扩散速度的加快 最终使得g p 区形成的速度加快口j 。同时，另一方面，位错密度的增加还为过渡 相的形成提供了更多的形核地点，形核数目随之不断增加，从而使得时效峰提前。 此外，从硬度和抗拉强度与时效时间之间的关系也反映出，变形量的增加导 致了提前出现过时效的情况，即硬度和抗拉强度达到了峰值后，下降速度加快。 图3 3 中，等效变形5 5 的试样到了- , b 时的峰值后，硬度迅速下降，而未变 形的试样，在时效7 小时时还基本保持在峰值的状态：图3 4 也基本反映出这 一特点，经过1 5 拉伸变形的试样，时效2 h 到达峰值，然后强度值开始迅速下 降，而未经过变形的试样时效4 h 到达峰值，并且7 小时仍基本保持峰值强度。 过时效的提前出现是由于变形增加了位错等晶体缺陷，从而使得扩散速度加 快，强化相的长大也随之加快。在变形条件下，由于存在形变储存能，这将极大 地影响晶粒长大的驱动力。据资料介绍，形变储存能造成的晶界运动的驱动力比 季如枷鼬蓦|铷蓦脚细册卸珊 i ：海大学硕士学位论文 界面曲率造成的驱动力要大将近两个数量级。所以这将是一个动态的奥斯瓦得熟 化过程。1 3 3 , 3 4 1 从图3 3 中也可以看出，随着变形量的减小，峰值硬度也逐步减小，趋向 于未经过变形的峰值硬度。这主要原因在于，变形量的减小，减弱了加工硬化的 效果。 图3 3 中还可以发现，从试样经过时效所能增加最多的硬度( 即固溶后的 硬度与时效峰值硬度的差) 来看，经过变形的试样要小于未经过变形的试样，并 且随着变形量的增加，这个差值也逐步减小。图3 4 的强度也呈现出这样的情 况，拉伸变形1 5 的试样经过时效增加的强度要小于未经过变形的试样。 通常认为，形变热处理的强化由时效强化和形变强化两部分组成。变形试样 在时效过程中增加的那部分硬度低于未经过变形试样在时效过程中增加的硬度， 究竟是由于形变硬化在时效过程中衰减而造成的，还是形变对时效过程的影响而 造成的，这将牵涉到固溶后形变热处理的强化机理，这部分将会在第四章中作进 一步讨论。 3 。5 固溶后变形和时效后变形对硬度影响的比较 冷变形强化对同一种材料不同状态的影响是不尽相同的。为了考察冷变形强 化对6 0 8 2 铝合金固溶态和时效态的影响，设计了如下实验。 3 5 1 实验步骤 表3 2 实验方法 实验名称处理工艺 固溶硬度将试样放入盐浴中5 4 0 固溶，保温4 5 m i n 后立即水冷 固溶+ 变形硬度 将试样放入盐浴中5 4 0 。c 固溶，保温4 5 m i n 后立即水冷，随 即进行压下量5 0 的