（材料学专业论文）热处理工艺对新型6xxx系铝合金组织与性能的影响.pdf

中南大学 r c n t r r l5 1 3 u t h 州i v e 踞i t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 摘要 摘要 研究了3 种添加微量元素的a i m g s i 合金，并与6 0 8 2 合金对比。 利用电子万能拉伸实验机、光学显微镜、x 射线衍射仪、扫描电镜和 透射电镜对合金力学性能、组织特征进行了分析；优化出一种相对于 传统6 0 8 2 铝合金型材在保持强度不变的情况下提高延伸率的 a 1 m g s i c u 合金( 3 号合金) ，人工时效态抗拉强度。它3 10 m p a ，延 伸率为赴1 5 ；深入研究了热处理工艺对3 号合金组织与力学性能的 影响，优化了热处理制度，从理论上进行了分析和讨论。并通过电解 腐蚀、盐雾腐蚀实验，研究了合金不同状态的腐蚀行为。主要研究结 果如下： 1 实验室优化出a 1 0 4 m g 一0 4 5 s i 1 0 c u 合金有较大固溶温度范 围，在5 2 0 5 8 0 之间，保温4 0 m i n 固溶较为合理，合金过烧敏感温 度为6 2 0 ，s e m 观察和能谱分析表明合金经5 2 0 x 4 0 m i n 固溶处 理后仍有部分较粗大的a - a 1 1 5 ( f e m n ) 3 s i 2 和针状p a 1 9 f e s i 第二相粒 子，及残余的m 9 2 s i 相。 2 合金自然时效7 2 h 硬度值趋于稳定，自然时效状态( 稳定值) 抗拉强度为2 7 7 m p a ，屈服强度为1 4 5 m p a ，伸长率为2 8 6 。 3 经试验确定合金最佳时效制度为：水淬无延迟+ 1 6 5 。c 时效 1 0 h ，对应的，o o 2 及6 分别为3 3 1 m p a ，2 4 3 m p a ，1 7 1 。合金t 6 态断裂类型属于韧性断裂，与6 0 8 2 合金相比综合性能得到改善，具 有工业化应用前景。 4 合金对淬火后停放时间不敏感，淬火后停放5 h 之内强度变化 不明显，适合大多数工厂生产工艺制度。 5 耐腐蚀性能与6 0 8 2 铝合金相当，合金经淬火停放后腐蚀深度 较无淬火停放深。合金人工时效后经7 2 h 盐雾腐蚀的腐蚀深度约为 6 2 2 斗m ，部分较大尺寸第二相粒子出现脱落。 关键词：a 1 m g s i 。c u 合金；热处理；显微组织；力学i k ，土q - 刍丹匕b ；腐蚀 性能 幸南大学 蕾n t ；只lf i o d t i - 1w x v e r m t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 a b s t r a c t t h r e ek i n d so fa i - - m g - s ia l l o yw i t ht r a c ee l e m e n t sa d d i n gw e r e s t u d i e d t h em i c r o s t r u c t u r e s ，f r a c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e a l l o yw e r ea n a l y z e dw i t ho p t i c a lm i c r o s c o p e ，x - r a yd i f f r a c t i o n ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n de l e c t r o n i c t e s t i n g m a c h i n e as o r to f a 1 m g - s i - c u s e r i e a l l o yw i t he q u a ls t r e n g t h a n dh i g h e re l o n g a t i o n c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a l6 0 8 2a l l o yw a so p t i m i z e d o nt 6 ，t h e3 开 a l l o yh a sam a x i m a l t e n s i l es t r e n g t h ( o b ) b e y o n d310 m p a ，a n de l o n g a t i o n r a t i o ( 6 ) b e y o n d15 t h ea f f e c to fs o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，s o l u t i o nt i m e ， d e l a ya g i n gt i m ea n da r t i f i c i a la g i n gf o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e a l l o yw e r es t u d i e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d ；t h ec o r r o s i o n m 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 ts t a t e sw e r es t u d i e db y e l e c t r o l y t i c c o r r o s i o na n ds a l t s p r a yc o r r o s i o n t h e c o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a 1 - 0 4 m g - 0 4 5 s i - 1 0 c ua l u m i n u ma l l o yh a saw i d er a n g eo f s o l u t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p e rs o l u t i o nt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n 5 2 0 - 5 8 0 。c t h ep r o p e rs o l u t i o np r o c e s si ss o l u t i o nt r e a t e db e t w e e n 5 2 0 5 8 0 f o r4 0m i n s e mo b s e r v a t i o ns h o w st h a ta f t e rs o l u t i o n t r e a t e da t5 2 0 f o r4 0m i n r e s i d u a lp a r t i c l e si nt h em a t r i xa r eb i g g e r 0 【一a l i s ( f e m n ) 3 s i 2a n dp 一甜乒e 瓯a n d s m a l l e rm s i 2 t h eb e s tn a t u r a la g i n gt i m eo ft h ea l l o yi s7 2h o u r s o nt 4t h e t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no ft h e 3 开a l l o y a r e2 7 7 m p aa n d 2 8 6 ( s t a b l ev a l u e ) 3 t h eb e s ta r t i f i c i a la g i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ：1 6 5 。c 1 0 h t h e c o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ：a be q u a l 3 31m p a ，o r 0 2e q u a l 2 4 3 m p a ，8 e q u a l17 1 n o to n l yd i di th a v er e a c h e dt h er e q u i r e dt a r g e t b u ta l s oh a dp e r f e c tf e a s i b i l i t y 4 s t a yt i m eo nt h eq u e n c h e da l l o yi sn o ts e n s i t i v e i t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sc h a n g eal i t t l e i n5h o u r so ft h ed e l a ya g i n gt i m e ，w h i c h a d a p t e d t h ei n d u s t r yp r o c e s sp a r a m e t e rv e r yw e l l 5 i th a sg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h ea r t i f i c i a la g e da l l o ya f t e r7 2 h s a l ts p r a yc o r r o s i o nh a sac o r r o s i o nd e p t ha b o u t6 2 2 p m ，s o m es e c o n d p h a s ep a r t i c l e sw e r ea b s c i s s i o n n m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；c o r r o s i o nr e s i s t a n c e m 唪南大学 晤n t 品只l 暑蔷t h 苫晒z t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 进入2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展问题受到普遍重视，各个领域对于节 能、轻量化的要求越来越高。铝合金由于具有比强度高、耐腐蚀、加工性好、 易于回收等特点，是现代社会所追求的、最有希望的金属材料。铝合金挤压制品 种类多、用途广。中国铝挤压工业起步于上世纪5 0 年代初，产品绝大多数应用 在军工领域。上世纪8 0 年代初，建筑铝型材生产在中国的南、北方同时起步。 其后的近3 0 年，中国铝挤压工业发展进入快速发展期，产品以建筑铝型材为主。 其中6 x x x 系铝合金是最重要的变形合金，特别是6 0 6 3 合金由于具有良好的加 工性能与使用性能，使用范围很广，特别是建筑业，现代化的高层建筑都离不开 这种合金。同时，铝型材也逐渐被广泛地应用于工业生产中，在机械制造，电器 生产中得到重要的应用【l 弓j 。 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【6 1 。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 和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，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。 幸南大学 i z e h t r 。r le 靛3 u t hu - x 删z v v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 国内外发展趋势 1 1 2 1 我国铝型材发展状况 我国铝型材发展状况：工业铝型材产量逐年上升。国内铝挤压材从2 0 世纪 末开始进入产量大幅增长时期。按照有色学会的统计资料，2 0 0 0 2 0 0 5 年国内铝 挤压材年均增长超过3 5 ( 图1 1 ) ，其中铝型材产量约占8 5 9 0 。成为铝加工 材中增长最快的品种【7 捌。 躬o 营4 g o 茎裟 瑟渤 镱 o - 1 - 生产置溺爱量i 一 7 ， l 钙81 9 够2 啪2 0 0 12 0 眈咐 图1 - 11 9 9 9 - 2 0 0 5 我国铝挤压材产量与消费量【7 】 f i g 1 - 1t h ee x t r u d e da l u m i n u mp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o no f c h i n ab e t w e e n1 9 9 8t o2 0 0 5 我国生产的铝材质量总体上接近国际水平，有些产品达到了国际先进水平， 如从1 9 8 6 年起，西南铝业( 集团) 有限责任公司( 原西南铝加工厂) 已陆续获得美国 波音公司颁发的铝合金模锻件、锻坯( 含熔铸) 生产许可证共5 个，已向波音7 6 7 、 7 5 7 、7 3 7 、7 4 7 等机型提供了可装备1 0 0 0 多架飞机的配套模锻件5 0 0 0 多件。目前， 我国铝材质量的突出问题是均匀性( 一致性) 和稳定性比国际先进水平低，不同品 种的加工成品率比国际先进水平低5 - - 2 0 。此外，铝加工企业的全员劳动生产 率为国际先进水平的1 0 一- , 8 0 。为了满足铁路客车、地铁客车、高速公路大型客 车轻量化的需求，我国已研制开发出了专用铝合金型材，正在研制开发的汽车用 深冲铝合金板材等新材料。为了满足航空航天和兵器工业的需要，正在研究开发 超高强高韧、超耐热、高耐腐蚀和高弹性模量铝锂合金等新的铝合金材料，铝合 金复合材料和合成材料【n 1 3 】。 1 1 2 2 国外铝型材发展状况 2 0 0 2 年全世界原铝产量约2 7 0 0 j t ，铝材产量约2 7 0 0 刀 t ，在今后相当长的时间 内，铝消费量的增长率为5 左右，回收再利用率的增长更快一些。美国是世界上 铝及铝材生产和消费量最大的国家，每年消耗5 0 0 多万t 铝。在装备、技术水平、产 品质量和全员劳动生产率等各方面都居国际先进水平。国际先进水平的铝材质量方 面的突出特点是：化学成分、组织性能、尺寸精度、表面质量等的高均匀性( - - 致性) 和稳定性。研究开发超高强高韧、高耐腐蚀、超耐热和高弹性模量的铝合金，铝合 2 中南大学 c 蔓n t r r l5 d l r r h 州黼i t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 金复合材料和合成材料成为研发主流；在提高强度的同时大幅度提高塑性和韧性、 耐腐蚀性等综合性能是研究的前沿；突出的进展在工艺创新方面。美国1 9 9 5 年研究 开发的7 0 5 5 和7 7 5 1 在提高强度的同时也提高了塑性和韧性。新技术生产的铝材已用 于制造波音7 7 7 飞机，这项技术至今仍对外保密；美国研究开发的铝合金铸造气滑 结晶器，用于生产7 0 5 0 合金q 8 1 5 m m 圆铸锭、6 1 0 m m x l 8 3 0 m m 扁铸锭，铸造速度为 我国现行工艺的3 倍，铸锭表面光洁、无缺陷，圆锭不需车皮，扁锭不需铣面。我 们现行工艺即使铸造币5 5 0 1 1 1 i n 的7 0 5 0 合金圆铸锭，难度也很大，表面不光洁，表面 缺陷深达1 0 m m ，要大量车皮【14 1 5 1 。铝合金型材加工的发展趋势主要有： 1 耗量，节能降耗； 2 少外部摩擦，提高变形效率； 3 高精度； 4 利用各向异性、内部应力、变形热处理等方法提高产品综合性能； 5 有效利用废料和开发综合利用技术，提高回收率和成品率； 6 防止产生缺陷或利用缺陷； 7 提高工模具品质和使用寿命； 8 减少工序； 9 增加单位时间的产量及节省劳动力，实现高速化、自动化、连续化； 1 0 清洁生产，改善环境，降低劳动强度。 1 2 典型6 x x x 系挤压铝合金 1 2 1 典型6 x x x 系挤压铝合金成分和性能 在变形铝合金中有一类铝合金具有强度高，塑性好，耐蚀性和焊接性等综合 性能优良的特性，它就是6 x x x 系的a 1 m g s i 合金，目前全世界有7 0 以上的 铝挤压加工材是用6 x x x 系合金生产的，其成分范围：( 0 3 - 1 3 ) s i ， ( o 3 5 1 4 ) m g 。在此极限范围内，各国研制开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 系合金，而在1 9 8 0 年1 0 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 系合金。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 和6 0 0 5 等4 种合金及其变种已经占 据了6 系合金的统治地位( 8 0 以上) ，他们涵盖了抗拉强度( ) 从 18 0 m p a n 3 6 0 m p a 整个范围内的所有合金。表1 1 列出了常用6 x x x 系铝合金挤 压型材成分范围。表1 2 列出了其典型室温力学性能。 3 巾南大学 口n t 晶lmquthu n x w 船i t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 表1 16 x x x 系铝合金型材的化学成分 t a b 1 - 16 x x xs e r i e sa l u m i n u ma l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 表1 2 典型6 x x x 系铝合金型材室温力学性能 t a b 1 2t y p i c a l6 x x xs e r i e sa l u m i n u ma l l o ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r e 1 2 26 0 8 2 铝合金及研究现状 1 9 7 2 年，欧洲铝业协会注册t 6 0 8 2 铝合金【1 6 1 ，6 0 8 2 铝合金属于a i - m g - s i 系锻 造铝合金。6 0 8 2 铝合金不仅具有较高的强度，同时具有较好的耐热性能。是航空 航天及汽车工业的主要结构材料之一，具有广阔的应用前景。6 0 8 2 铝合金作为 a 1 m g s i 系的中强铝合金，具有良好的耐蚀性能和加工性能，广泛应用于大型 焊接结构件、航海用零件及模具加工用坯料【 ，1 8 1 ，虽然应用不如6 0 6 3 广泛，但仍 有其独到的应用领域，车身型材便是一例，由于其有良好的弯曲性能，即使在 4 幸南犬学 旺n t ；钆5 1 ：1 1 1 f hu n x v m a m r v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 t 5 处理后仍可进行适度冷弯。另外，6 0 8 2 合金型材同样可获得良好的表面处理 效果。因此，6 0 8 2 铝合金的应用值得进行广泛发掘1 1 8 】。6 0 8 2 铝合金主要强化相 是m g a s i 相，m 9 2 s i 在铝中的最大溶解度为1 8 5 ，且随温度的降低溶解度减小， 时效时形成g p 区和细小沉淀相对合金起强化作用。为保持最大的强化效果，镁 硅比应为1 7 3 ，而6 0 8 2 铝合金中m g 与s i 的含量比为0 5 1 7 1 ，故s i 除形成强化相 m 9 2 s i ，还有较多过剩s i t l 9 1 。m 9 2 s i 的量在0 9 5 1 9 之间，抗拉强度达3 0 0 m p a 左右。合金中多量的过剩硅，主要作用是人工时效时的补充强化，还可以细化b - m 9 2 s i ，有利于沉淀强化，增强抗拉强度。但是过剩硅在2 5 0 3 0 0 加热时，在 晶间发生聚集，引起晶界脆化。聚集硅硬脆性大，对热挤压和加工都不利。此外 硅与杂质铁生成f e s i 相，这是阴极相，增加合金的腐蚀倾向。为了消除过剩硅 的不利影响，合金中加入一定量的锰，铸锭中的锰在随后加热或加工过程中固溶 体分解析出的弥散化合物，都能起到提高再结晶温度的作用，使材料形成多边化 组织。同时，锰与过剩硅及其他元素反应，生成a i m n s i 和舢f e m n s i 金属间化合 物，能提高合金的抗腐蚀性甜刎。同时6 0 8 2 铝合金还存在着较强停放效应的缺点， 影响合金热处理工艺的制定。 1 2 3 合金元素对6 x x x 系铝合金性能的影响 1 m g 元素的影响 m g 对a l 的强化作用是明显的，每增j j n l 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与固 溶体平衡的相为a 1 。m 9 5 ，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 。m 9 5 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 。一般加工铝合金含m g 量在6 以 下。 2 s i 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 g a s i 相愈少，过剩硅对合金的强度、淬火效果、自然时效效果提高愈大。 当硅含量一定时，a i 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 g a 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 i 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， 5 + 南大学 嘴n 幅瞳f i l i a l r eu n z v e 魑i 下v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 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，耐蚀性变坏瞄1 。研究表明，增大s i 含量能提 高s i 析出物及p 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时 效硬化性瞄】。在理想状态下，m g 与s i 按1 7 3 ：l 结合成m 9 2 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 - 2 斜线为生成m 9 2 s i 的镁与 硅的理论百分含量，且p m g s i = i 7 3 。 1 2 l d ，8 羹0 6 0 4 o 2 o o 20 40 60 8l 】2 s j 图i - 2 m 9 2 s i 和镁，硅的关系 f i & l - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e l lm g , s ia n dm 9 2 s i 3 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 x x x 系列合金中有多种作用。由于锰促进b a 1 f e s i 转变成 a - a i 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 随后的热挤压处理阶段晶粒长大，粗化。添加锰的其他作用是锰能阻止硅在晶界 成核，防止金属脆性，从而提高了破断强度。在添加锰量大于0 1 0 的更高强度 合金里，锰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【2 4 】。 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 出恤弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作 用。a l d d 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 6 幸南大学 曙n 而r l5 r ，l i t hu m u m m r r v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 响。同时a l t p m n 的电极电位与铝的电极电位相等( 一0 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【2 5 1 。在液固相变时，a 1 和m n 形成粗大的a i f e m n s i 相( a 相颗粒) ，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 ( a 相) 颗粒 相，尺寸在0 1 0 3 1 1 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 11 2 m n a 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 i 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。锰还有固溶强化， 提高韧性和耐蚀性的作用 2 6 - 2 9 。 4 c 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。添加铜能够促进时效过程中b ”相的形成，提高时效硬 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，a 口o ( c u a l ：) 和s ( a 1 ：c u m g ) 相。c u a l 2 ( 。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【1 6 l ，按质量计算，m ( c u ) ：m ( m g ) 2 6 时，形成s 相；m ( c u ) - m ( m g ) 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，导致形成亚稳的b 相的有效核心数减少， 从而生成粗大的b 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 g s s i 4 a 1 ；、0 - c u a l z 桂t 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【3 0 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s7 和0 析 出物。另外一种在a 1 m g s i c u 合金中发现的沉淀相是q 相，它第一次是被d i x 和s a g e r 发现。p e t r 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 9 5 s i 4 ， 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 9 8 s i 6 。添；n h 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1 3 1 - 3 7 1 。 7 幸南犬学 噶h r r 晶ls q u t hu n w 巨n t x v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 5 过渡元素的影响 铝合金中常常加入微量的t i 、c r 、m n 和z r 等过渡元素和稀土元素，它们与 础、f e 和s i 相互作用，对合金的各种性质具有显著影响，唯一缺点就是成本高。 这些过渡元素固溶与仅( 灿) 中，不但能提高合金的再结晶温度，而且即使在比较 缓慢的冷却速度下也很难析出，必须在随后加热时才析出，析出物呈点状，是 m n 和c r 和铝及其它元素的化合物，其分布状态对合金性能影响很大，成为有些 合金弥散强化的主要相。一般认为过渡元素固溶在铝中能提高合金的硬度，但导 电率却明显下降：过渡元素以铝化物弥散质点析出时合金硬度下降，当导电率却 明显高于它们固溶在铝中的合金。铸锭中过渡元素多以过饱和形式固溶在a ( a 1 ) 内，随后均匀化加热则是析出过程。而过渡元素在铸锭中是保留在铝固溶体中还 是以析出物形式存在，取决与均匀化制度f 3 8 1 。 过渡元素在铝合金中的存在形式对其硬度影响有两种情况：m n 和f e 固 溶在基体中增加硬度，形成析出物时硬度较低；t i 和c r 则相反，固溶时降低硬 度，形成析出物时则增加硬度。这与过渡元素对铝合金的固溶强化和析出强化效 果的大小有关，m n 和f e 的固溶强化效果大于析出强化效果。t i 和c r 则是析出 强化大于固溶强化。总的来说，t i 、c r 在铝中以析出物形式存在能使合金导电 率和硬度同时提高，应该采取适宜的均匀化温度使其充分析出，获得尽可能多的 析出质点。m n 和f e 在铝中以析出物存在时，也能使电导率提高但要以牺牲部 分强度为代价。 1 3 铝合金的强化机制 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高铝合金材料强度的方法称为合金 的强韧化。加入到铝中的合金元素主要通过固溶强化、析出强化、晶界强化及形 变强化和组织强化等方法提高铝合金的强度。虽然强化方法不同，铝合金材料的 强韧化并不是由单一强韧化方法来决定的，大部分是多种强化机制综合作用的结 果。 1 3 1 固溶强化 合金元素固溶到基体合金形成固溶体时，合金的强度、硬度一般都会得到提 高，称为固溶强化【3 9 1 。合金元素对基体金属的强化效果决定于多种因素，主要 有以下几种因素【7 6 】： 1 合金元素原子与基体金属原子的尺寸差别起重要的作用。一般来说，原子尺 寸差别越大，对置换固溶体的强化效果也可能越大。 2 合金元素的负电性对固溶体的强化也有一定作用，合金元素与基体金属的价 8 幸南犬，擎 馐n t 晶ls o u t h 州x w r m r v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 电子差越大，强化效果也越大。 3 合金元素对基体金属的强化效果还与二者的弹性模量大小的差错度有关，差 错度越大，往往强化效果越好。 1 3 2 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 h 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。 早期对时效硬化合金的硬化机理的解释，由于缺乏实验资料而受到了限制。 但当时就提出了两个重要概念。其中一个是认为硬化( 或合金形变阻力增加) 是由 于质点沉淀在晶体学平面上阻碍滑移而引起的。在时效硬化合金中位错运动的障 碍物是沉淀物( 特别是g p 区) 周围的内部应变和实际沉淀物本身。关于前者，已 经证明在质点间距等于运动位错线的极限曲率半径( 约5 0 个原子间距) 是位错运 动受到最大阻力( 也就是最大硬化) 。在这阶段，大多数合金中最主要沉淀物是共 格g p 区。经高分辨率的透射电镜揭示：事实上这些区被运动位错所切过。因此， 单个g p 区本身对阻碍滑动位错只起很小的作用，而只是由于它们具有较大的体 积分数才引起屈服强度显著增加。一旦g p 区被切割后，位错就连续地在这些激 活的滑移面上通过质点，加工硬化就相对较小。形变就会局限在少数是激活滑移 面上以致发展了某些强烈的( 滑移) 带。这种显微结构可能对其它性能，如疲劳和 应力腐蚀性能有害。 然而，如果沉淀物质点较大，而且间距也较大，则运动位错容易绕过它们， 按照奥罗万( o r o w a n ) 首次提出的机理，运动位错绕过后在质点周围留下了位错 环。合金屈服强度较低，但加工硬化率较高，塑性形变较均匀地分布于晶粒内。 这是过时效合金的情况。典型的时效硬化曲线为一条开口向下的抛物线，与位错 切过沉淀物转变到绕过沉淀物相联系，强度随时效时间先增大后减小。最值得注 意的是沉淀物能阻止位错切过而其间距又近到不允许位错绕过时发生的情况。在 这种情况下，仅当位错线的某些小段能借助交滑移过程在单个质点的上面或下面 通过时，位错线的运动才是可能的。于是期望能使强化和加工硬化两者均达到高 水平，通常由于沉淀物的间距太大而不可能发生这种情况。但最近研究了多级时 效处理( 在g p 区固溶线以上和以下的处理) ，这种处理方法能使一些工业合金中 某些中间沉淀物的弥散细化而改善机械性能。第二种方法是使沉淀物形成双重弥 散度。尺寸小和间距近的质点可提高屈服强度，而尺寸较大的质点可增加加工硬 9 幸南太学 竺竺二i 竺竺! 二! ! 竺：苎! 竺二：垫! ! 旦堡主主堂垡笙壅笺二兰壅堕鳖垄 化率使塑性形变分布更均匀。图1 3 为k e l l y 和n i c h o l s o n 对沉淀强化理论的表 述【4 l l 。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 错切割沉淀相机帛1 ( s h e a r i n g ) 和位错绕过沉淀相机制( b y - p a s s i n g ) 相竞争，消耗能量 较少的机制开动。 - 蠢 图1 - 3 沉淀强化作用与质点尺寸之间的关系1 4 1 l f i g 1 - 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i z eo f p a r t i l ea n dh a r d e n g i n g 1 3 3 细化组织强化 细化组织，对单相合金说是指晶粒细化，对多相合金说是指基体相晶粒的细 化及过剩相的细化 4 2 1 。细化组织可以提高材料在室温下的强度、塑性和韧性， 是金属材料常用的强韧化方法之一。晶界上原予排列错乱，杂质富集，并有大量 的位错、孔洞等缺陷，而且晶晃两侧的晶粒位向不同，所有这些都阻碍位错从一 个晶粒向另一个晶粒的运动。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，对位错运 动的阻力也越大，因而合金的强度越高。晶界可以使金属强化，因为多晶体晶粒 中的位错滑移除了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力外，还要克 服晶界的阻力。晶粒越小，晶界就越多，晶界阻力也越大，因而提高材料的屈服 强度。h a l l p e t c h 根据位错理论提出了屈服强度与晶粒尺寸的计算公式【4 0 j ： 仃j = 仃o + 磁一1 7 2 式中t 为强度，吼和七为常数，d 为晶粒直径。晶粒的长大和粗化是晶界的迁 移过程，合金中的弥散相粒子越细小，分布越密集，这些粒子对晶界运动就能起 到更强烈的阻碍作用【4 3 舯】。 1 0 + 南大学 疆赫札, 譬l l d t l - i 州i 垤髓i t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 1 46 x x x 系铝合金热处理原理和工艺 1 4 16 x x x 系铝合金m 9 2 s i 相析出过程及动力学 a 1 - m g s i 三元系富铝角状态如图l - 4 所示，该系存在一个a 1 m 9 2 s i 伪 二元截面，它把a 1 m g s i 三元系富铝角分成两个独立的三元系：a i m 9 2 s i s i 和 a i - m 9 2 s i - m 9 2 a 1 3 ，其三元共晶温度分别为5 5 9 和4 4 8 0 。在每个三元系中，铝 都形成固溶体( 一边与s i 和m g e s i ；另一边与m 9 2 s i 和m g ) 。m 9 2 s i 在基体a ( 灿) 中的最大固溶度为1 8 5 ( 1 1 4 m g 、0 6 6 s i ) ，其固溶度随温度的降低 而急剧下降。 图l - 4 硝- m 争s i 三元系富铝角状态图 f i g 1 - 4t h ea l l i t i cs t a t u sd i a g r a mo f a l m g - s ia l l o y a ( 灿) 与m s i 之间构成伪二元相图( 见图1 5 ) 【7 6 】。 i l 【工l： ：- j。一下”广 1 b一! ll _i 一 ，-。出一： i i ， i ll rr lq + 辅一 l 巴 - 鼬k a 嘲 图1 - 5a 1 - m 9 2 s i 伪二元相图 f i g 1 - 5p h a s eo f a l m 9 2 s ia l l o y 从图1 - 5 中我们可以看出，m 9 2 s i 在t t ( a 1 ) 中固溶度随温度下降有明显变化， 共晶温度( 5 9 5 ) 下极限溶解度达到1 8 5 ，m & s i 是锻铝中的主要沉淀硬化相。 a 1 m g s i 合金的析出行为已经有许多的研究，但是对析出的顺序的许多细节方 幸潮犬訾 曩n t 晶开lm c 扎1 t l = lu n z u e r m t v 2 0 1 0 届硕士士学位论文 第一章文献综述 面还存在着争议。曾经提出过以下三种析出顺序：o ) s s s s - g p 区一b ，( 针 形卜p ( 圆形) 1 3m 9 2 s i ( n 盘形) ，s s s s 为过饱和固溶体。( 2 ) d u t t a 和a l l e n 提 出：s s s s - s i 原子团簇g p i 区g p i i 区p 卜b 1 3m 9 2 s i 【4 s 1 。但对最 初团簇过程以及g p i 区和g p 区的结构及析出相成分也存在争议，其它人也提出 除了以上的物质也有一些其它的析出物形成了。( 3 ) s s s s _ 独立m g 原子和s i 原子团簇叶联合的m 昏s i 原子团簇一未知结构的小析出物- b ，( 针形) p 7 ( 圆形) _ bm 9 2 s i ( 粼) m 。a 1 m g - s i 合金中过剩s i 的存在提高了析出的动 力学过程，但并未改变析出物的本质。g u p t a 和l l o y d 用d s c 和t e m 技术研究了含 o 8 m g f f 【1 0 9 s i 的铝厶金析出过程【4 7 l ，提出析出顺序是：s s s s _ 团簇和g p 区b + s i _ s i + b 斗1 3 ，但在d s c 中没有发现s i 析出物的放热峰。含过剩 s i 的a 1 - m g s i 合金性能比平衡的合金有更好的力学性能，因此重要的商业 a 1 一m g s i 合金都含有一定量的过剩s i 。虽然对含有过剩s i 的a 1 m g s i 合金的析出 过程没有充分的研究过，但是过剩s i 合金具有重要的理论和实际应用价值。原子 团簇理论是在解释发生在时效早期的非直接观察到的析出反应时提出的1 4 6 1 。通 过热分析技术可以观察到这种反应放出的热，在2 0 。c - 1 2 0 c 之间可以观察到放热 峰，通过电阻测量的技术也可以在放热峰温度范围内观察到电阻的增加现象。 d u t t 斫口a l l e n 提出观察到的现象是由于s i 原子团簇【4 5 1 ，然而在a 1 s i 合金中并没有 观察到放热峰也没有电阻的增加现象。更合理的解释是在m g 原子向淬火后快速 形成的s i 原子团簇移动，从而产生了放热峰及电阻的增加现象【4 7 】。在a 1 s i 合金 中淬火后s i 原子的聚集过程中伴随着空位，这种现象在a 1 - m g s i 合金中也可能发 生。o u p t a y s i l l o y d t 47 j 报道称放热峰是由两个峰重叠而成的，这表明存在第二个析 出反应。对下阶段的析出反应也有不确定的地方。d u t t a 和a l l e n 认为不能确定析 出物的形