铝,铝合金及强化与热处理.doc

铝合金的强化及热处理第一章 铝及铝合金一、铝的物理性质分子量26.98，密度2.7g/cm3，熔点660.24（99.996%），导电导热性仅次于铜，是铁的3-4倍。膨胀系数24.58-25.45um/m.K。铝经合金化后，其强度比纯铝高3-4倍，由于铝合金的质轻而强度高，故其强度在所有的金属和合金中，几乎名列前茅。铝在室温下易形成一层致密的氧化膜（三氧化二铝，比重2.823.92），厚度几个纳米。二、铝的化学性质两性，与氧结合成氧化膜，在碱和盐溶液中抗蚀性差，三、铝合金及分类按合金的特性分：有防锈铝（纯铝及铝-锰、铝-镁系合金）、硬铝（铝-铜-镁-锰系）、超硬铝、锻铝及特殊铝。按合金状态图分：变形铝（分可热处理强化区和不可热处理强化区）和铸造铝。变形铝合金：熔炼注成铸锭再经热挤压，合金总量一般小于5%，分可热处理和不可热处理。铸造铝合金：铸造方法浇注或压注成零件或毛坯，合金含量一般8-25%。1. 变形铝合金牌号的表示方法工业纯铝（99.00%）1XXX系列Al-Cu系合金2XXX系列Al-Mn系合金 3XXX系列Al-Si系合金 4XXX系列Al-Mg系合金 5XXX系列Al-Si-Mg系合金 6XXX系列Al-Zn系合金 7XXX系列其他元素合金 8XXX系列备用系 9XXX系列2.铸造铝合金牌号的表示方法用化学元素及数字表示，如ZAlSi7Mg表示铸造铝合金，平均含硅量为7%，平均含镁量为小于1%。还用合金代号表示，如ZL108，ZL111等，Z，L为铸，铝汉语拼音第一个字母，后面第一个数字表示合金系列，其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金，ZL后面第二位，第三位两个数字表示顺序号。优质合金在数字后面附加了字母“A”。.第二章 铝的合金化与强化方法 合金：就是以一种金属为基（大于50%），加入一种或几种元素，使之溶在一起，构成一种新的金属组成物，以达到某种特性或良好的综合性能，这一过程也称合金化。杂质在铝中以下列三种类型存在：与铝形成固溶体、呈化合物形式存在、以游离状态存在。纯铝力学性能不高，在纯铝中加入某些合金元素，制成铝合金，其密度仍保持较小和抗腐蚀好的特点，而力学性能比纯铝高得多。合金元素有：Cu、Mg、Zn、Si、Mn、Cr、Ni、Co、Ti、Sr等及稀土元素。合金元素因熔点高，大多制成中间合金，如Al-Si，Al-Ti等，中间合金的成分接近共晶合金，它们的熔点与铝合金的熔点温度相近。金属材料的力学性能指金属材料承受各种外力作用的能力；力学性能可分为常温静态性能（静力强度、弹性、塑性、硬度等）、常温动态性能（疲劳强度、冲击韧性等）、高温力学性能、低温力学性能和断裂韧性。强度是指金属在外力作用下抵抗破裂的能力。弹性指金属受外力而变形，一旦外力取消后，金属仍然恢复原状和尺寸的性能。塑性指金属在外力作用下产生永久变形但未被破坏的性质。其大小以伸长率和断面收缩率表示。硬度指金属抵抗硬物压入的能力。疲劳强度指金属趁承受重复和交变载荷作用的能力。冲击韧性指金属抵抗冲击载荷的能力。断裂韧性是近代对金属材料提出的强度和韧性的综合性能指标。合金元素对铝的强化作用主要通过以下几个方面实现：固溶强化、时效强化、过剩相强化、细化组织强化及变质处理、冷变形强化。一、固溶强化合金元素加入纯铝中形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度提高。固溶体是溶质原子于溶剂点阵中而组成的单一均匀固体。一般铝的合金化都形成有限固溶体，并且都有较大的极限溶解度，能起较大的固溶强化效果。常用铝合金元素在铝中的溶解度元素名称ZnMgCuMnSiCrFeNiTi一定温度下极限溶解度38032.845014.95505.656601.825801.656600.776550.0526400.056651.00室温时溶解度 （20）220.200.10.050.10.0500.10.10.16063及6061合金的强化相为Mg2Si，其共晶转变温度为595度。Mg2Si在铝合金中的溶解度为：温度转变点595550400300200溶解度%1.851.080.250.200.08二、时效强化合金元素对铝的另一强化作用是通过热处理来实现的，铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随温度的降低而急剧减小的特点。故铝合金加热到某一温度保温后淬火，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性，韧性降低，这个过程称时效。自然时效：在室温下放置产生时效。人工时效：加热时产生的时效（160-200）。淬火加时效是铝合金强化的一种重要手段。人工时效分三类：1. 不完全人工时效：比较低的时效温度或较短的保温时间，获得优良的综合力学性能，既获得比较高的强度、良好的塑性和韧性，但耐腐蚀性能可能比较低。2. 完全人工时效：采用较高的时效温度和较长的保温时间，获得最大的硬度和抗拉强度，但伸长率较低。3. 过时效：在更高的温度下进行，这时合金保持较高的强度，同时塑性有所提高，主要是为了得到好的抗应力腐蚀性能。三、过剩相强化当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称之为过剩相。在铝合金中，过剩相为硬而脆的金属间化合物。它们在合金中起阻碍滑动和位错运动的作用，使强度、硬度提高，而塑性韧性降低。合金中过剩相的数量愈多，其强化效果愈好，但过剩相过多时，由于合金变脆而导致强度、塑性急剧降低。四、细化组织强化及变质处理在铝合金中添加微量合金元素细化组织（钛、锆、铍、锶以及稀土等元素），它们能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，提高合金的强化和塑性。如6063合金中加入0.1-0.3%的钛，如同时加入B元素，0.05%的Ti含量就有明显的细化效果，通常钛以Al-Ti-B合金形式加入。铸造铝合金中加入变质剂进行变质处理，如铝硅铸造铝合金加入微量钠或钠盐或锑作变质剂进行变质处理，能细化组织提高塑性和强度。五、冷变形强化 冷变形强化亦称冷作硬化，即金属材料在结晶温度以下的冷变形。不能热处理强化的纯、铝、防锈铝合金主要采用冷变形强化。冷变形时，金属内部位错密度增大，且相互缠结并形成胞状结构，阻碍位错运动。冷变形强化的程度随变形度、变形温度及材料本身的性质而不同。第三章 铝合金热处理热处理是为了改变金属制品的力学性能、冶金组织或残余应力的状态而进行的加热与冷却作业。对铝合金来说，往往局限于为增加可沉淀硬化的锻造和铸造铝合金的强度与硬度，这类铝合金被称作为“可热处理强化的合金”。而另一类通过加热和冷却不能达到明显强化，通常称为“非热处理强化的合金”，在锻造形式下主要靠冷加工提高硬度，如防锈铝合金。铝合金的热处理特点：铝合金退火后，强度和硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间，强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度和硬度随时间增长而显著提高的现象，称时效。我国的变形铝合金材料状态的表示方法：F自由加工状态O退火状态H加工硬化状态W固溶热处理状态T热处理状态（不同于F、O、H状态）Tx细分状态代号说明与应用：T0固溶热处理后，经自然时效再通过冷加工的状态；适用于经冷加工提高强度的产品。T1由高温成形过程冷却，然后自然时效至稳定的状态； 适用于由高温成形过程冷却后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平、但不影响力学性能极限）的产品。T2由高温成形过程冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态；适用于由高温成形过程冷却后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品。T3固溶热处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态；适用于在固溶热处理后，进行冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品。T4固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态；适用于固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平、但不影响力学性能极限）的产品。T5由高温成形过程冷却，然后进行人工时效的状态；适用于由高温成形过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平、但不影响力学性能极限），予以人工时效的产品。T6固溶热处理后进行人工时效的状态；适用于固溶热处理后，不再进行冷加工（可进行矫直、矫平、但不影响力学性能极限）的产品。T7固溶热处理后进行过时效的状态；适用于固溶热处理后，为获取某些重要特性，在人工时效时，强度在时效曲线上越过了最高峰点的产品。T8固溶热处理后进行冷加工，然后进行人工时效的状态；适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品。T9固溶热处理后人工时效，然后进行冷加工的状态；适用于经冷加工提高强度的产品。T10由高温成形过程冷却后，进行冷加工，然后人工时效的状态。适用于经冷加工或矫直、矫平以提高强度的产品。一、 退火处理将铝合金加热到较高的温度，保温一定时间后随炉冷却到室温的工艺称为退火。其结果是：固溶体发生分解，第二相质点发生聚集，可以消除铸件的内应力，稳定尺寸，减小变形，增大铸件的塑性。退火分完全退火，快速退火，低温退火。例如：6063型材硬度13HV以上，升温至230-240，保温20-30分钟，硬度可降1-2HV；保温30-40分钟，硬度可降2-3HV；235-245，保温30-40分钟，硬度可降2-4HV。有些合金冷却太快会发生淬火效应；而过慢冷却又会析出较粗大第二相，在加工时易形成带状组织，固溶处理时难于完全溶解，因此减小了时效强化效应。二、 固溶处理把铸件加热到尽可能高的温度，接近于共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度地溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理。固溶处理可提高铸件强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能。但对高温下晶粒长大倾向性大的合金（如6A02等），应限制最高淬火加热温度。当加热温度高于低熔点共晶的熔点，使低熔点共晶和晶界复熔的现象叫过烧。主要铝合金的过烧温度合 金过烧温度/合 金过烧温度/合 金过烧温度/2A125072A1451820115522A115222A7054860635916A025552A065104A115402A505482A165487A04489 固溶体脱溶是热处理可强化铝合金进行强化热处理(淬火和时效)的基础。 热处理可强化铝合金含有较大量的能溶入铝中的合金元素，如铜、镁、锌、硅等，它们的含量超过室温下的平衡固溶度极限，甚至可超过共晶温度的最大溶解度。室温平衡组织为+。为基体固溶体，为第二相。合金加热到接近共晶体的熔点温度时，相将溶入基体而得到单相的固溶体，这种处理称之为固溶处理。若快速降低至一定温度以下（淬火），固溶体成为过饱和状态，超过平衡溶入量的溶质就有析出的倾向，在一定的条件下，多余的溶质就以相的形式析出，这种现象称为脱溶或沉淀。大多数铝合金在室温下就可产生脱溶过程，这种现象称为自然时效。若将淬火得到的基体为过饱和固溶体的合金在高于室温的温度下加热，则脱溶过程可能加速，这种操作称为人工时效。三、时效处理将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。时效强化也叫沉淀强化,它是通过热处理来实现的，它仅适用于固溶度随温度降低而减少的合金。时效理论：时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果，它不仅决定于合金的组成、时效工艺、以及取决于合金在生产过程中所造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却速度快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和是处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就增多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减少硬化区的尺寸。淬火冷却速度与合金中强化相的质量分数成正比。大多数可热处理强化的铝合金都符合随温度增加固溶度增加。淬火前合金元素的固溶淬火后的任意、无序分布时效初期的在铝基体的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，时效温度升高和时间延长，合金元素继续偏聚并发生有序化，它与基体仍保持共格关系，但尺寸较前为大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，达最大强化阶段。随时效过程进一步发展，原子继续偏聚，当与铝形成一定比例（原子数比）时，形成过渡相，与基体共格关系开始破坏，完全共格变成局部共格，硬度开始下降过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立稳定相（如铜铝合金中的CuAl2相），共格关系被破坏，并有自己独立的晶格，质点聚集长大，合金强度、硬度进一步降低，合金就软化并称作过时效。 影响时效的因素： 1）从淬火到人工时效之间停留时间的影响。2）合金的化学成分的影响。3）固溶处理工艺的影响。4）时效温度的影响。四、铝合金的回归现象经淬火低温时效后的铝合金放在比较高的温度（但低于固溶处理温度）下短期加热，然后快速冷却到室温，则合金强度，性能恢复到刚淬火时差不多实际上是小尺寸的GP区不再稳定而重新溶入固溶体中，此时快冷至室温，有恢复到新淬火状态，仍可重新时效。但回归处理很难使析出相完全重溶。五、固溶热处理与淬火固溶热处理可溶相的溶解；淬火过饱和固溶体的形成；时效在室温下或升温下溶质原子的沉淀析出。六、淬火和时效对铝合金性能的影响 淬火后铝合金性能的改变与相成分、合金原始组织及淬火状态组织特征、淬火条件、预热热处理等一系列因素有关，不同合金性能的变化