第四章铝及铝合金.ppt

1、，广西大学材料科学与工程学院讲师：徐，铝与铝合金，铝与铝合金，第四章铝合金的相变，铝与铝合金，4.1铝合金的凝固与凝固：将金属熔化，将熔化的金属浇注、注入或吸入型腔，凝固成具有一定形状和性能的铸件。铝合金的凝固过程控制着铸件的组织和性能，决定着铝合金材料在加工成成品前的热处理方式。凝固过程中的晶内偏析现象严重影响铝合金的组织和性能。铝及其合金，4.1铝合金的凝固，4.1.1晶体形成，晶体形成：原子的规则排列过程。液体中的原子因其动能而不断受到干扰。随着温度的降低，热扰动减弱，结合力增加，比容减小。原子以晶体状态重复排列，在某些区域，一组原子以晶体模式排列，释放热量，一定程度的过冷，结晶开始，晶

2、体成核，铝和铝合金的凝固，4.1.1晶体形成，晶体成核和从液态的生长过程(均匀成核：液相本身的成核)，铝和铝合金的凝固，4.1铝合金，均匀成核是不可能的。即使在局部精炼条件下，每1cm3液相中也有106个边长为103个原子的立方微小杂质粒子。这种成核过程被称为异质成核。因此，向熔体中加入细小晶体是一种测量晶粒尺寸的方法。从液态(非均匀成核)、铝及其合金的凝固、4.1铝合金和4.1.1晶体形成的晶体成核和生长过程。通过测量金属温度和冷却时间之间的关系，可以得到一条冷却曲线来了解金属的冷却过程。4.1铝合金的凝固、铸态晶粒的尺寸和形状以及铸态晶粒的控制在凝固过程中非常重要。铸态晶粒尺寸和形状由成核

3、速率(n)和生长速率(g)控制，成核速率(n)和生长速率(g)分为细晶粒和粗晶粒。成核速率与生长速率之比高(n/g)、(n/g)和低(N/G)。铝及其合金的凝固，4.1铝合金，4.1.2铸态晶粒的大小和形状都是在凝固过程中，当金属熔化时发生的。在生长过程中，只有那些生长速度最快且方向垂直于模具壁的晶粒才能存活并成为晶体，即柱状晶体。如图所示：在某些情况下，铸件表层由柱状晶组成，而内部是等轴晶。铝及铝合金，4.1铝合金凝固，4.1.3晶内偏析，含B30%二元合金凝固，冷却速度慢，达到平衡。此时，固相和液相的化学组成与相图中给出的相同。当冷却到T0时，最初形成的晶体中的硼含量为10%，铝和铝合金凝

4、固，4.1铝合金和4.1.3晶粒内偏析。在T2温度下，液相完全固化，固相含B30%，在T1温度下，固相含B20%。此时，与固相平衡的液相中的硼含量持续增加。当温度略高于T2时，晶体中的硼含量低于30%，并被含B70%的液体包围。因此，当温度达到T2时，液体必须给晶体提供硼原子。铝和铝合金的凝固，4.1铝合金，4.1.3晶内偏析，生长枝晶中晶内偏析的形成过程，铝和铝合金的凝固，4.1铝合金，4.1.3晶内偏析上图(e)中的描述表明晶体作为枝晶生长。在快速冷却条件下，凝固完成后，两相枝晶轴之间以及枝晶之间存在浓度梯度。铝和铝合金的凝固，4.1铝合金，4.1.3晶内偏析，蚀刻具有成分偏析的合金后显示

5、的拓扑结构的图解，铝和铝合金的凝固，4.1铝合金，4.1.3晶内偏析，其将由于晶粒中的浓度梯度而扩散4.1铝合金的凝固，4.1.3晶内偏析，快速冷却过程中的凝固过程。当某些合金在快速冷却条件下凝固时，不仅不会出现晶粒内偏析，而且在缓慢冷却条件下也不会出现新的相。铝及其合金、4.2铝合金的退火以及4.2.1铸态合金的微观结构特征。在工业生产中，合金在凝固过程中的冷却速度不是0.1-100转/秒，凝固后铸态结构偏离平衡结构。通常，非平衡共晶中的相附着在初生晶体上，而这些相以网状分布在枝晶网络单元周围。铝及其合金、4.2铝合金的退火、铸态合金的显微组织特征、变形铝合金一般有两种以上的溶质成分，且结晶

6、情况复杂，但非平衡结晶规律与二元合金体系一致。铝及其合金、4.2铝合金的退火以及4.2.2铝合金在均匀化退火期间的微观结构变化，这是为后续处理做准备。主要的结构变化是枝晶偏析的消除、非平衡相的溶解、过饱和过渡元素相的析出和溶质浓度的均匀化。7075合金均匀化退火前后同一枝晶细胞中微观偏析的变化。不溶性过剩相聚集并球化。在缓慢冷却过程中，溶质均匀沉淀。铝及其合金、4.2铝合金、4.2.2铝合金在均匀化退火过程中的退火，以及均匀化退火后微观结构变化引起的性能变化。铝及其合金的退火，4.2.3均匀化退火的温度和时间将大大加速扩散过程，在均匀化过程中应尽可能提高均匀化退火温度。退火温度一般为0.90.

7、95，铝及铝合金、4.2铝合金和4.2.3均匀化退火的退火温度和时间低于平衡相图上的固相线。有时很难通过在低于平衡固相线的温度下进行均匀化退火来实现微结构均匀化的目标。因此，存在高温均匀退火(退火过程高于非平衡固相线温度但低于平衡固相线温度)。铝及铝合金的退火，4.2铝合金，4.2.3均匀化退火的温度和时间，随着均匀化过程的进行，晶体中的浓度梯度不断减小，扩散物质的数量不断减少，这使得均匀化过程自动减慢。2AL12均匀化退火前30分钟比退火后7小时长得多。铝及铝合金的回复和再结晶，4.3铝合金和4.3.1回复。当退火温度低、退火时间短时，冷变形金属的主要过程是回复。它的驱动力是冷变形和能量储存

8、。冷变形储能的结构形式：晶格畸变和各种晶格缺陷。恢复过程的实质是点缺陷运动和位错运动及其重组，表现为精细结构的多边化过程，形成亚晶粒结构。如果提高退火温度或延长退火时间，亚晶粒尺寸将逐渐增大，位错缠结将逐渐消除，并出现明显的亚晶粒边界。在某些条件下，亚晶可以长到10米左右。这种情况称为铝及铝合金的原位再结晶、回复再结晶、4.3铝合金再结晶、4.3.2再结晶，再结晶晶粒与基体之间的界面一般为大角度界面。铝及铝合金，4.3铝合金回复与再结晶，4.3.2再结晶(1)再结晶成核与晶核生长，2)再结晶温度，3)再结晶晶粒长度与二次结晶，4)再结晶晶粒尺寸与不均匀性，再结晶晶粒与多层化的区别，铝及铝合金的

9、回复与再结晶，4.3铝合金，再结晶成核的必要条件是它们能以界面运动的方式吞噬周围的基体，然后形成一定尺寸的新晶粒。因此，只有具有当铝中元素浓度进一步增加时，合金中出现第二相，有时再结晶温度变化更加复杂。4.3.2铝和铝合金的再结晶、回复和再结晶，4.3铝合金，4.3.2再结晶(1)在均匀晶粒生长过程中，一部分变晶材料的晶界迁移到另一部分晶粒材料中，获得相对均匀和粗大的晶粒结构。整个体积中再结晶晶粒不会同时相互接触。(2)选择性晶粒生长和二次再结晶。在某些条件下，一些单独的晶粒可能在再结晶基体中快速生长，具有相对均匀的晶粒。再结晶晶粒的生长和二次再结晶，铝及其合金和4.3铝合金的恢复和再结晶。影

10、响再结晶晶粒尺寸的主要因素是内部因素和工艺条件。(1)退火金属的内部因素是普遍的，晶粒尺寸随着合金元素和杂质的增加而减小。然而，如果固体和溶液成分不均匀，一些合金可能具有大的晶粒。当合金成分不变时，变形前的原始晶体材料也会影响再结晶后的晶粒尺寸。通常，原始颗粒越细，结晶后的尺寸越小。4.3铝合金，铝及铝合金的再结晶晶粒尺寸和不均匀性，回复和再结晶，(2)变形程度的影响，铝及铝合金的回复和再结晶，4.3铝合金，(2)变形程度的影响，变形温度的增加，变形后退火过程中临界变形程度的增加，金属越纯净，临界变形程度越小，但加入不同元素的影响程度不同。铝及铝合金的回复和再结晶，4.3铝合金，(3)退火工艺

11、参数，在大多数情况下，晶粒表面随着退火温度的升高而变粗，在实际退火过程中，铝及铝合金的回复和再结晶，4.3铝合金，(4)再结晶晶粒形状和尺寸的不均匀性，(1)均匀晶粒尺寸的不均匀性，这可能发生在二次结晶的未完成阶段。(2)局部晶粒尺寸不均匀，晶粒分布在特定区域，这种情况经常发生在局部变形较大的时候。(3)带状晶粒尺寸不均匀，粗、细晶粒沿主变形方向带状分布。(4)岛状颗粒大小不均匀，粗颗粒群和细颗粒群在整个体积中分布不规则。不同变形铝合金的再结晶晶粒是等轴或接近等轴的。在正常情况下，它应该大致相同，但有时结构可能不均匀。主要原因是：铝及其合金的回复和再结晶，4.3铝合金，4.3.3再结晶织构，这

12、通常不同于变形织构，如图所示：铝及其合金的溶解和时效，4.4铝合金，铝合金含有大量的合金元素，可溶于铝， 并且这些合金元素的含量超过室温和中等温度。室温下的平衡基团是当合金被加热到Tq时，该相溶解到基体中以获得单相固溶体，即固溶体处理。 当温度降至T0以下时，固溶体变得过饱和，过量的溶质以相的形式沉淀，即去溶剂化或沉淀。4.4.1固溶时效的基本概念，铝及其合金的固溶和时效，以及4.4铝合金，当冷却速率足够大时，固溶体不能析出，合金的胞室结构为单相过饱和固溶体。这种处理是淬火。通过淬火获得的过饱和固溶体具有自发分解的趋势，即脱溶。大多数铝合金在室温下都能产生脱溶过程。一些淬火后以过饱和固溶体为基

13、体的合金在高于室温的温度下加热，这可能加速去溶过程，即人工时效。淬火对强度和塑性的影响取决于固溶强化的程度和过量相关材料的影响。4.4.1铝及其合金的固溶时效、固溶时效和时效的基本概念，4.4铝合金，4.4.1一般来说，“回火”用于淬火具有晶体转变的合金，“时效”用于淬火具有非晶体转变的合金。以铝铜二元合金为例，讨论了铝合金的时效过程：(1)形成了富铜区，称之为gp区，其晶体结构与基体相同，但产生了一致的应变区、强度和硬度。G.p .是圆盘状的，只有少数原始子层是厚的，在室温下其直径约为5纳米。当它超过200时，共和党地区将不再出现。随着4.4铝合金的固溶和时效，铝及铝合金的G.P区迅速长大，

14、G.P区的铜原子有序地形成“相”，它与基体保持完全相干，具有晶格常数a=b=0.404nm和c=0.768nm的正方形晶格，比G.P区变形更大，因此时效强化效果更大。4.4铝合金的固溶和时效，(2)铜原子富集区是有序的，铝和铝合金“相转变为过渡相，为正方形晶格，成分接近CuAl2，完全相干和局部相干，强度和硬度开始下降。此时，合金处于过时效阶段。铝合金(3)的固溶和时效形成过渡相，铝和铝合金，过渡相完全溶解，形成稳定相CuAl2，()与基体不相融，合金的强度和硬度进一步降低，合金的种类不同，形成的G.P区、过渡相和最终析出的稳定相也不同，时效强化效果也不同。(4)铝及铝合金的形成稳定、固溶和时

15、效，4.4铝合金，铝合金体系及其析出稳定相的时效过程，铝及铝合金，固溶处理，规律：淬火温度越高，淬火冷却速度越快，传递温度越短，过饱和程度越高，时效强化效果越大。要点：在不过热、不过烧的情况下，淬火温度较高，保温时间较长。淬火和冷却应确保没有第二相沉淀。为了防止淬火变形和开裂，一般采用2080水冷和时效工艺。温度：对于某种合金，有最佳的时效温度。时间：在一定的老化温度下，有最佳的老化时间。方法：单阶段和多阶段老化。分级时效常用于高强度合金，4.4铝合金的固溶和时效，3 .影响时效强化的主要因素，在铝及铝合金的热处理和加工变形过程中，工业纯铝箔毛的第二相及其类型、尺寸、数量和分布是其微观结构非常重要的方面，而均匀化、中间退火、沉淀退火等工艺的制定必须基于第二种思想的存在。工业纯铝半连续铸造水冷铸锭中的化合物主要包括盘状c(AlFeSi)相、块状或片状p(AlFeSi)相、编织Al6Fe和AlFeFe相以及不规则的长针状AlFe3相。4.5工业纯铝箔毛料、铝及铝合金中第二相的形成、继承和转变的合成，4.5工业纯铝箔毛料中第二相的形成、继承和转变的合成，由于粗化合物在热轧过程中不易破碎，容易导致针孔的产生和产量的下降，因此在均匀化过程中应尽可能减少粗化合物的用量。采用较长的中间退火时间和沉淀退火时间，保证了c(AlFe