中南大学固态相变论文

CENTRALSOUTHUNIVERSITY《固态相变》课程论文题目热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响学生姓名学号指导教师学院材料科学与工程学院专业材料学热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响摘要：均匀化处理、固溶处理、时效处理吨合金的组织形态及力学性能有很大的影响，本文对三中处理方式后的合金形态进行了描述。关键词：均匀化处理固溶处理时效处理绪论作为一种时效硬化型铝合金，Al-Cu-Mg系铝合金的研究取得了巨大成果，近几十年来，该系合金在航空航天工业方面已得到了广泛的应用。传统的Al-Cu-Mg系铝合金如2618，2021及2219等合金通常在低于150℃的温度下使用[1]；在高于150℃下使用时，该系合金强度会急剧下降，无法满足使用要求。超音速飞机由于巡航速度较高，在飞行过程中会与空气发生摩擦而产生巨大的气动热，致使飞机的表面温度升高而使机身材料处于150℃以上的工作环境中。作为飞机的蒙皮材料，Al-Cu-Mg系铝合金的服役温度为150℃及以上时，主要的时效析出相θ′或S相将长大粗化而使合金性能急剧恶化，限制了该合金的应用前景。较之变形铝合金，虽然一些铸造耐热铝合金的耐高温性能好，但由于其较差的塑性变形能力和耐蚀性，降低了市场竞争力，限制了其在航空工业中的广泛应用。目前，主要采用粉末冶金法（包括快速凝固和喷射沉积）来提高铝合金的中高温性能，但是用粉末冶金法生产的耐热铝合金不仅制造工艺复杂，难于制成大型材而且成本极高[2]，所以其大规模应用受到限制。综上所述，为提高合金耐热温度和高温性能，利用传统的铸造冶金法制备耐热铝合金仍然具有突出的实际应用价值。1.均匀化处理对合金铸锭组织的影响1.1合金的铸态组织铸态合金在光学显微镜下的金相组织如图1所示。由图可知，铸态合金的微观组织呈树枝状形态，枝晶网络厚度不一且不连续分布。树枝状组织是由α-Al固溶体组成，枝晶网络及晶界处主要是由非平衡共晶相和少量不溶的金属间化合物组成。三种合金的微观尺寸相差不大，较为接近。选取铸态合金(Al-Cu-Mg-0.33%Ag)进行SEM观察及深入分析。图2为铸态合金微观组织及主要合金化元素的面扫描分布，背散射电子图像显示黑色部分为α-Al固溶体；图2(a)进一步表明合金铸锭组织存在着严重的枝晶偏析，晶界上分布着非平衡的粗大第二相。图2(b)，(c)和(d)分别为Cu，Mg和Ag三种元素的面扫面分布图，由图可知，这些合金化元素不同程度地偏析富集于晶界上，但是在晶内的分布则比较均匀；其中，Cu元素在晶界上的偏析最为严重，其次为Mg元素，而Ag元素在晶内和晶界上都分布较为均匀。综上所述，主要的合金化元素在合金铸锭内不均匀分布。c图1(b)合金的铸态显微组织；abc对合金进一步进行扫面电镜高倍观察和微区能谱分析。根据能谱分析可知，图3(a)灰色区域中的A处只含有Al和Cu元素，Al/Cu原子比接近2:1，见图3(b)所示，由此可知，A处为Al2Cu化合物；图3(a)白色区域中的B点处的化合物成分含有Al，Cu，Mg和Zr四种元素，其中Al和Cu元素质量及原子百分含量高达93%，且两者的原子比接近1:1，见图3(c)，该处为Cu元素严重偏析区域，这可能是由于Cu元素的含量超过了其在α-Al固溶体中的极限固溶度而在该晶界处偏析；图3(a)所指C处的化合物含有Al，Cu，Mg和Ag四种元素，其中Cu/Mg原子比约为1:1，见图3(d)，由此可知，C处为Al2CuMg化合物。综上所述，合金中存在Al2Cu，Al2CuMg等多种非平衡第二相。因此，为了使合金化元素均匀分布并尽可能地完全溶解非平衡的粗大第二相，改善合金铸锭内部的组织状态，提高铸锭的质量，在对合金进行轧制前必须对铸锭进行均匀化退火处理。abcd图2合金铸态显微组织(a)背散射电子像；(b)Cu元素面分布；(c)Mg元素面分布；(d)Ag元素面分布1.2不同均匀化处理工艺对合金铸锭组织的影响根据表1所设计的均匀化退火工艺对合金进行不同均匀化退火处理，并对退火后的样品进行SEM和OM观察与分析，并由此确定合金最佳的均匀化退火处理制度。图5所示为合金经不同均匀化退火处理后的背散射电子像，经均匀化退火处理后，合金晶界处非平衡低熔点共晶相逐渐发生了溶解，枝晶网络厚度变小，粗大第二相逐渐溶入α-Al固溶体中，残留相减少。随着均匀化温度(485℃，500℃，515℃)的升高，非平衡第二相溶解得更加充分，如图5(a)，(b)，(c)及(f)所示。图5(c)，(d)和(e)，均匀化退火温度(515℃)相同，而均匀化时间(8h，16h，24h)逐渐增加，晶界处的非平衡第二相也随均匀化时间的延长溶解得比较充分，但是均匀化时间再进一步增加，其效果相差也不大，见图5(d)和(e)。DTA热分析结果显示在525℃左右有一个明显的吸热峰，表明合金在该温度下有非平衡共晶相开始发生熔化转变，图5(f)是420℃×6h+525℃×8h均匀化处理的背散射电子像，尽管合金溶质原子均匀化得非常充分，但是对合金进行金相组织观察时，发现合金晶界图3合金晶界化合物能谱分析(a)背散射电子像；(b)图(a)中A处的能谱分析结果；(c)图(a)中B处的能谱分析结果：(d)图(a)中A处的能谱分析结果ABC(a)ElementWt%At%MgK8.6812.41AlK54.6770.42AgK12.784.12CuK23.8613.05(d)ElementWt%At%MgK2.774.91AlK32.7552.32CuK59.7940.56ZrK4.682.21(c)ElementWt%At%AlK46.0266.75CuK53.9833.25(b)处出现了一些复熔球，合金发生了轻微的过烧现象，如图6所示。上述实验结果表明，均匀化退火温度对铸锭均匀化效果的影响比均匀化退火时间的影响大，因而，均匀化退火温度是均匀化退火处理的主要影响因素。在保证合金不发生过烧的前提下，尽量提高合金的均匀化退火温度，可保证非平衡的第二相溶解得更充分，残留相也越少。因此得出合金最佳的均匀化处理制度为D，即420℃×6h+515℃×16h，合金经此工艺处理后，晶内成分均匀分布，枝晶组织消失，晶界处的粗大相基本溶解。图5不同工艺均匀化处理制度对合金显微组织的影响(a)420℃×6h+485℃×8h；(b)420℃×6h+500℃×8h；(c)420℃×6h+515℃×8h；(d)420℃×6h+515℃×16h；(e)420℃×6h+515℃×24h；(f)420℃×6h+525℃×8habcdef2.固溶处理对合金的影响2.1合金冷轧态组织在对合金进行固溶处理之前，先来考察合金冷轧态的微观组织，如图7所示。冷轧态合金经腐蚀后在光学显微镜下，仍然观察不到明显的晶界，因而也无法观察到晶粒形貌。这主要是因为合金经冷轧加工时，由6mm的板厚经多道次冷轧为2.16mm，经历了非常大的冷变形量，导致变形组织复杂，晶界和晶内能量相当，因此，晶界并没有被优先腐蚀。但是沿合金的轧制方向仍然可以看到大量被压碎的颗粒，见图7(a)和(c)所示，这是因为这些残留的粒子比较硬，在冷轧过程中发生了开裂并被压碎。有研究指出在Al-Cu-Mg合金中这些残留的被压碎的颗粒主要有Al2Cu和Al2CuMg。图6合金经420℃×6h+525℃×8h均匀化处理后的金相显微照片2.2固溶温度对合金显微组织的影响温度对合金固溶度的影响较大，因此，本节仅讨论固溶加热温度对合金微观组织的影响。为了便于比较，固溶时间均选为2h。在515~530℃之间每隔5℃取一个温度来进行固溶处理，随后对试样进行OM观察与分析，并确定最佳的固溶加热温度。图8所示为2#合金在515℃，520℃，525℃和530℃四个温度下保温2h后的金相组织(观察面均为板材的轧制面)。由图可知，经不同温度固溶处理后，晶粒为等轴状，说明合金已发生完全再结晶；晶粒中还存在少量残留的未溶第二相。随温度的升高(8(a)，(b)和(c))，合金中未溶的第二相数量逐渐减少，且晶粒尺寸也随之变大。温度为515℃和520℃时，晶粒中还存在大量的没有固溶进基体中的第二相；当固溶温度为530℃时，第二相基本溶解，与525℃处理状态相似，但是对合金进行更大倍数的观察时，发现晶界与晶内一些区域存在复熔圆球。这是因为加热温度过高且大于低熔点共晶体的熔点时，共晶体和晶界发生熔化形成液相，高温淬火冷却时就会在组织中形成圆球。即使固溶温度为525℃，合金中仍存在少量难溶的析出相。这是因为Cu元素含量较高(Cu含量为6.07%)超过其在铝中的极限固溶度并且Cu元素的扩散速率较小所导致。由此，RollingdirectionLSTdcba图7冷轧态合金金相组织(a)L-T面；(b)S-T面；(c)L-S面可以判断材料过烧温度为530℃，而2#合金的最佳固溶温度在520-525℃之间。铸态合金在均匀化过程中发生的过烧温度为525℃，而冷轧态合金在固溶处理过程中发生的过烧温度为530℃。这是因为铸态组织中的低熔点共晶体数量多，尺寸大，对温度敏感；而合金经均匀化处理及变形处理(即热轧和冷轧)后，低熔点共晶体数量变少，尺寸变小，残留的过剩相在变形处理中被压碎，对温度的敏感性降低，从而造成了铸锭和轧制板材的不同过烧温度，通常铝合金铸态组织的过烧温度比变形组织的过烧温度低5℃左右。2.3固溶态合金室温拉伸性能合金经525℃×2h固溶，水淬之后马上进行室温拉伸性能测试，见表2所示。由表可见，合金经固溶处理后，抗拉强度和屈服强度都比冷轧态的要高，延伸率也得到了极大的提高，为22.4%。合金固溶处理后，既能保持高的塑性，又能提图8不同固溶温度对2#合金显微组织的影响(a)515℃×2h固溶(b)520℃×2h固溶(c)525℃×2h固溶(d)530℃×2h固溶；(e)为(d)的放大图像abcde高合金的强度。这是因为未进行固溶处理时，冷轧态合金中残留过剩相比较多，也较粗大，质点间距较大，因而对位错运动不会产生很大的阻力；当对合金进行合理的固溶处理时，粗大的残留相溶入铝基体后，固溶度增大，固溶强化起主要的强化效果，从而使合金强度提高。此外，冷轧态的残留相一般都是共晶体，且比较脆，对合金塑性有害而无利，因此，固溶处理时，这些相的溶解有利于合金塑性的提高。表1合金不同处理状态的室温拉伸性能合金热处理状态σb/MPaσ0.2/MPaδ/%2#合金冷轧态285274＜52#合金525℃×2h固溶处理44533522.43.时效处理对合金的影响3.1不同温度下的时效硬化曲线图9为合金在不同时效温度下的硬度-时间曲线。不同温度下的时效合金其维氏硬度随时效时间的变化规律大致类似，都经历了欠时效，峰时效和过时效三个阶段。时效初期，合金的硬度快速升高。170℃时效时，其峰值时间及相应硬度值分别为8h，171HV；185℃时效时，其峰值时间及相应硬度值分别为5h，165HV；200℃时效时，其峰值时间及硬度值分别为1.5h，164HV。随着时效温度进一步提高，达到峰值时效的时间大大缩短，峰值硬度有所下降，并且合金快速进入过时效阶段。三个温度下的时效合金在时效28h后硬度值趋于稳定。图9合金在不同时效温度下的时效硬化曲线0481216202428323640444890100110120130140150160170VikersHardness/HVAgingTime/h170℃185℃200℃4.分析与讨论4.1均匀化处理对合金铸锭组织的影响与分析均匀化退火是铝合金铸锭进行下一步的热，冷压力加工前必经的热处理环节。合金经均匀化退火处理后，组织中的枝晶偏析基本得到消除，部分非平衡粗大相溶解，溶质原子的浓度分布逐渐均匀化。图1所示表明，三种合金铸锭组织存在严重的枝晶偏析，枝晶间隙存在非平衡共晶组织及少量不溶的金属间化合物。选取b合金铸锭进行均匀化退火处理后，合金的微观组织发生了显著的变化。在相同的均匀化时间下，均匀化温度越高，非平衡粗大相溶解得越多。这是因为由公式可知，温度升高，扩散系数D变大，