铝合金热处理

铝合金热处理特点:众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，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、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。2024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。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，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，硬化区的数量也就越多，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，减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu合金说明合金时效的组成和结构的变化。对铝铜系富铝部分的二元相图，在548℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。铜在α相中的极限溶解度5.65％（548℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。[3]2024合金属于Al-Cu-Mg系高强度硬铝合金，由于合金板带材的最佳淬火工艺，以达到改善合金性能，控制其具有强度高，耐热性好，成型性优良及耐损伤等特制淬火变形，提高产品质量的目的。[4]高纯高强铝合金的固溶程度对其性能的影响十分强烈,尽可能地提高固溶程度是提高该类铝合金综合性能的一个有效途径。[5]但是随温度升高，性能变化有一定的特点，控制升温的速度很关键，主要是由于要虑2024铝合金的共晶温度（504.98C），高于共晶温度则发生了变化。铝合金工件加热后的冷却时间必须很短，一避免在固熔处理前工件局部或整体温度下降。工件从出炉到进入固熔处理槽的间隔时间要严格控制，延迟时间过长将导致工件温度下降，发生部分固熔体分解，析出粗大疏松相，产生组织偏析，从而降低时效强化效果。[6]固溶热处理加热时间首先与合金性质、原始状态有关。因各种铝合金的成分相似所以对此不需特殊考虑,那么重点考虑的就是原始组织状态。当强化相比较细时,因固溶较快,加热时间可缩短。例如冷轧状态的板材所需加热时间较热轧状态的短,重复淬火则更短,而一般退火状态因强化相较粗,保温时间应较长。另外,加热时间和加热介质、零件尺寸、量等因素也有直接关系。[7]摘录不同温度时合金DOS分析如下：在480C和490C淬火时，二元共晶中的2CuAl和三元共晶中的S相（CuMgAl2）和CuAl2相开始固熔。在500.33C淬火时，二元共晶中的CuAl2的固熔越明显，组成相的含量比低温时相应的减少，相边界变得圆滑。在504.98C淬火时，强化相减少出现了轻微过烧组织。随着温度的继续升高，固熔更加充分，主要强化相显著减少，组织发生明显变化，合金中出现了共晶体和局部晶界复熔及熔相球和过烧三角形。淬火温度愈高，过烧特征愈明显。在504.98C淬火后，组织出现了轻微过烧，在此温度淬火后合金的力学性能最高。尽管此时S（CuMgAl2）相固熔得相当充分，CuAl2相也已明显固熔，但合金基体强化作用还是主要的，故合金的力学性能非但未降低，反而有所提高一直达到峰值。当晶界出现明显的粗化和过烧三角形时，力学性能才明显降低。性能滞后于组织的原因是2024铝合金是时效强化合金，淬火温度愈高，淬火后时效强化效果就愈好。如果保温时间断，强化相溶解不充分，虽然超过三元共晶温度，但合金仍未达到饱和限。因此，轻微的过烧，不但不降低材料的抗拉强度和伸长率，而且使其有所提升高，使其疲劳性能才明显下降。当加热至525C，保温6min和12min时，CuAl2相得到充分固熔，并析出硬而脆的强化相，引起沉淀强化。因此，2024铝合金淬火后必须进行金相组织检验。[8]由以上数据分析可知，在我们的实验操作中出现了与文献资料有偏差的情况。理论上，在2024铝合金的共晶温度点附近，应该达到最为理想的性能，即：硬度达到最大。再随温度升高出现过烧现象影响合金的综合性能。即是资料中的500℃以后硬度下降的现象。对于这次试验数据中得到的在480℃有最大硬度，随温度升高硬度直接下降的现象，个人总结做出以下设想：1、由于实验环境复杂，各项指标未能达到正确实验的标准，所以在制备及操作中出现一些误操作，使制备的原材料不符合标准2024铝合金的技术参数要求。于是出现数据误差；2、由于制备的试样粗糙不均匀，在进行性能测试时出现技术偏差，硬度测定过程中有错误操作等原因，使结果异常。综合以上实验数据分析，我们得到：只有在修正实验参数，以及在正确操作和理想环境下，才能得到有参考价值的实验数据。本次实验数据存在技术偏差，不能客观反应2024铝合金的性能规范。需要在多次大量的实验操作后重新评估2024铝合金中固熔温度对其组织性能的影响。但是也不排除本次试验数据的现实意义，有可能该数据对纠正前人错误观点有所帮助，但是不能仅仅凭借一次实验草率做出判断，需要以后更多的实验来分析论证。