热处理工艺对ly12组织及性能的影响

热处理工艺对ly12组织及性能的影响内容摘要：

3， 17]： α过饱和固溶体→ GP(l)区 →GP(2) 区（ θ//） →中间相 θ/→ 稳 定 相 θ。 在 LY12铝合金属 A1CuMg系合金，它的析出行为与 AlCu系二元合金不同。 主要是添加 Mg后，形成两种 GP区和两种中间相。 在 LY12铝合金的成分范围内，起强化作用的 GPB区和中间相 S/， 时效过程也主要取决于 GPB区的形成和长大。 同 GPθ区相比， GPB区在低温下形成和长大的速度慢，而在较高温度下形成和长大的速度加快，很快长成 S/相。 这也是 LY12铝合金性能优良的原因。 由时效的定义可知，铝合金时效强化的前提，首先是进行固溶处理，获得过饱和的 单相组织。 时效的基本过程是强化相析出 (沉淀 )的过程，在析出过程各过渡阶段中析出相及其 周围的应 变场阻碍位错运动，从而引起复合材料的强化。 与此同时，由于过饱和固溶体 的浓度降低，固溶强化效果减弱，又引起合金的软化，再加上析出过程中应力应变以及 回复再结晶等因素的影响，致使时效过程中复合材料性能的变化情况相当复杂。 合金的化学成分与合金的时效强化有密切关系。 一种合金是否可以通过时效进行强 化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随时间变化的程度。 铁、镍基本上不溶解于铝中，故铝 铁、铝 镍系合金不能进行时效处理。 硅、锰在铝中的固溶度比较小，且随温度变化不大。 而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度 ，但 是它们与铝形成的化合物 (第二相 )的结构与基体差异不大，强化效中北大学 2020 届本科毕业设计说明书 第 11 页 共 28 页 果也不大。 因此，二 元铝 硅，铝 锰，铝 镁与铝 锌合金等一般不采取时效处理地方法来强化。 如果在 铝中加入某些合金元素能形成结构与成分复杂的化合物 (第二相 )，则在时效过程中形成 的 GP 区的结构就比较复杂，与基体共格关系引起的畸变也较严重，因此合金的时效强 化效果就较为显著。 近年来的研究表明，淬火空位对时效过程也有很大作用。 所谓淬火空位是指金属加 热时，由于原子活动能力大，晶格空位浓度增多，淬火后这些空位被固定下来，故称为 淬火空位。 如果合金没有淬火空位的话 ，室温时溶质原子的扩散能力是不足以形成 GP 区的。 实验原理 热处理实验 铝合金的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定的速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。 1. 淬火温度的确定 与钢铁淬火温度相比，铝合金允许淬火温度范围是比较窄，为 498177。 5℃ ，因 此 在生产操作及仪表控制方面应严加注意，以防止过烧或加热不完全；温度过高会使合金中低熔点共晶体熔化，这种现象叫过烧。 过烧现象 在显微镜下观察可以看到在合金组织中有球状共晶体。 在晶界处有三角或网络状的共晶体和晶界发毛变粗等现象，过烧现象是铝合金淬火时不允许的，因为过烧的半制品机械强度显著降低，耐蚀性能变坏，制成的零件会出现破坏事故，所以淬火温度应低于过烧温度， LY12的过烧温度为 506℃ [18]。 经研究可知，铝合金固溶温度越高，固溶后饱和程度越高，因此固溶温度的选择原 则是 :在保证合金不过烧的前提下，应尽可能地提高固溶温度。 固溶加热时，合金中的 强化相溶入固溶体中越充分，固溶体的成分越均匀，则经过固溶时效后合金的力学性能 就越好。 一般来说，固溶温度越高，上述过程就进行得越快越完全。 但是如果温度过高 则可能会引起晶粒粗大，甚至发生过烧 (局部熔化 )而使产品报废。 若固溶温度偏低，加热不足，强化相将不能完全溶解，导致固溶体浓度大大降低，最终强度、硬度也相应显著降低。 故固溶温度是一个很重要的工艺参数。 铝合金的加热温度范围很窄，因此，热处理加热炉的温度误差应很小，通常在 土 5℃ 以内，这样铝合 金的力学性能和金相组织才能得到保证。 中北大学 2020 届本科毕业设计说明书 第 12 页 共 28 页 2. 时效时间及温度的确定 根据 HB/Z512679的标准要求：在对 LY12铝合金自然时效时，要求室温 96h以 上，如 图 为 LY12 板材自然时效曲线 [9]：可以看出，在时效处理的最初， LY12铝合金的性能随时效时间增加而增加，当时效达到 96h 时，性能达到最佳，当时效时间超过 96 小时，其力学性能趋于稳定，因此，自然时效的时间为 96 小时。 但根据 HB/Z512679 的标准要求，在对 LY12 铝合金人工时效时，温度要求在 185－195℃ ，时效时间为 12 小时，如图 铝合金的人工时效曲线，可以看出，在190℃ 下对 LY12 铝合金进行时效处理时，拉伸强度随时效时间的增加而增加，并在 6 小时后趋于平衡，在 6 小时后随时间的增加变化不大；屈服强度一直呈增加的趋势；伸长率随时效时间的增加而缓慢降低。 所以，人工时效的最佳时效时间为 5小时左右。 图 LY12 板材自然时效曲线 [9] 图 LY12 铝合金人工时效曲线 [9] 在本实验中，选择时效温度为 190℃ ，时效时间为 6h。 如果温度过低，由于扩散困难， 区不易形成，时效后强度，硬度低；当温度过高时，扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大， 时效后强度，硬度偏低，即产生过时效。 因此，各种合金都有最适宜的时效温度。 硬度测定实验 硬度是指材料对另一更硬物体 (钢球或金刚石压头 )压入其表面所表现的抵抗力。 硬度测量能够给出材料软硬程度的数量关系。 另外，硬度与其它机械性能 (如中北大学 2020 届本科毕业设计说明书 第 13 页 共 28 页 屈服强度、伸缩率、颈缩率 )之间有一定的内在关系，可以说， 硬度的大小对于机械零件和工模具等的使用性能及寿命具有决定性意义。 又由于测硬度简便易行，又不损坏工件，因此在生产和科研中应用十分广泛。 材料的硬度值与抗拉强度有近似的正比关系。 例如： бb=kHB 式中 k系数，不同的材料和不 同的热处理状态其 k 值不同。 碳钢的 k≈ 、调质状态的合金钢的 k≈ 、铸铝的 k≈。 常用的硬度试验方法及使用范围如下： 布氏硬度 应用于黑色、有色金属的原材料检验，也可测定一般正火、退火后的材料硬度。 洛氏硬度 主要用金属材料热处理后的产品性能检验。 维氏硬度 应用于薄板材料及材料表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。 显微硬度 主要用于测定金属材料组织组成物或各组成相的硬度。 在本次实验主要用于测定高强度铝合金（ LY12）的硬度，要求误差小，且 LY12铝合金较软，所以选用布氏 硬度。 1. 布氏硬度试验 布氏硬度试验的原理是用一定直径 D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以 一定的试验力 F(N)，将其压入试样表面，经规定保持时间 t(s)后，卸除试验力，试验表面将残留压痕。 测量压痕平均直径 d(mm),求得压痕球形面积 A(mm2)。 布氏硬度值 (HB)就是试验力 F除以压痕球形表面积 A所得的商。 F以 N为单位时，其计算公式为： HB= =22()FD D D d  通常：布氏硬度值 不标出单位。 由于压头的材料不同 ，因此布氏硬度值用不同的符号表示，以示区别。 当压头为淬火钢球时，其符号为 HBS，适用于布氏硬度值在 450以下的材料；当压头为硬质合金球，其符号为 HBW，适用于布氏硬度值在 450－ 650的材料。 对于材料相同厚薄不同的试样，要测得相同的布氏硬度值；或对软硬不同的材料，要求测得的硬度具有可比性，在选配压头直径 D及试验力 F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角 φ保持不变），与此同时，压痕直径 d应控制在（ 中北大学 2020 届本科毕业设计说明书 第 14 页 共 28 页 － ） D之间，以保证得到有效的硬度。 布氏硬度试验用的压头直径 D有 10mm、 5mm、 、 2mm和 1mm5种。 主要根据试样厚度选择，应使压痕深度 h小于试样厚度的 1/10。 当试样厚度足够时，应尽可能选用直径为 10mm的压头。 布氏硬度试验的 、 1 、 1七种，其中。 表 ： 表 材料 布氏硬度范围 范围 钢和铸铁 ＜ 140 ≥ 140 10 30 轻金属及其合金 ＜ 35 38～ 80 ＞ 80 （ ） 10（ 5或 15） 10（ 15） 铜及其合金 ＜ 35 35～ 130 ＞ 130 5 10 30 铅、锡 （ 1） 当压头直径 D 及 ，试验力 F(N)也就随之确定了。 黑色金属的试验力保持时间为 10～ 15s；有色金属较软，塑性变形需要时间，故试验力保持时间规定为 30s；对于 ＞ 35HBS 的材料，保持时间为 60s。 2. 布氏硬度试验的优缺点 布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头，因而所得压痕面积较大。 压痕面积大的一个优点是其硬度值能反映金属在较 大范围各组成相的平均性 能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响，因此，布氏硬度试验也可 适用于测定灰铸铁，轴承合金等具有粗大晶粒，或组成相的金属材料的硬度，压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性较强。 布氏硬度试验的缺点是对不同材料需要换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量比较麻烦，因而用于自动检测时受到限制；当压痕直径较大时不宜在成品上进行试验。 金相试样的制备及显微摄影 [19] 1. 金相试样的制备 中北大学 2020 届本科毕业设计说明书 第 15 页 共 28 页 为了在金相显微镜侠正确有效的观察到内部显微组织，样品必须预先经过精心的制备 主要程序：取样－磨光－抛 光－腐蚀等。 ① 取样 取样部位及磨面（观察面）的选。