7075時效對組織與性能的影響

1、研究報告時效處理對 7075 鋁合金組織和性能的影響興發(fā)創(chuàng)新股份有限公司廣東工業(yè)大學2003 年 6 月 8 日本文研究了熱處理方法對 7075 鋁合金的組織和性能的影響， 主要是討論不同 的時效工藝的影響。經過測量120 °C單級時效制度下不同的時效時間的試樣的硬 度、屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率，得知7075鋁合金120 C單級時效時保溫 24 小時可得最好的強度和塑性的組合。 通過雙級時效的正交實驗得知 7075鋁合金的雙級時效處理時預時效的溫度為140 C,保溫4小時，二級時效的溫度為140 C160 C,保溫10小時，這種處理工藝可獲得綜合性能較好的制品。關鍵詞：

2、 7075 熱處理 雙級時效摘要 2Abstract .3目錄 4第一章 文獻綜述第一節(jié)超硬鋁合金的簡介 51. 1. 1鋁合金的應用與發(fā)展 51. 1.2超硬鋁合金化 .51. 1. 3超硬鋁的組織 .61.1.4. 超硬鋁的一般特性 71.1.5. 超硬鋁的熱處理方法 71.1.6. 超硬鋁的品種和用途 71.1.7. 超硬鋁的應用前景和可能的障礙 .8第二節(jié)7075鋁合金簡介 1. 2. 17075 簡介 . 91. 2. 27075 的各種性能 . 91.2.3 7075 的研究現狀和發(fā)展趨勢 . 10第三節(jié) 本課題研究的主要內容、目的及意義 . 11 第二章 實驗原理與過程第一節(jié)實驗

3、原理 12第二節(jié)實驗過程 .2. 2. 1 實驗方案 . 142.2.2 實驗步驟 2.2.2.1 基本工藝流程 172.2.2.2 準備試樣172.2.2.3 熱處理 182.2.2.4 硬度測試192.2.2.5 顯微組織觀察 202.2.2.6 拉伸試驗21第三章 實驗結果及分析第一節(jié)硬度值及其分析 21第二節(jié)顯微組織分析 24第三節(jié)拉伸實驗結果分析 26結論 30參考文獻 31第一章 文 獻 綜 述第一節(jié) 超硬鋁合金簡介1.1.1 鋁合金的應用與發(fā)展在有色金屬中，鋁及鋁合金是應用最廣泛的一類金屬結構材料，起產量僅次與 鋼鐵，而按地殼中的蘊藏量則占首位。由于鋁合金的密度小，強度大，所以航

4、空工業(yè)的發(fā) 展和鋁合金的應用是密切相 關。在本世紀初，正是應用鋁合金代替木質結構才使飛機進入全金屬結構的時代， 從而大大提高了飛行速度和航程。至今日，鋁合金仍然是飛機的主要結構材料。在 航空附件、儀表生產中，鋁合金也是常用材料。這不僅可減輕重量，而且由于生產 工藝簡便， 有利于減低成本和組織大批量生產。 在其他國防工業(yè)中， 如裝甲、 坦克、 武器及艦艇等， 鋁合金也是不可缺少的材料。 至于在民用工業(yè)中， 如在機械、 造船、 運輸、電器、建筑和輕工業(yè)等部門中，以及在日常生活中，鋁合金的使用價值則早 已為人們所熟知。隨著高超音速和遠程飛機的出現，以及 空間技術的發(fā)展，對鋁合金也提出了新 的更高的要

5、求，為了適應這種形勢，除了研制新合金系外，也要盡力改進原有比較 成熟的合金。對作為航空航天結構材料的鋁合金，不僅要求其有高的強度，而且還 要有良好的韌性、抗應力腐蝕性能和抗剝落腐蝕性能。超硬鋁合金的發(fā)展歷史較硬鋁合金短，四十年代才有定型產品，五十年代開始大批生產和應用。但它的強度是在變形鋁合金中是最高的，可達600700Mpa,超過硬鋁，故有超硬鋁合金之稱。這類合金除強度高外，在相同的強度水平下，斷裂 韌性也優(yōu)于硬鋁合金， 同時具有很好的熱加工性能， 適合生產各種類型和 規(guī)格的半 成品。因此，在航空工業(yè)中，特別是飛機制造業(yè)中，超硬鋁合金是主要結構材料之 一，其主要缺點是抗疲勞性能較差，對應力集

6、中敏感，有明顯的應力腐蝕傾向，耐 熱性也低于硬鋁合金。但近幾十年來，通過調整成分，提高冶金質量和采用一系列 新的加工工藝和熱處理制度，其綜合性能有了明顯的改進。1.1.2 超硬鋁合金化超硬鋁合金屬于 Al-Zn-Mg-Cu 系，是在 Al-Zn-Mg 三元系基礎上發(fā)展起來的。 鋅和鎂在鋁合金中有很高的固溶度 : 在 Al-Mg 系中，鎂在鋁中的極限溶解度為 17.4%（450 C）；在Al-Zn系中，在275 C （共析溫度）鋅的溶解度為 31.6% , 382 C （共 晶溫度）則高達 82.8%。但鋅和鎂作為獨立組元，由于時效硬化作用微弱而不可能 達到高硬度水平。鋅、鎂共存是，則形成一系列

7、新相B、T、n、B和丫，其中B相為 Mg5AI8，T相為 Al2Mg3Zn3，n相為MgZn2, 9相為 MgZn5, 丫相是以 Zn為基 的固融體。 MgZn2 和 Al2Mg3Zn3 在鋁中有較高的溶解度和明顯的溫度關系，有強烈的時效硬化效應。工業(yè)上實際應用的Al-Zn-Mg系合金，其成分范圍一般處于a +T或a +T+ n相區(qū)。在淬火時效處理后強度可達到400500Mpa，同時在工藝性能方面還有許多優(yōu)點，如熱塑性好，適宜壓延、擠壓和鍛造；有較寬的淬火溫度范圍， 從350500 C淬火后可獲得相近的性能；對淬火速度不敏感，鋅、鎂含量較低而 無錳、鉻的合金具有自淬火效能，斷面不超過18 毫米

8、的擠壓件，擠壓后空冷即可形成過飽和固溶體，無需重新淬火。Al-Zn-Mg 系還有很好的焊接性能，焊縫在焊后初期產生軟化， 但經自然時效強度可以得到恢復， 所以這類合金很適宜制造焊后 不便進行熱處理的焊接構件，廣泛應用于裝甲、火箭燃料箱、車輛、橋梁和建筑等 方面。超硬鋁是在 Al-Zn-Mg 系中添加了銅、鉻、錳等元素，以進一步提高合金的機 械性能，特別是解決高鋅鎂合金中存在的應力腐蝕問題。Al-Zn-Mg 系合金的強度隨(Zn+Mg)總量的增加而提高，但總量超過9%后，由于晶界析出成連續(xù)網狀分布的脆性相，使合金處于脆性狀態(tài)。添加適量的銅，除銅本身的固溶強化作用外，也 改變了合金的沉淀相相態(tài)結構

9、，使時效組織更為彌散均勻，既提高了強度，也改善 了塑性，同時對抗應力腐蝕也能發(fā)揮良好的作用。含銅的缺點是焊接性能下降，容 易在焊縫附近的熱影響區(qū)引起熱裂紋，所以超硬鋁合金大多采用鉚接和粘接，避免焊接。目前，工業(yè)上常用超硬鋁合金的成分范圍大約是：5 8%Zn， 1.7 3.6%Mg， 0.8 3.0%Cu， 0.1 0.5%Cr ， 0.2 0.8%Mn 及少量鈦、釩等元素。常用超硬鋁合金的主 要組成為 a +MgZn2+T(Al2Zn3Mg3)+S(Al2CuMg) ，此外尚有少量含鐵、硅、銅、錳等 元素的雜質相。超硬鋁合金在人工時效狀態(tài)下使用，MgZn2 相是主要強化相。1.1.3. 超硬鋁

10、的組織目前， 工業(yè)上常用超硬鋁合金的成分范圍大約是：5 8%Zn ， 1.7 3.6%Mg ，0.8 3.0%Cu ， 0.1 0.5%Cr ， 0.2 0.8%Mn 及少量鈦、釩等元素。其主要組織為 a +n (MgZn2)+T(Al2Zn3Mg3)+S(Al2CuMg) ，但因 Cu 量的多少而略有變化，當超硬 鋁含57%Zn和13%Mg時，Cu > 0.7%即會出現 S相，Cu > 2%還會出現 B相， 但超硬鋁合金的主要強化相是 n 相，此外尚有少量含鐵、硅、銅、錳等元素的雜質 相。n相在470 C的最大溶解度可達28%，而在室溫只有 4%，所以有極高的時效硬化效應。超硬鋁

11、的時效過程與Al-Zn-Mg合金一樣，也是 G.P.區(qū)-n'- n- T相，但在120160 C時效，只發(fā)生 n相的沉淀過程，只當Ta > 270 C時才能出現 n - T的沉淀過程。這是因為Zn的擴散系數比 Mg高，低溫時效只能發(fā)生富Zn相MgZn2的沉淀過程，高溫時效才能發(fā)生富Mg相T的沉淀過程。含Cu相(B和S)的沉淀過程比較復雜，有的研究結果認為在125 C以下時效出現B和S相，在Ta > 125 C時效出現 n相。但也有人認為在 120 C時效32天， 160 C時效100h，只有n相出現。另外， Cu對時效速度也有影響， T a < 50 C能減 慢時效過

12、程，但 Ta =100200 C又能促進人工時效過程，而且能擴大G.P.區(qū)的存在溫度范圍， 即能提高TC溫度?？傊?，超硬鋁的 Cu> 0.7%后，在125150 C時效， 可以認為是在 Al-Zn-Mg系沉淀過程(G.P.區(qū)n n T)的基礎上，又出現了Al-Cu-Mg 系沉淀過程（G.P.區(qū)S' S）。1.1.4. 超硬鋁的一般特性超硬鋁合金的淬火溫度較寬，過燒敏感性小，在460500 C之間淬火，皆可保證合金的性能，例如 LC4板材，一般規(guī)定淬火溫度為 470 ± 5 C,其他幾種常用的 超硬鋁合金也采用此規(guī)范。前面已經提到，超硬鋁合金的性能對淬火冷卻速度的敏感，因

13、此在淬火轉移時 間和淬火介質上必須有所規(guī)定，生產中一般把轉移時間限制在 15 秒以內。在較緩慢的冷卻條件下，不僅強度下降，同時抗腐蝕性也受到損害。1.1.5. 超硬鋁的熱處理方法超硬鋁合金是一種可熱處理強化的邊形鋁合金，其熱處理方法可采用退火，固 容，時效等一般的熱處理方法。 但一般不采用自然時效制度， 其原因是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金 G.P. 區(qū)形成速度緩慢，自然時效過程常常延續(xù)數月才能達到穩(wěn)定的階段， 而且和人工時效相比， 抗應力腐蝕能力也較差， 故超硬鋁合金只進行人工時效處理。超硬鋁合金的人工時效制度分單級和分級時效兩種。以LC4 合金為例，單級時效規(guī)范為120 C時效24小時

14、，此時沉淀相結構以 G.P.區(qū)為主，并有少量n ',合金 處于時效硬化狀態(tài)；分級時效為120 C 3小時+160 C 3小時，此時強化相以n '為主。第一次處理相當于形核處理，第二次提高時效溫度，以原G.P. 區(qū)為核心，形成均勻分布的 n '相，使合金保持較高的疲勞性能及抗應力腐蝕能力。1.1.6. 超硬鋁的品種與用途在超硬鋁合金中， LC3 屬鉚釘用鋁，強度與 LC4 相同，但塑性較高。為了獲得 較高的塑性及鉚接性能，不僅把鐵、硅等雜質含量限制在最低水平，不加錳、鉻， 而且降低了塑性有不利影響鎂含量，提高了鋅含量。合金的相組成為 a、MgZn2、T（AI2Zn3Mg3

15、）及TiAl3。熱處理為 470 ± 5°C淬火，十晝夜之內進行人工時效（100 C3小時+168 C 3小時）。可在淬火時效后任何時間內進行鉚接。LC3的典型性能為：（T 0.2=52.0Mpa ， S =14%, t 0.2=32.0 Mpa ，在鉚釘鋁材中，LC3 的強度最高。LC4 合金和蘇聯的 B95 和美國的 7075 相當，是應用最早和最廣的一種超硬鋁合 金?？缮a板，型材和模鍛件，應用于飛機結構，如翼梁、蒙皮，起落架等。7075鋁合金及其他超硬鋁合金的一個共同缺點是耐熱性低，例如在125 C負載工作超過100小時，強度降低10%,在175 C則降低 70%,

16、因而使用溫度不應超過 120 C。LC5 是在 LC4 合金基礎上發(fā)展起來的超硬鋁合金。由于不含鉻，又降低了鎂、 銅含量，故提高了塑性，適于鍛造螺旋槳葉。LC6 是含有大量鋅、 鎂、銅的高合金化超硬鋁合金， 與蘇聯的 B96 和美國的 7001 相當，是強度最高的一種鋁合金。和 LC4 一樣， LC6 的缺點是熱強性低，對應力集 中敏感。因此，應用 LC6 時要特別注意工件截面過渡部分的設計，力求平緩過渡， 避免引起應力集中，LC6主要生產鍛件和擠壓半成品，用于受壓應力的構件或應力集中最小，外形平整的零件。LC6的熱處理規(guī)范為 466473 C淬火，95105 C時效45小時，再在 15516

17、0 C時效89小時。也可采用140 C時效6小時。1.1.7. 超硬鋁 未來 的應 用前 景和 可能 的障礙鋁及其 合金的未來應用包 括結構材料和功能材料領域。 先進材料的 開發(fā)總 是用兩個相反的需要來促進，一個是追求提高性能，往往會增加成本；另一個是降 低材料或零件的成本以便確保在工業(yè)應用上與其它候選材料相比有更大的競爭性。 為了分析未來的應用， 我們必須對這個世紀人們的生活方式有明確的概念。 每個國 家在需求鋁合金材料方面都有自己獨特的環(huán)境。 比如， 美國有許多與航空航天相關 的工業(yè)，他們更注重性能而對成本不太敏感；但對日本，與民用相關的工業(yè)（如汽 車工業(yè)）較多，因此更傾向于對成本敏感。為

18、了打破可能的障礙。重要的是滿足用 戶的社會和經濟需求。未來的主要方向似乎是：（ 1）為了提高技術水平，開發(fā)高附加值的合金并更有效第生產這些合金，關 鍵的一點是不斷發(fā)展理解顯微組織 - 性能關系的基礎理論。新合金的開發(fā)總是包括 兩個相互矛盾的需求之間的競爭， 即提高性能和降低成本以便提高產品的全面競爭 力。（ 2）先 進的 飛機 骨 架和 推進 系統(tǒng)需 要開 發(fā)新 的 結構 材料 ，其 性能要 大大 優(yōu)于 目前能達到的水平。 在鋁合金領域正在開發(fā)新的加工技術和復合材料， 用快速凝固 和機械合金化生產的合金具有其它生產方法無法達到的獨特性能。 精細的表面處理 技術可有效地提高表面特性，如表面強度、

19、耐蝕性和潤滑性等。此外，超塑成形、 等溫鍛造、冷等靜壓和熱等靜壓粉末冶金技術提供凈形部件，導致成本明顯減少。 技術進步在先進材料的成本節(jié)約起重要作用。（ 3）不同材料的競爭和替代對每種材料的應用領域都產生重要影響。這方面 有一些例子， 如玻璃纖維增強的塑料取代一些鋁壓鑄件。 未來材料的替代必須用全 面的成本 - 效益來評價，包括原材料加工成最終產品的成本、后續(xù)保養(yǎng)的簡單性和 安全性、使用性能以及與環(huán)境考慮有關的回收成本等 5 ?？偟膩碚f， Al-Zn-Mg-Cu 系合金通過合金發(fā)展和改變熱處理，在克服應力腐蝕 開裂方面和改善其他性能方面都已取得了很大的進展。 正是因為超硬鋁合金對發(fā)展 我們國防

20、和民用工業(yè)有著舉足輕重的作用，不斷地發(fā)展和改善它有著迫切的需要。 鋁合金從強度高但耐蝕性能不穩(wěn)定的 Al-Zn-Mg 合金起步，然后向強度最高但耐蝕 較低的 Al-Zn-Mg-Cu 合金發(fā)展， 最后， 必定能研制出強度高， 耐蝕性最佳的鋁合金。 鋁合金正走向超 高強度、耐腐蝕、低密度、耐熱方向，具有廣闊的應用前景。第二節(jié) 7075 鋁合金簡介1.2.1 7075 簡介7075 鋁合金是 Al-Zn-Mg-Cu 系超硬鋁鋁合金 7XXX 系列中的一種， 它相當于 我國舊牌號的 LC4,和前蘇聯的 B95鋁合金，有著和其他超硬鋁合金一樣，具有高 強度、較好韌性的優(yōu)點，同時，還存在 抗應力腐蝕性能和

21、抗剝落腐蝕性能較差等缺點所以一般要進行包鋁處理。它是7XXX中運用得最早及最廣的一種，作為高強結構鋁合金，它廣泛應用于航空、航天等重要領域，如飛機翼梁、蒙皮，起落架等。(表1 )為7075鋁合金的化學成分表：表1 7075鋁合金的化學成分(質量分數，%)合金元素雜質，不超過ZnMgCuCrAlMnFeSiTi其他雜質單個合計5.16.12.12.91.22.00.18 0.28余量0.30.50.40.20.050.15包鋁合金7075成分范圍7072 包層,0.10 Cu max， 0.10 Mg max， 0.10 Mn max，0.70 Si+Fe ， o.8 一 1.3 Zn其他成分每

22、種最高含量0.05，其他成分最大總含量為0.15，余量為Al.1.2.27075的各種性能典型用途主要用語飛行器蒙皮等結構件和主要受力件及其他要求強度高和抗腐蝕性能強的高應力結構件如液壓系統(tǒng)作動筒，起落架，機翼前梁及機身機翼對接框等。 使用注意事項該鋁合金的主要強化相是非耐熱相，所以強度會隨著溫度的升高而降低，因而 不能在高于125 C的 溫度下長期使用。在T6狀態(tài)下使用時應該謹慎，這時會遇到持久的拉伸應力(殘存的或施加的)，尤其在晶粒垂直方向更是如此。在此情形下，應 考慮到T73狀態(tài)，而在拉伸強度 上可作些 犧牲”。另外，7075合金的抗腐蝕性能比較 差，一般要在外面進行包鋁。剪切強度合金(

23、裸)和包鋁合金，O犬態(tài)：152MPa(22ksi);合金(裸)：T6, T65I狀態(tài)：331MPa(48ksi);包鋁合金 T6，T651 狀態(tài)：317 MPa (46ksi)。硬度O狀態(tài)：60HB，T6，T651狀態(tài)：150HB。數據取自直徑 l0mm球及在500kg載荷下 30s的測試結果泊松比 0.33。彈性模量拉伸：71.0GPa(10.3 3 106Psi);剪切：26.9GPa(3 . 9X106Psi);壓縮：672.4GPa(10.5 3 10 Psi)。疲勞強度T6，T651，T73狀態(tài)：光滑無缺口試件在R。R. Mor6型測試中環(huán) 53 108次，為 159MPa(23ks

24、i)。密度20 C (687F)，2.80g / cm3(0.101 lb / in 3)。液相線溫度635 C (1175F)固相線溫度477 C (890T).此溫度為未經固熔熱處理的非均質鑄或壓力加工材料的共晶溫度。初熔溫度 均質 ( 經固熔熱處理的 ) 壓力加工材料 532C ( 的 990F) 。 線( 熱 ) 膨脹系數20 C (68F) 體積， 683 106m3(m3.K)比熱容 100 C (212F) ，960J (Kg2 K)熱導率 20 C (68F) , T6, T62 , T61 , T652 狀態(tài)：130W/ (m2 K) ; T76 , T7651 狀 態(tài):15

25、0 W (m2 K) ； T73， T7351 ， T7352 狀態(tài)： 155 W (m2 K) 。電導率 容量(測定)法，20 C (68F); T6 , T62 , T651 , T652狀態(tài)：33 % IACS;T76 , T7651 狀態(tài)： 38.5 IACS； T73,T7353 ， T7352 狀態(tài) :40 IACS。電阻率 20 C (68F) : T6, T62, T651 , T552狀態(tài)：52.2n Q .m;T76 , T7651 狀態(tài)：44.8 n Q .m; T73, T7351。17352 狀態(tài)：43.1 n Q .m。溫度系數：20 C (68F).所有狀態(tài)，0.

26、1 n Q .m K。,2.2.3 7075 的研究現狀和發(fā)展趨勢美國和原蘇聯等國家的鋁工業(yè)界控制合金中的雜質含量，同時調整合金化元素 含量， 開發(fā)了一系列新的高強高韌性 Al-Zn-Mg-Cu 系合金。 美國鋁業(yè)公司 1968 年開發(fā) 出7049鋁合金，主要用來生產 T73狀態(tài)的鍛件和擠壓件，也可以生產厚板和薄板。1975年研制出 7149鋁合金， 1982年研制出 7249 鋁合金，主要用來生產鍛件 1969 年研制成 高斷裂韌性的 7475鋁合金，主要用于生產預 T61 和 T761 狀態(tài)薄板， T651 、T7651 和 T7351 狀態(tài)厚板狀態(tài)，廣泛用于制造飛機機身機和機翼的獲皮、冀

27、梁、艙壁以及子彈殼； 1971 年研制成功高強和斷裂韌性、抗應力腐蝕性能較高的7050鋁合金，主要用來生產T7651和T7451狀態(tài)的厚板，T76511和T73511狀態(tài)的擠壓件，T7452狀態(tài)的自由鍛件 , T74狀態(tài)的模鍛件和 T73狀態(tài)線材，以及用7072合金包鋁的薄板，用7108合金包鋁的7050-T76 薄板，用于制造飛機機身框架和艙壁、機冀蒙皮、拓條、加強筋、鍛件、 起落架支承件、鉚釘等 .我國東北輕合金加工廠科研所、 航空航天部 621 所等單位， 從四年代初以來開展 了 Al-Zn-Mg-Cu系超強高韌性鋁合金的研制，參考美國鋁業(yè)公司和原蘇聯新開發(fā)的鋁合金的文獻資料，試制成功2

28、124、 2224 、2324、7175、7475、7075、7150 等合金，提交小批量產品給用戶復驗和試用，并且已通過部級技術鑒定。7075是現有鋁合金中強度最高的材料，而且耐腐蝕性能好，應該是飛機主要受力構件的優(yōu)選材料。它的擠壓加工性良好，復雜斷面擠壓型材容易。在退火狀態(tài)、 固溶狀態(tài)以及常溫狀態(tài)下都有良好的成形性能。目前國內外對 7075 的研究方向主要是如何改善其抗應力腐蝕的能力而不會降低 其強度，從而獲得較好的綜合性能。而其研究方法主要是通過添加或改變各元素的 含量和不同的熱處理工藝方法來改善其抗腐蝕能力。第三節(jié) 本課題研究的主要內容、目的及意義我 們 可 以 通 過對 絕 大 部分

29、 金屬 材 料 進行 熱 處 理 而 獲 得 機械 性 能符 合 要求 的 產 品。在熱處理過程中，只要改變 其中的一項參數，材料的機械性能就會發(fā)生較大的 變化， 而對有色金屬的來說， 最常用的熱處理方法是固溶和時效處理。 在熱處理中， 影響材料性能的主要參數有固溶溫度、保溫時間、冷卻速度、冷卻水溫、時效溫度 和時效時間等等。本課題主要是研究上述各熱處理工藝參數對超硬鋁合金 機械性能的影響。實驗 內容主要為：第一，對 7075 鋁合金擠壓棒分別進行常規(guī)固溶和強化固溶兩種不同的固溶方 法進行熱處理采用統(tǒng)一的人工時效制度。第二，先對 7075 鋁合金擠壓棒進行統(tǒng)一的固容處理，然后分別進行單級時效

30、和多級時效處理。第三，對第一和第二步所得的 試樣進行顯微組織觀察，比較采用不同熱處理工 藝的試樣顯微組織的差異；進行硬度測試和拉伸試驗，比較其強度硬度、屈服強度 和延伸率等數值的大小。最后，分析原因，總結實驗結論，從而得知改變固溶溫度對 影 響 7075 鋁合金 最終機械性能的意義。 繼而 望能尋找到一種進一步改善超硬鋁合金強度和綜合性能 的熱處理方案，有助于深入對超硬鋁合金的研究。本課題的目的就是在參考國內外的研究資料的基礎上，通過不同熱處理工藝的 實驗， 對實驗結果進行縱向和橫向的比較， 希望能夠從中找出最理想的熱處理工藝 參數，使工件能夠獲得最好的綜合性能。實驗中可能遇到的問題：現有的資

31、料太多，太亂又沒有統(tǒng)一的標準，不知道從 那里開始才能節(jié)省資金和時間； 而且學校實驗室的設備太落后， 可能得不到精確的 實驗結果。以這樣一 個課題作 為畢業(yè)論文 來做 是非常有意 義的。因 為鋁合金是 一種應用 廣泛的傳統(tǒng)材料， 無論那方面的資料都很多， 技術已經很成熟但是也因為她的傳統(tǒng)， 在復合材料，納米材料，高分子材料等應用新技術的材料面前顯得有一點落伍啦， 可選性大大降低，使得這樣優(yōu)秀的材料不能在航空，國防，民用等工業(yè)領域發(fā)揮應 有的作用。所以我們要對其進行更多的實驗研究，進一步提高它的性能，以適應現 代工業(yè)發(fā)展 的需要， 同時開拓新的應用領域， 使鋁及其合金能夠在現代化的建設中 起到應有

32、的作用。第二章 實 驗 原 理 與 過 程第一節(jié) 實驗原理對第二相在基體相中的固溶度隨溫度降低而顯著減小的合金， 可將它們加熱至 第二相能全部或最大限度地溶入固溶體的溫度， 保持一定時間后， 以快于第二相自 固溶體中析出的速度冷卻（淬火） ，將高溫下所具有的固容狀態(tài)固定在室溫下即可 獲得飽和固溶體。 這種獲得過飽和固溶體的熱處理過程稱為固溶處理或淬火。 固溶 處理是有色金屬合金強化熱處理的第一個步驟。 固溶處理后， 隨即進行第二個步驟 時效處理。固容處理獲得的過飽和固容 體是亞穩(wěn)定相，存在自發(fā)分解的趨勢。這個分解過程就是時效過程。 除了少數合金在室溫下就能夠分解外，大多數都需要加熱到一定溫度，

33、 增加原子熱激活幾率才能夠使過飽和固容體分解。固容時效處理后一般可使合金得到顯著強化。有色金屬合金淬火的目的，是把合金在高溫的固溶體組織固定到室溫，獲得過飽和固溶體，以便在隨后的時效中使合金強化。其強化原因是亞穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和固容體在時效的過程中析出影響固溶處理的主要因素是加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。加熱溫度一般又稱為淬火溫度。淬火溫度越高，保溫時間越長，則強化相溶解越充分，合金元素在晶格中的分布也越均勻，同時晶格中空位濃度增加也越多。這些因素結合起來，能較好地促進時效效果的提高。最佳的淬火加熱溫度是能夠保證最大數量的強化相溶入基體，但又不引起過燒及晶粒長大的溫度。固溶處理時，為了保證強化強

34、化相充分固溶，加熱溫度可選擇稍低于合金的最大固溶化溫度的共晶溫度。由于超硬鋁合金的性能對淬火冷卻速度很敏感，因此在淬火轉移時間和淬火介質上必須有所規(guī) 定，生產中一般把轉移時間限制在15秒以內。下表為 LC4板材性能與淬火冷卻速度的關系。在較緩慢的冷卻條件下，不僅強度下降，同時抗腐蝕性也受到損害。表2轉移時間對 LC4合金板材（1mm ）性能的影響轉移時間，秒6 b6 0.2S ,%Mpa553550311.21052548510.72051746110.33046032512.04042735411.56040431611.0固溶處理完畢以后，接著進行時效處理。經過時效處理的有色金屬，其強度會

35、 有大幅度的升高，如鋁合金材料，它是利用從飽和固溶體中時效析出強化效應。關 于時效硬化的機理，我們是這樣敘述的：首先，作固溶處理使之形成比平衡狀態(tài)能溶解得多的過飽和固溶體，然后在時效時從飽和固溶體中析出過剩的合金成分，這樣設法調節(jié)第二相彌散析出的狀態(tài)，以達到最大的強度。通常時效過程中首先出現的不是平衡相而是G2 P區(qū)或是亞穩(wěn)定相。脫溶時不直接析出平衡相的原因，是由于平衡相一般與基體形成新的非共格界面，界面能大。二亞穩(wěn)定的脫溶產物往往與基體完全或部分共格，界面能小。在相變初期界面能其決定性作用，界面能小的相，形核功小。容易形成。所以首先形成形核功最小的過 渡結構，再演變成平衡穩(wěn)定相。G2 P區(qū)晶

36、格結構與基體相同，因為富集了溶質原子而使原子間距有所改變。它們是與基體完全共格的。脫溶相（包括G2 P區(qū)，過渡相及平衡相）形核后，溶質原子繼續(xù)向晶核聚集使脫溶相不斷長大。同時發(fā)生大 質點進一步長大，小質點不斷消失的脫溶相粗化過程。合金時效強化的主要原因是由于第二相（包括G2 P區(qū)，過渡相及平衡相）的析出。位錯運動過程中遇到脫溶質點時可能在質點周圍生長位錯環(huán)或以切過質點的 方式通過脫溶質點的阻礙，這就需要施加更大的應力，使位錯能夠通過質點，也就 是說合金的強度提高拉。在時效過程中強度變化的特征如下：開始階段的脫溶相（G2 P區(qū)或某種過渡相）與基體共格，尺寸很小，因而位錯可以切過。此時的屈服切應力

37、增量取決于切割脫溶相所須的應力。繼續(xù)時效時， 脫溶相的尺寸和體積分數都增加，切割它們所需的應力加大，強化增值?？蔁崽幚韽娀匿X合金多數都可發(fā)生自然時效，但超硬鋁合金不采用自然時效制度，其原因是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金G.P.區(qū)形成速度緩慢，自然時效過程常常延 續(xù)數月才能達到穩(wěn)定的階段，而且和人工時效相比，抗應力腐蝕能力也較差，故超 硬鋁合金只進行人工時效處理。下表為兩種時效方式的應力腐蝕試驗結果。表3 不同時效規(guī)范對 LC4合金抗蝕性的影響使用條件自然時效（20C 9個月）人工時效（60 C 24小時+195 C 2 小時）試樣至斷裂時間試樣至斷裂時間未加熱大于6個月大于6個月70 C

38、加熱500小時18天大于6個月70 C加熱 1000小時14天大于6個月70 C加熱 3000小時大于6個月7075鋁合金時效過程的析出相為：a溶質集團 -G2 P區(qū)-n'過渡相 一 n穩(wěn)定相（MgZn 2）,這一沉淀過程是連續(xù)變化的。根據合金性質和使用要求，可采用不同的時效工藝，主要包括單級時效、分級時效、形變時效和回歸處理。本實驗采用單級時效和雙級時效處理，這是最常用的時效工藝制度第二節(jié)實驗過程2.2.1實驗方案本次實驗所使用的材料是南海某鋁加工廠生產的7075擠壓棒材，其規(guī)格是3cmX30cm7075的熱處理工藝太多，參考了別人的研究成果的基礎上，確定了通過固容 時效來進行強化處

39、理，但是影響固容時效的因素太多，即使采用了正交的試驗方法，那實驗量還是非常的大的，以現有的條件是很難實現的，考慮到實驗經費不足，實驗室的條件不太理想等問題， 決定了重點對時效的工藝參數進行試驗， 也就是說所 有的試樣都采用相同的固容處理工藝， 然后進行不同工藝的時效 處理，最后對實驗 結果進行比較，就可以得出最好的時效工藝；另外一個同學就主要做固容處理，就是采用不同的固容處理工藝后采用相同的時效處理工藝， 最后比較實驗結果， 得到 最好的固容處理工藝；把我們兩人的實驗結果組合起來應該就是 7075最好的熱處 理工藝啦。因為實驗要求硬度，顯微組織和抗拉強度等數據，考慮實驗室可以用的儀器，該實驗應

40、該分為兩部分，一是做測量硬度和觀測顯微組織的試樣；二是測量抗拉強度和斷面收縮率的試棒。影響單級時效的主要因素是時效溫度和保溫時間，通常是合金的強度隨著時 效時間的增加而不斷增大，但到一定程度 后會發(fā)生過時效， 所以本實驗采用固定溫 度，改變保溫時間的方法，希望能找到三二峰值所對應的保溫時間。在老師的指導 下最終確定的實驗方案如下：單級時效處理（表 4 ）固容溫度（C）固容時間（h）475 C1.5時效溫度（C）時效時間（h）120 °C48162432雙級時效處理當采用雙級或多級時效處理時，有多個溫度點， 不同的溫度點又對應不同的保溫時間， 影響實驗結果的因素太多，如果考慮全部的因素

41、，用排列組合就可以計算出來需要做多少實驗，就拿雙級時效來說，有兩個溫度點，每個溫度點做三個不同的溫度，每個溫度做三個不同的保溫時間，就是有高溫， 低溫，高溫的保溫時間,低溫的保溫時間，四個影響因素，每個因素做三個參數，采用排列組合的知識可以算出總共有 34個不同的工藝組合，也就意味著要做34二81個試樣，這已經是非常大的實驗量啦，而且，這只是實驗的一部分而已，所以就要使用正交試驗法啦正交試驗法就是利用現成的規(guī)格化的表一一正交表來科學地挑選試驗條件，合理地安排實驗。正交試驗設計的優(yōu)點是能從多種試驗條件中，選出有代表性的幾個試驗，獲得最后或較好的試驗條件或生產工藝。實驗中應該選用那種正交表是由該實

42、驗的因素和水平來決定的。所謂因素是指能夠影響實驗結果的的原因（一般是指能夠在實驗中加以調節(jié)和控制的會影響實驗結果的原因）。因素對實驗結果的影響主要表現在因素所處的狀態(tài)發(fā)生變化時，實驗結果也隨之而變化。實驗中因素所處的狀態(tài)稱為水平。正交試驗就是討論如何設計各因素所處水平的合理搭配使得試驗 次數盡可能的少，又便于分析試驗結果。正交表用符號 Lp （ nm）表示，其中 L表示正交表，p表示試驗次數，m表示最多可安排的因素數，n表示水平數。正交表有以下的性質：正交表中任意兩行互換位置，正交表的均衡性不變。正交表中任意兩列互換位置，正交表的均衡性不變。正交表任意一列里兩字碼作對換，正交表的均衡性不變。從

43、上面的性質可以看出，正交表具有很強的均衡性。它是均衡地安排了各因素水平之間的搭配，所以它可以使試驗的次數大大減少，對于一個有m個因素，每個因素各有n個水平的試驗，如果要做全面搭配試驗，就應該做nm次，但若選用正交表Lp （ nm），則只要做 m（n-1）+1=p次，大大減少了試驗次數。做完試驗后，對正 交表進行分析計算， 將各因素，水平對試驗結果指標的影響的大少用圖形表示出來， 通過極差分析，綜合比較可以得出最優(yōu)化的試驗方安。我們要做的雙級時效試驗有4個因素（高溫，低溫，高溫的保溫時間，低溫的保溫時間），每個因素要做 3個水平，所以應該選用L9（ 34）表頭。L9（ 34）表頭如下：（表5）列

44、號 水平 編號A1B2C3D4111112122231333421235223162312731328321393321雙級時效具體的工藝如下：（表6）水平因素123A （低溫溫度）C100115130B （低溫時間）h246C （高溫溫度）C140160180D （高溫時間）h81012把表6的工藝參數代入所選用的正交表頭就得到了具體的可執(zhí)行的試驗方案雙級時效處理工藝（表7）列號 水平 試樣編號"xXA1B2C3D411 ( 100 C)1 ( 2h)1 ( 140 C)1 ( 8h)21 ( 100 C)2 ( 4h)2 ( 160 C)2 (10h)31 ( 100 C)3 (

45、 6h)3 ( 180 C)3 (12h)42 ( 115 C)1 ( 2h)2 ( 160 C)3 (12h)52 ( 115 C)2 ( 4h)3 ( 180 C)1 ( 8h)62 ( 115 C)3 ( 6h)1 ( 140 C)2 (10h)73 ( 130 C)1 ( 2h)3 ( 180 C)2 (10h)83 ( 130 C)2 ( 4h)1 ( 140 C)3 (12h)93 ( 130 C)3 ( 6h)2 ( 160 C)1 ( 8h)所有的試樣都要先進行固容處理，其工藝為475 C,保溫1.5小時，出爐后要盡快的放到水里進行淬火（最好是在10秒內進行）。222實驗步驟1

46、. 實驗的基本工藝流程（一）切割試樣15號（厚度為 10mm15mm ）打磨試樣（粗磨）常規(guī)固溶 處理水淬單級時效處理打硬度打磨試樣（細磨）拋光及腐蝕金相顯微組織觀察（二）切割試樣1119號（厚度為 10mm15mm ）打磨試樣（粗磨）常規(guī)固 溶處理水淬雙級時效處理打硬度打磨試樣（細磨）拋光及腐蝕金相顯微組織觀察（三）對長棒進行常規(guī)固溶處理水淬單級時效處理加工試樣拉伸實驗 斷口形貌觀察（四）對長棒進行常規(guī)固溶處理水淬雙級時效處理加工試樣拉伸實驗 斷口形貌觀察2. 準備試樣從工廠提供的7075鋁棒中選取一根，用實驗室里面那臺往復式電鋸從中鋸出1015cm長短的試樣 14個，由于那臺電鋸已經很舊，

47、夾頭松動，鋸出來的平 面不是水平面而是總是斜向一邊的，使得試樣成為斜柱體，這樣的試樣是不符合要求的，因為熱處理后要進行硬度測試，那是要求所測試的試樣要有兩個水平面，不 然會影響測試結果，所以要對這些試樣進行打磨，使其兩面水平。打磨是在老虎鉗 上進行的（不能用砂輪機，因為鋁合金比較軟，磨屑會粘在砂輪上，使砂輪失效）在打磨好的試樣上面打上號碼，編號為15號1119號。3.熱處理3.1 小試樣的熱處理A.用編號為15的小試樣做單級時效處理.實驗儀器為兩臺箱式電阻爐，其中一臺用來做475 C的固容處理，另一臺做時效處理。其過程為：同時開兩個爐，A爐溫度設為120 C, B爐為475 C。把5個小試樣放

48、到 B爐中隨爐加熱，當溫度達到475 C后，開始計時，保溫1.5小時。隨后把 5個試樣取出迅速放到冷水中淬火，之后馬上放到A爐中時效，開始計時。根據原來制定的實驗方案4小時后取出 號試樣，進行空冷； 8小時后取出號試樣空冷；16小時后取出號試樣空冷；24小時后取出號試樣空冷；32小時后取出試樣空冷。具體的實驗記錄為：試樣編號處理溫度處理時間入爐時間出爐時間1120 C4h121516152120 C8h121520153120 C16h121504154120 C24h1215 :1215 :5120 C32h12152015B. 用編號為1119的小試樣做雙級時效處理。實驗儀器為 5臺箱式電

49、阻爐（如果有 7臺可用的話就可以迅速的完成這一 實驗的），其中一臺溫度設為475 C，另外一臺設溫度為100 C， 做第一級時效處理；還有3臺溫度設為 140 C，160 C，180 C做第二級時效處理。按照表三的方法 進行處理。先對11，12，13進行固容處理，淬火后做100 C時效處理，2，4，6小時后分別取出11，12，13號試樣放進 140 C， 160 C， 180 C的爐中做第二級時效處理。此時再對 14，15，16號試樣做固容處理，同時把溫度為100 C的爐的爐溫設為115 C。具體的實驗記錄如下：編號A處理溫度B處理時間C處理溫度D處理時間11100 C( 2h)0310 05

50、10140 C( 8h)0510 011012100 C( 4h)0310 1910160 C( 10h)1910 051013100 C( 6h)0310 2110180 C( 12h)2110 091014115 C( 2h)1845 2045160 C( 12h)2045 104515115 C( 4h)1845 2245180 C( 8h)2245 064516115 C( 6h)1845 0045140 C( 10h)0045 104517130 C( 2h)2020 2220180 C( 10h)2220 082018130 C( 4h)2020 0020140 C( 12h)00

51、20 122019130 C( 6h)20 : 20 02 : 20160 C( 8h)02 : 20 10 : 203.2 拉伸棒的熱處理對1726號鋁棒按 A的方法進行單級時效處理。試樣編號處理溫度處理時間入爐時間出爐時間17, 18120 °C4h1215161519，20120 C8h1215201521，22120 C16h1215041523，24120 C24h1215 :1215 125，26120 C32h12152015對2839 , 1216號鋁棒按 B的方法進行雙級時效處理。編號A處理溫度B處理時間C處理溫度D處理時間11100 C( 2h)0310 0510

52、140 C( 8h)0510 011012100 C( 4h)0310 1910160 C( 10h)1910 051013100 C( 6h)0310 2110180 C( 12h)2110 091014115 C( 2h)1845 2045160 C( 12h)2045 104515115 C( 4h)1845 2245180 C( 8h)2245 064516115 C( 6h)1845 0045140 C( 10h)0045 104517130 C( 2h)2020 2220180 C( 10h)2220 082018130 C( 4h)2020 0020140 C( 12h)0020

53、 122019130 C( 6h)20 : 20 02 : 20160 C( 8h)02 : 20 10 : 203.3熱處理應注意事項為了安全起見，使用實驗室的電爐時一定要有人看守；試樣應該隨爐加熱，到了所需溫度后開始計時；做鋁棒固容處理時應在爐內放一鐵架把鋁棒分層擺放，使其加熱均勻；保溫溫度偏差應w 2 C ,并且時效溫度偏差不應 5 C ,要求確保實驗的精 確度；淬火過程要迅速：固溶處理完畢后取樣，要立即進行水淬，減少在空氣中 停留的時間，防止自然時效；同樣地，淬火完后也要立即把試樣放回時效 爐，減少在空氣中停留的時間，防止自然時效；淬火水溫應保證在 25 C左右，不適宜過高，避免淬火水溫