鋁合金的形變熱處理研究進(jìn)展

1、熱加工工藝2014年2月第43卷第4期隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,資源的匱乏已成為一個(gè)主要問題,制約了可持續(xù)發(fā)展。此時(shí),鋁合金快速地成為了零件的首先考慮的材料之一,被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,比如汽車、航空航天、船舶、建筑、電器、電子通訊等領(lǐng)域,鋁制品成為日常生活的一個(gè)重要組成部分,也逐漸成為金屬材料發(fā)展的一個(gè)新的方向。然而,提高鋁合金材料性能的工藝方法有很多種,其中最有效的方法有回歸再時(shí)效處理(Retrogression and Re-ageing ,RRA和形變熱處理(Thermomechanical Treatmen ,TMT。形變熱處理是結(jié)合塑性變形的形變強(qiáng)化與熱處理的相變強(qiáng)化的一種工藝方法,也稱為

2、熱機(jī)械處理,該處理方法最開始的時(shí)候是用于鋼鐵材料1。所以說,加速發(fā)展鋁合金材料的熱處理工藝優(yōu)化對(duì)于當(dāng)今世界的人類生活具有極其重要的戰(zhàn)略意義。1鋁及鋁的合金化近年來,鋁及鋁合金加工產(chǎn)業(yè)是僅次于鋼鐵產(chǎn)業(yè)的第二大金屬材料產(chǎn)業(yè),成為很多國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一2。在工程領(lǐng)域中,鋁也被認(rèn)為是“希望金屬”,是21世紀(jì)最富于應(yīng)用潛力和開發(fā)的“綠色材料”之一,并且鋁工業(yè)發(fā)展速度非?？?一直被稱為“朝陽產(chǎn)業(yè)”3。而且,合金化原理是指導(dǎo)鋁合金快速發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。因?yàn)榻?jīng)過合金化后,鋁合金將具有很多特性,比如密度低、耐腐蝕性強(qiáng)、可回收再利用、比強(qiáng)度高、加工性能良好、可塑性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好及成本低等2-3。根據(jù)加入合金元

3、素的種類、含量及合金的性能,鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金中的各種添加元素在冶金過程中相互之間會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)作用,從而改變材料的組織結(jié)構(gòu)和相組成,得到不同用途和性能的新材料,合金化對(duì)此有著重要的作用。鋁合金中主要合金元素對(duì)合金組織性鋁合金的形變熱處理研究進(jìn)展吳璐,董萬鵬,龔紅英,李會(huì)肖,王斯凡(上海工程技術(shù)大學(xué)材料學(xué)院,上海201620摘要:回顧了鋁合金的形變、熱處理強(qiáng)化的研究現(xiàn)狀,從研究內(nèi)容、研究對(duì)象以及研究方法三個(gè)方面總結(jié)了形變熱處理近10年來研究發(fā)生的變化,并綜合論述了當(dāng)下最新的研究成果;進(jìn)一步展望了形變熱處理未來的發(fā)展趨勢(shì),得出智能熱處理優(yōu)化技術(shù)會(huì)大幅度地加快形變熱處

4、理工藝在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的速度,并且分析了智能化熱處理系統(tǒng)領(lǐng)域還有很大提升空間的原因。關(guān)鍵詞:鋁合金;形變;熱處理;形變熱處理中圖分類號(hào):TG166.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-3814(201404-0027-05Research and Progress of Thermomechanical Treatment of Al AlloyWU Lu,DONG Wanpeng,GONG Hongying,LI Huixiao,WANG Sifan(College of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Scie

5、nce,Shanghai 201620,ChinaAbstract :The present situation of deformation and heat treatment strengthening of aluminum alloy was reviewed.The development of thermomechanical treatment technology of aluminum alloy in nearly 10years was summarized from three aspects,namely the content,objects and method

6、s.And the latest research results were discussed.Therefore,the trend of the development of thermomechanical treatment was prospected.The intelligent heat treatment technology will greatly accelerate the speed of application of thermomechanical treatment technology in various fields,and the reason wh

7、y the intelligent heat treatment systems has much room to improve was analyzed.Key words :Al alloy;deformation;heat treatment;thermomechanical treatment (TMT收稿日期:2013-06-30基金項(xiàng)目:上海工程技術(shù)大學(xué)校啟項(xiàng)目(2013-09;上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(13KY0512;上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(13KY0106作者簡介:吳璐(1991-,女,江西撫州人,碩士研究生,從事金屬材料的成形工藝和CAE 的研究;E

8、-mail:wulu0315通訊作者:董萬鵬(1976-,男,上海人,高級(jí)工程師,博士;電話:021-*;E-mail:dong網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2014-03-25 12:48網(wǎng)絡(luò)出版地址:Hot Working Technology2014,Vol.43,No.4能有比較大的影響。李慧中等4研究了Mn含量對(duì)2519鋁合金組織和力學(xué)性能的影響,研究結(jié)果表明:合金強(qiáng)度的最大值是Mn含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%時(shí),因?yàn)榧尤隡n可以阻止鋁合金的再結(jié)晶過程,顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒,溶解雜質(zhì)鐵,減小鐵的有害影響。資料5-8研究表明,在鋁合金中添加微量鈧和鋯,能顯著改善合金工藝性能,細(xì)化鑄造組織,提高合金加工熱處

9、理后的強(qiáng)度,焊接性能好。2鋁合金的變形加工2.1熱變形加工熱變形加工是指鋁及鋁合金材料在再結(jié)晶溫度以上所完成的塑性成形過程9。國內(nèi)外有很多學(xué)者研究了擠壓、軋制、沖壓等各種塑性成形工藝及熱處理工藝對(duì)鋁合金力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。曹素芳等10對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金建立了熱變形加工圖,并分析了此種合金在變形過程中的變形行為,研究結(jié)果表明,該合金熱變形時(shí)有兩個(gè)失穩(wěn)區(qū)域,在350時(shí)有很好的塑性,從建立的加工圖中還可以反映不同變形條件的組織演變的規(guī)律,可以知道熱變形會(huì)影響纖維組織的形成,也可以控制晶粒度。2.2冷變形加工冷變形加工是指不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶溫度以下所完成的塑性成形過程,實(shí)質(zhì)是冷加工和中

10、間退火的組合工藝過程9。冷變形加工對(duì)鋁材的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。比如使鋁材的晶粒形狀發(fā)生變化,使晶粒內(nèi)部及晶粒間界處出現(xiàn)一些顯微裂紋、孔洞等缺陷,也會(huì)使鋁材的密度減小,化學(xué)性能不穩(wěn)定,易被腐蝕,對(duì)電阻也有影響,冷變形后還會(huì)呈現(xiàn)各向異性。3鋁合金的熱處理強(qiáng)化3.1固溶處理固溶處理也叫固溶淬火,固溶是決定鋁合金性能的一個(gè)關(guān)鍵步驟,是為了獲得空位與溶質(zhì)原子的過飽和固溶體,為后續(xù)的時(shí)效強(qiáng)化做準(zhǔn)備。高強(qiáng)鋁合金的固溶發(fā)展主要經(jīng)歷了單級(jí)固溶到復(fù)合固溶的過程11-13。有很多學(xué)者研究了固溶處理對(duì)7075鋁合金的影響。孫才等14的研究結(jié)果表明,優(yōu)化后的固溶處理工藝可以有效地減少第二相尺寸和數(shù)量,提高鋁合金的力學(xué)

11、性能。李巖等15研究了固溶處理對(duì)制備7075鋁基復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響,結(jié)果顯示,不同的固溶工藝對(duì)第二相顆粒MgZn2的顯微硬度造成影響,當(dāng)材料經(jīng)4805h時(shí)效后,硬度值達(dá)到最大值,經(jīng)人工時(shí)效后硬度變大。羅勇等16通過不同的固溶處理工藝研究了其對(duì)7075鋁合金晶間腐蝕和剝落腐蝕性能的影響,結(jié)果表明,固溶處理會(huì)加速合金時(shí)效動(dòng)力學(xué),大大地改善了合金的抗腐蝕性能。李杰等17研究了固溶處理對(duì)7050高強(qiáng)鋁合金的第二相的溶解和擴(kuò)散情況的影響,結(jié)果表明,強(qiáng)化固溶處理使得組織中的第二相尺寸和數(shù)量均會(huì)明顯變小,而且人工時(shí)效處理后的合金組織性能會(huì)發(fā)生變化。韓念梅等18研究了單級(jí)固溶,雙級(jí)固溶和固溶后預(yù)

12、析出制度下粗大第二相、再結(jié)晶及亞晶對(duì)7050鋁合金強(qiáng)度及斷裂韌性的影響規(guī)律,探討其影響機(jī)理。3.2時(shí)效處理鋁合金的形變時(shí)效工藝是指其淬火后繼續(xù)進(jìn)行一定量的塑性變形,再進(jìn)行人工時(shí)效處理的一種復(fù)合工藝19,并且時(shí)效處理改善可時(shí)效強(qiáng)化型合金的性能有著關(guān)鍵性的作用20,其中人工時(shí)效處理的方法有很多種。3.2.1單級(jí)時(shí)效單級(jí)時(shí)效指鋁合金淬火后在一定溫度條件下保溫一定時(shí)間,析出沉淀相,形成過渡相和GP區(qū)。比如最早的7xxx系列鋁合金的時(shí)效工藝采用的是T6峰時(shí)效處理工藝,其實(shí)影響鋁材T6處理的性能的主要因素有溫度和時(shí)間21。3.2.2雙級(jí)時(shí)效雙級(jí)時(shí)效是指淬火后在不同溫度條件下進(jìn)行兩次時(shí)效,該過程涉及溫度的變

13、化,第一階段是低溫預(yù)時(shí)效的核處理階段,第二階段是高溫時(shí)效的穩(wěn)定化階段22。尚勇等23對(duì)7175合金進(jìn)行重固溶加雙級(jí)時(shí)效處理,發(fā)現(xiàn)7175鋁合金隨著固溶溫度的升高強(qiáng)度也升高,但是當(dāng)溫度超過510時(shí)強(qiáng)度值出現(xiàn)下降,得出對(duì)7175進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效處理中第二級(jí)時(shí)效溫度對(duì)材料的性能影響最為強(qiáng)烈其次是二級(jí)時(shí)效時(shí)間。3.2.3多級(jí)時(shí)效處理典型的多級(jí)時(shí)效處理有RRA處理,也就是回歸再時(shí)效工藝,包括三個(gè)階段,第一階段是在低溫狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)時(shí)效,第二階段是等鋁合金達(dá)到峰值時(shí)熱加工工藝2014年2月第43卷第4期效狀態(tài)進(jìn)行高溫長時(shí)處理(回歸處理,第三階段是再在較低溫度下再時(shí)效22,24-26。RRA處理工藝比較繁雜,工藝

14、參數(shù)多,難以控制,目前只能應(yīng)用于薄板,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該選擇合適的時(shí)效溫度和時(shí)間。還有一種工藝就是ORR處理,其過程是過時(shí)效、重固溶、再時(shí)效三個(gè)階段,李海等27研究發(fā)現(xiàn),該工藝可以提高合金的電導(dǎo)率,從而實(shí)現(xiàn)抗應(yīng)力腐蝕性能和力學(xué)性能的良好搭配。4鋁合金TMT的研究現(xiàn)狀鋁合金的形變熱處理我國學(xué)者在20世紀(jì)60年代中期就開始研究,蘇德達(dá)等28對(duì)彈簧鋼的低溫形變熱處理進(jìn)行了研究,研究得出,低溫形變熱處理可以大大提高鋼的抗回火穩(wěn)定性,可以得到較好的力學(xué)性能。寧愛林等綜述了從1967年到2007年近40年的鋁合金形變熱處理工藝的發(fā)展過程,通過分析鋁合金形變熱處理工藝的一些問題說明繼續(xù)深入地研究是十分有必要的,

15、簡化工藝也是當(dāng)務(wù)之急,還指出了TMT研究中存在的問題,比如研究結(jié)果不完全一樣,理論解釋不統(tǒng)一,研究成果多但是實(shí)際應(yīng)用少29。總之,近10年來鋁合金的形變熱處理在研究對(duì)象、內(nèi)容、研究方式上都發(fā)生了一系列變化。4.1研究對(duì)象發(fā)生的變化目前的鋁合金形變熱處理的材料也不僅僅只是2xxx、6xxx和7xxx系列等傳統(tǒng)合金,利用形變熱處理工藝提高Al-Li系列等鋁合金的性能的研究也有人做了不少的研究。宋濤等30研究了強(qiáng)化固溶處理對(duì)一種Sr微合金化的2099型鋁合金的組織的影響和其位錯(cuò)強(qiáng)化理論,通過XRD分析、顯微組織觀察、硬度測(cè)試等實(shí)驗(yàn)得到強(qiáng)化固溶會(huì)降低合金后續(xù)T8時(shí)效處理后的硬度也會(huì)降低合金中的位錯(cuò)和位

16、錯(cuò)強(qiáng)化。徐國棟31采用微觀相場(chǎng)方法模擬了Al-Li 合金的單級(jí)時(shí)效、分級(jí)時(shí)效、回歸再時(shí)效工藝。王蒙蒙等32研究了Al-Cu-Mn系新型鑄造鋁合金的熱處理工藝。4.2研究內(nèi)容發(fā)生的變化王建華等33采用透射電鏡觀察2618耐熱鋁合金形變熱處理前后的顯微組織,分析形變熱處理對(duì)其時(shí)效析出相的細(xì)化作用,探討無沉淀析出帶減小的原因并對(duì)分析了TMT的熱力學(xué)。劉立坤等34通過偏光顯微組織分析、硬度測(cè)試對(duì)連鑄態(tài)6082鋁合金高溫形變熱處理進(jìn)行了分析,黃繼武35研究了均勻化熱處理對(duì)7A52合金板材的組織和性能的影響,并優(yōu)化了其均勻化處理工藝。Tan等36研究了形變熱處理對(duì)AA5083耐蝕性的影響,知道了相也就是A

17、l3Mg2相對(duì)耐蝕性的影響。Esmaeili等37研究了形變熱處理工藝細(xì)化沉淀硬化型合金AA6xxx系列鋁合金的晶粒,采用的工藝是軋制后接著非等溫的退火工藝,從中還可以知道形變熱處理工藝可以細(xì)化鋁合金晶粒。Kamran38對(duì)AA6056的時(shí)效參數(shù)的交互作用進(jìn)行了研究,采用的響應(yīng)面分析法即RSM 法對(duì)形變熱處理是怎么影響AA6056鋁合金時(shí)效行為的過程進(jìn)行了建模然后分析,之后優(yōu)化時(shí)效參數(shù)。安利輝等39研究的是2219鋁材在2次不同的形變熱處理工藝中預(yù)變形量對(duì)其組織和力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鋁材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都是隨著第一次變形量增加呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì),并且當(dāng)?shù)谝淮巫冃瘟繛?%時(shí),強(qiáng)

18、度會(huì)達(dá)到最大值。王蒙蒙等32采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究Al-Cu-Mn系新型鑄造鋁合金的熱處理工藝,最后得到最優(yōu)的熱處理工藝為55010h固溶+1705h時(shí)效,且此時(shí)的硬度為125HBS。4.3研究方式發(fā)生的變化以前學(xué)者都是用只靠做物理實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性和正確性,現(xiàn)在很多學(xué)者先用計(jì)算機(jī)模擬仿真熱處理的過程然后再用物理實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。姚燦陽40借助有限元軟件MSC、Marc建立了7050鋁合金厚板淬火過程的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模型,并對(duì)模型進(jìn)行了簡化和優(yōu)化,研究淬火工藝和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。史德旗41以擠壓鑄造銅鋁合金為研究對(duì)象,用PROCAST軟件對(duì)擠壓鑄造過程與熱處理后進(jìn)行數(shù)值模擬,得到應(yīng)力模擬和熱

19、處理過程中組織的變化。5鋁合金TMT的發(fā)展趨勢(shì)如前所述,早期鋁合金尚沒有被廣泛的開發(fā)應(yīng)用,近些年來制造技術(shù)的不斷發(fā)展和工藝的不斷優(yōu)化使得鋁合金被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,特別是汽車工業(yè)的輕量化、航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。然而隨著環(huán)境Hot Working Technology2014,Vol.43,No.4能源問題和制造業(yè)逐漸與國際接軌,鋁合金的熱處理技術(shù)仍舊是制造業(yè)中一個(gè)極其重要的領(lǐng)域,對(duì)提高材料的性能和潛在價(jià)值有著關(guān)鍵性的作用,還需要花更多的精力和物力去優(yōu)化現(xiàn)有熱處理工藝和探索新的熱處理工藝。在以后的鋁合金形變熱處理工藝研究探索中,應(yīng)該多考慮鋁合金的材料、變形速度、變形量和變形溫度、時(shí)效制度等因素對(duì)材

20、料性能的影響。針對(duì)不同的鋁合金材料可以采用正交試驗(yàn)法,試用不同的變形條件以及不同時(shí)效制度的組合來得到最優(yōu)的TMT工藝,應(yīng)該簡化工藝使得該工藝可以在實(shí)踐生產(chǎn)中得到普遍的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的今天,熱處理的數(shù)值模擬這塊尚處于剛起步的階段。在日后的研究中,多采用模擬數(shù)據(jù)的測(cè)試-計(jì)算機(jī)模擬-生產(chǎn)試驗(yàn)的路線,不僅可以節(jié)省成本、節(jié)約能源還可以大大地提高效率42。但是在以下幾個(gè)方面還是很欠缺:材料數(shù)據(jù)庫還不完善,有很多材料的參數(shù)在軟件的數(shù)據(jù)庫中不存在或者說不全面;還未能真正意義上的實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合的模擬,沒有把影響熱處理工藝的每個(gè)因素考慮進(jìn)去進(jìn)行模擬。所以說,鋁合金TMT的發(fā)展趨勢(shì)在數(shù)值模擬技術(shù)上可以大有作為

21、。6展望我國熱處理還處于較落后的狀態(tài),其可靠性和安全性比較差,生產(chǎn)出來的零件壽命短,成本高收益少。在以下三個(gè)方面還有很大的提升空間:(1鋁合金的種類可以繼續(xù)研發(fā),可以朝著微合金化的方向和特種合金方向發(fā)展。(2對(duì)熱處理方面基礎(chǔ)知識(shí)方面進(jìn)行深入研究,很多理論解釋都不統(tǒng)一,有待研究。(3對(duì)熱處理工藝進(jìn)行研究,加強(qiáng)對(duì)熱處理的虛擬設(shè)計(jì),并發(fā)展開發(fā)信息化智能熱處理系統(tǒng),快速提高工作人員的效率并完善各系統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫等,開發(fā)智能熱處理優(yōu)化系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)有的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。參考文獻(xiàn):1楊道明.形變熱處理工藝及其應(yīng)用J.兵器材料科學(xué)與工程,1985(Z1:2-15.2劉靜安.淺議鋁合金材料及加工工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展

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