【文章內(nèi)容簡介】 物顆粒，形成一些體積很小的溶質(zhì)原子富集區(qū) 。 時(shí)效包括兩種方式： 1） 人工時(shí)效 處理 ：它是指將材料加熱的一定的溫度后 ， 在指定的時(shí)間內(nèi)或較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理。 2）自然時(shí)效 ： 指將材料加熱到一定的溫度后，在自然的條件下讓其緩慢反生時(shí)效 。 本實(shí)驗(yàn)采用的是人工時(shí)效。 進(jìn)行人工時(shí)效處理 ， 為了 得到比較理想的強(qiáng)化效果 ， 嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間 非常必要。 失效強(qiáng)化的原理 ： 時(shí)效硬化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程， 時(shí)效的工藝， 合金的組成，合金生產(chǎn)中和固溶熱處理中造成的缺陷等等 ，都能夠影響時(shí)效的效果 。 合金在加熱的過程會(huì)形成空位，冷卻圖 1 圖 2 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 的時(shí)候，其速度過快，會(huì)導(dǎo)致 空位的滯留 ， 而空位會(huì)對(duì)過飽和固溶體產(chǎn)生促進(jìn)的作用，加速了 了溶質(zhì)原子加快擴(kuò)散，從而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。 影響時(shí)效的因素： 1） 人工時(shí)效與淬火間的時(shí)間間隔 進(jìn)行時(shí)效時(shí)會(huì)將合金從固溶的設(shè)備中取出，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行時(shí)效處理，這之間的時(shí)間間隔會(huì)對(duì)時(shí)效產(chǎn)生一定的影響，通常，這這之間的時(shí)間間隔越少越好，時(shí)間過長，會(huì)降低時(shí)效的效果。 2）合金化學(xué)成分的影響 合金的主要元素和少量雜質(zhì)都會(huì)對(duì)時(shí)效強(qiáng)化產(chǎn)生影響，主要元素的越高，固溶強(qiáng)度越高，時(shí)效強(qiáng)化越好。而雜質(zhì)含量雖少，但有時(shí)也能急劇影響強(qiáng)化效果。 組成合金的元素能否溶解于 固溶體以及固溶度隨溫度變化的程度 決定 合金能否通過時(shí)效強(qiáng)化。 3）固溶處理工藝影響 固溶的過程中經(jīng)常會(huì)造成晶粒粗大，組織過燒等等缺陷。這會(huì)對(duì)時(shí)效產(chǎn)生很大的影響。而固溶過程中在正常的情況下 加熱溫 度 升高 ，保溫時(shí)間 加長 ，有利于獲 得最大過 飽和度的均勻固溶體 ，強(qiáng)化效果更好 [10]。 固溶如果在 冷卻過程析出第二相， 那么 在隨后時(shí)效處理時(shí) 該 相將起晶核作用， 從而使 得 時(shí)效強(qiáng)化效果 受到很大的影響。 4）塑性變形的影響 合金材料在固溶處理過程中往往不可避免地要承受一定程度的塑性變形，時(shí)效前的冷變形會(huì)在較高溫度下的脫落過程中加速，但在低 溫下的脫落過程則減慢。 本實(shí)驗(yàn)中 ZL205A 鑄造 鋁合金 進(jìn)行 固溶后 ， 接著進(jìn)行時(shí)效處理，將固溶后的合金放在 175℃和 155℃溫度下 放置或保溫， 在保溫前需要將合金從固溶設(shè)備轉(zhuǎn)移到時(shí)效的設(shè)備，這之間的時(shí)間間隔盡量要少。保溫的時(shí)間是實(shí)驗(yàn)很重要的因素。 實(shí)驗(yàn)過程中 每個(gè) 時(shí)效溫度包括 9 個(gè)小試樣，如圖 [11] 時(shí)效 175（ 155）℃ （ ） 時(shí)效 175（ 155）℃ （ 1） 時(shí)效 175（ 155）℃ 1h（ 2） 試樣 1 試樣 2 試樣 3 ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 13 設(shè)置 好時(shí)間段后，每隔一個(gè)時(shí)間段取出一個(gè)小樣， 冷卻后打磨拋光 進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到試樣在不同時(shí)間下硬度的改 變趨勢。 過程如總流程圖的 5， 6， 7 步驟。 時(shí)效在如右圖的設(shè)備里進(jìn)行保 溫 。 設(shè)備名稱：電熱鼓風(fēng)干燥箱 電源： 220V 50Hz 尺寸： 500 550 500 功率： 產(chǎn)品編號(hào)： A0901009 溫度范圍： RT+10~300℃ 時(shí)效時(shí)合金性能的變化： 時(shí)效的溫度高低，時(shí)間長短，使得合金的組織發(fā)生改變，對(duì)合金的物理性能，力學(xué)性能和化學(xué)性能產(chǎn)生影響 [12]。 力學(xué)性能的測量 1）對(duì)試樣進(jìn)行打磨，拋光 。砂紙分為 240， 320， 400， 600， 800， 1000， 2021，打磨的過程是從最粗的 240 號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，然后依次換成更細(xì)的砂紙進(jìn)行打磨。 砂紙平鋪于玻璃或金屬板上，一手按砂紙，一手輕壓試樣于砂紙上并向前推進(jìn)，直至試樣磨面僅留一個(gè)方向上的均勻磨痕為止。每換一號(hào)砂紙，樣品掉轉(zhuǎn) 90o. 磨光后進(jìn)行拋光，拋光的目地是 細(xì)微磨痕 和 金屬形變擾動(dòng)層 ，拋光的方法有機(jī)械拋時(shí)效 175（ 155）℃ 2h（ 4） 時(shí)效 175（ 155）℃ 4h（ 6） 時(shí)效 175（ 155）℃ 6h（ 8） 時(shí)效 175（ 155）℃ 8h（ 10） 測量硬度 時(shí)效 175（ 155）℃ 20h（ 20） 時(shí)效 175（ 155）℃ 24h（ 24） 試樣 4 試樣 5 試樣 6 試樣 7 試樣 8 試樣 9 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 光，電解拋光，化學(xué)拋光。本實(shí)驗(yàn)中采用的是機(jī)械拋光。需要用到，拋光 用織物：帆布、尼綸或呢絨 ，其作用主要是 儲(chǔ)存潤滑劑，保證拋光順利進(jìn)行 。 纖維或者絨毛與磨面間的摩擦，使磨面平滑光亮 。 纖維間隙儲(chǔ)存拋光微粉，微粉部分露出表面，產(chǎn)生磨削作用，且阻止微粉由于離心 力飛出 拋光時(shí)應(yīng)注意， 用力適當(dāng)，不可過大。拋光時(shí)不斷添灑磨料和潤滑液。拋光時(shí)不斷添灑磨料和潤滑液 。 2）對(duì)表面進(jìn)行腐蝕 ，腐蝕液為 %HF+%水 [13] 注意事項(xiàng)： 腐蝕后快速用水沖洗，然后用酒精漂洗和熱風(fēng)吹干；腐蝕不當(dāng)，應(yīng)重新拋光后再進(jìn)行腐蝕（在晶界部位容易形成臺(tái)階 ） 3）吹干后進(jìn)行硬度測量 ，硬度測量分為布氏硬度計(jì)和維氏硬度計(jì)。本實(shí)驗(yàn)采用的是布氏硬度計(jì)，型號(hào)是 HBE3000A。 如右圖： 由于金屬材料有軟有硬，工件有厚有薄，有大有小，這適應(yīng)不同的情況，布氏硬度壓頭有φ 、φ 5mm 、φ10mm 三種 ，加載 載荷有 kg、 kg 、 kg 、 250 kg 、 750 kg 、1000 kg 、 3000 kg 七種 ， 采用不同大小的載荷和直徑的鋼球進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，只要滿足 P/D2為常數(shù)，則對(duì)同一材料來說布氏硬度值不變 。 實(shí)驗(yàn)中采用的是 直徑的壓頭，加載載荷為 ，加載載荷的保持時(shí)間為20 秒。 4）將數(shù)據(jù)繪成圖表，觀察趨勢，分析結(jié)果。 四 、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及 分析 金屬型試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 15 1）金屬型試樣棒的鑄態(tài) 試樣 2）固溶處理 金屬型試 樣經(jīng) 533℃固溶處理 15 小時(shí)后，其組織形態(tài)如圖 3）時(shí)效分析 經(jīng)固溶處理后，金屬試樣棒中取出 18 個(gè)小試樣，分成 A,B 兩組。 A 組在 175℃下保溫 24 小時(shí)，分別在 15 分鐘、 30 分鐘、 1 個(gè)小時(shí)、 2 個(gè)小時(shí)、 4 個(gè)小時(shí)、 6 個(gè)小時(shí)、 8 個(gè)小時(shí)、 20 個(gè)小時(shí)和 24 小時(shí)取出一個(gè)小樣，經(jīng)打磨，拋光后進(jìn)行硬度測試，每個(gè)試樣測試五個(gè)硬度值，取其平均值，盡量消除打磨，拋光和操作時(shí)產(chǎn)生的誤差。 B 組則在 155℃下保溫 24 小時(shí)，分別在 30 分鐘、 1 個(gè)小時(shí)、 2 個(gè)小時(shí)、 4 個(gè)小時(shí)、 6個(gè)小時(shí)、 8 個(gè)小時(shí)、 10 個(gè)小時(shí)、 20 個(gè)小時(shí)和 24 個(gè)小時(shí)取出一個(gè)小樣，同樣進(jìn)行硬度測試。測試數(shù)據(jù)如下： 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 兩個(gè)溫度下的硬度趨勢圖如下 : ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 17 從表中 可以看出，在 175℃時(shí)效時(shí)，在 1~4 小時(shí)之間，硬度有明顯的提高。而在 6~8小時(shí)，硬度增長較緩慢。 6 小時(shí)之后，硬度值趨于穩(wěn)定。 在 155℃溫度下時(shí)效，硬度隨時(shí)間緩慢提高， 增長較為平緩，增長率基本上不變。 到15 小時(shí)左右趨于穩(wěn)定。 從兩個(gè)溫度下的時(shí)效結(jié)果可以看出， 金屬型鑄件在不同的時(shí)效溫度下，其硬度隨著時(shí)間的延長而呈上升趨勢，雖然在同時(shí)間內(nèi) 175℃時(shí)效的試樣硬度總體上高于 155℃ 溫度下時(shí)效的試樣硬度，但穩(wěn)定時(shí)的硬度大概相同，差別不大。 低溫時(shí)效時(shí)，硬度的提高的速度明顯慢于高溫時(shí)的時(shí)效。可見溫度對(duì)時(shí)效強(qiáng)化的影響是很大的。 砂型試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1） 砂型試樣鑄態(tài) ZL205A 鋁合金經(jīng)溶燒，澆注后，在砂型模具中保存 20 分鐘后溫度降低，開箱后得到的砂型試樣部分試樣如圖： 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 在圖中可見，實(shí)驗(yàn)中的砂型試樣表面粗糙，且出現(xiàn)了縮孔，該縮孔出現(xiàn)于不同厚度的過度處，產(chǎn)生縮孔的原因可能是 [14]: 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的不全面，鑄件厚度不一樣，突然的過度 。鑄件有較大的垂直面。 鑄造工 藝不合理，如澆口，冒口的位置 。澆注的溫度過高或過低 . 由于澆注時(shí)操作不合理，如澆注時(shí)過猛或者澆注的時(shí)間太長 。開箱時(shí)間太快等 2） 固溶處理 鑄造 試樣在 533℃下保溫 15 個(gè)小時(shí)，其組織形態(tài)如圖 圖 和 是 200 倍下的顯微組織結(jié)構(gòu)圖，圖中能夠見到大量的化合物，而 中出現(xiàn)的黑色團(tuán)狀物是針孔，主要來至與鑄造時(shí)產(chǎn)生的缺陷。 3） 時(shí)效分析 經(jīng)固溶處理后，將試樣切取 9 個(gè)小樣，在 175℃的溫度下保溫 48 個(gè)小時(shí)，進(jìn)行時(shí)效處理，在 15 分鐘、 30 分鐘、 1 個(gè)小時(shí)、 2 個(gè)小時(shí)、 4 個(gè)小 時(shí)、 6 個(gè)小時(shí)、 12 個(gè)小時(shí)、 24個(gè)小時(shí)、 48 個(gè)小時(shí)，分別取出一個(gè)小樣，打磨，拋光后進(jìn)行測試硬度。得到的硬度 值如下表： 砂型試樣時(shí)效處理（ 175℃） 時(shí)間 （ h） 1 2 4 6 12 24 48 平均直徑（μ m） 硬度（ HB） 74 79 80 89 92 95 95 94 圖 圖 圖 ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 19 將得到的硬度值繪成趨勢圖如下： 在 533℃下固溶 15 小時(shí)，讓其固溶充分后，在 175℃溫度下時(shí)效不同的時(shí)間得到的結(jié)果如圖，在 16 小時(shí)之間，其硬度增長較快。 68 小時(shí)，硬度增長較慢。 8 小時(shí)以后趨于穩(wěn)定。 穩(wěn)定的主要原因是時(shí)效前，固溶處理 進(jìn)行的很充分，強(qiáng)化相大部分融入了α相中，在時(shí)效過程中，組織的改變對(duì)鑄件的硬度影響不明顯。 砂型試樣區(qū)域穩(wěn)定后，其硬度在 96HB 左右，其硬度增加了 20HB 左右。 五、實(shí)驗(yàn) 結(jié)論 實(shí)驗(yàn) 結(jié)論 1）砂型鑄件固溶 時(shí)間適合較長的時(shí)間， 15h 左右。固溶 后 其表面很粗糙，容易產(chǎn)生空洞，裂紋等缺陷。 2）砂型試樣在 175℃的溫度時(shí)效，其硬度值隨著時(shí)間的延長而升高， 8 小時(shí)后硬度值基本上達(dá)到最高值，以后趨于穩(wěn)定。 3）金屬型試樣在 175℃溫度下時(shí)效， 6 小時(shí)后硬度值達(dá)到最大值，隨時(shí)間的增長硬度值不再變化。而在 155℃溫度下時(shí)效， 其硬度值隨時(shí)間的延長緩慢增加，增長的速率穩(wěn)定，在 15 小時(shí)左右穩(wěn)定，以后不在變化。 4） 金屬型試樣固溶后的顯微組織比砂型試樣更細(xì)。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 ZL205A 鋁合金的 熱處理效果 由實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)可以看出，通過熱處理后， ZL205A 鋁合金試樣在性能，微觀組織上都發(fā)生了很大的改變，在力學(xué)性能上，固溶合適的時(shí)間后，其硬度值得到了提高，但超過這段時(shí)間后，提高就 不會(huì)很明顯。而時(shí)效處理中，通過每個(gè)時(shí)段的測試，得到了其硬度值的峰值，并且不同的溫度下時(shí)效，其達(dá)到峰值的時(shí)間是不同的。力學(xué)性能的改變來至于試樣微觀組織的改變 [15]，通過熱處理后，其微觀組織更細(xì)?？傊?，熱處理后，試樣的綜合性能更好，擴(kuò)大了 ZL205A 的應(yīng)用范圍。 ZL205A 鋁合金的發(fā)展現(xiàn)狀 ZL205A 鋁合金 的優(yōu)良力學(xué)性能，化學(xué)性能已經(jīng)使得該合金成為了研究的熱點(diǎn)。其在高科技領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越多，如在大飛機(jī)上的應(yīng)用，隨著飛機(jī)的告訴發(fā)展，對(duì)具有高強(qiáng)度，良好的韌性，輕質(zhì)量，優(yōu)良的抗腐蝕性等性能的 材料越來越需要。 ZL205A 鋁合金就是這樣的材料，它的高性能使得各國都加大了對(duì)其的研究，其中，美國，日本，俄羅斯，中國等等都進(jìn)行了大量的研究。與同類合金比較，其展現(xiàn)出來的力學(xué)性能非常優(yōu)越。如圖 [16]： ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 21 其在 飛機(jī)上的很多部位都得到了很多的應(yīng)用，這對(duì)于航天領(lǐng)域有很大的意義， ZL205A的優(yōu)良性能使得生產(chǎn)的周期縮短，節(jié)約了加工的時(shí)間，降低成本，并且材料的穩(wěn)定性高，故障少，風(fēng)險(xiǎn)小。這些都有利于飛機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。 參考文獻(xiàn) [1] 賈泮江 ，陳邦峰． ZL205A 高強(qiáng)鑄造鋁合金的性能及應(yīng)用 [J]． 輕 合金加工技術(shù) ， 2021， (37)： 1012． [2] 李連清 ． ZL205A 合金及鑄造工藝 [J]． 宇航材料工藝 ， 2021， (2)： 37． [3] 王蘇華 ． ZL205A 高強(qiáng)度鋁銅合金的鑄造及熱處理 [J]． 西華大學(xué)學(xué)報(bào) ， 1996， (15)： 5154． [4] 賈泮江 ，陳邦峰． ZL205A 鋁合金大型錐體鑄造工藝研究 J [J]． 鑄造 ， 2021， (10)： 10651068． [5] 李敏 ， 王宏偉 等 ． 澆注工藝對(duì) ZL205A 合金組織影響 [C]． 南昌：哈爾濱工業(yè)大 ，202171． 144146． [6] 李 松瑞 ， 周善初 等 ． 金屬熱處理 [M]． 長沙：中南大學(xué)出版社 ， ： 3843． 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 [7] 王松濤 ， 趙忠興 等