【文章內容簡介】 物顆粒，形成一些體積很小的溶質原子富集區(qū) 。 時效包括兩種方式： 1） 人工時效 處理 ：它是指將材料加熱的一定的溫度后 ， 在指定的時間內或較短的時間內進行時效處理。 2）自然時效 ： 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效 。 本實驗采用的是人工時效。 進行人工時效處理 ， 為了 得到比較理想的強化效果 ， 嚴格控制加熱溫度和保溫時間 非常必要。 失效強化的原理 ： 時效硬化是一個相當復雜的過程， 時效的工藝， 合金的組成，合金生產中和固溶熱處理中造成的缺陷等等 ，都能夠影響時效的效果 。 合金在加熱的過程會形成空位，冷卻圖 1 圖 2 西南大學本科畢業(yè)論文 12 的時候，其速度過快，會導致 空位的滯留 ， 而空位會對過飽和固溶體產生促進的作用，加速了 了溶質原子加快擴散，從而加速了溶質原子的偏聚。 影響時效的因素： 1） 人工時效與淬火間的時間間隔 進行時效時會將合金從固溶的設備中取出，轉移到另一個設備中進行時效處理，這之間的時間間隔會對時效產生一定的影響，通常，這這之間的時間間隔越少越好，時間過長，會降低時效的效果。 2）合金化學成分的影響 合金的主要元素和少量雜質都會對時效強化產生影響，主要元素的越高，固溶強度越高，時效強化越好。而雜質含量雖少，但有時也能急劇影響強化效果。 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 合金能否通過時效強化。 3）固溶處理工藝影響 固溶的過程中經常會造成晶粒粗大，組織過燒等等缺陷。這會對時效產生很大的影響。而固溶過程中在正常的情況下 加熱溫 度 升高 ，保溫時間 加長 ，有利于獲 得最大過 飽和度的均勻固溶體 ，強化效果更好 [10]。 固溶如果在 冷卻過程析出第二相， 那么 在隨后時效處理時 該 相將起晶核作用， 從而使 得 時效強化效果 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，時效前的冷變形會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。 本實驗中 ZL205A 鑄造 鋁合金 進行 固溶后 ， 接著進行時效處理，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備轉移到時效的設備，這之間的時間間隔盡量要少。保溫的時間是實驗很重要的因素。 實驗過程中 每個 時效溫度包括 9 個小試樣，如圖 [11] 時效 175（ 155）℃ （ ） 時效 175（ 155）℃ （ 1） 時效 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 設置 好時間段后，每隔一個時間段取出一個小樣， 冷卻后打磨拋光 進行力學性能測試，得到試樣在不同時間下硬度的改 變趨勢。 過程如總流程圖的 5， 6， 7 步驟。 時效在如右圖的設備里進行保 溫 。 設備名稱：電熱鼓風干燥箱 電源： 220V 50Hz 尺寸： 500 550 500 功率： 產品編號： A0901009 溫度范圍： RT+10~300℃ 時效時合金性能的變化： 時效的溫度高低，時間長短，使得合金的組織發(fā)生改變，對合金的物理性能，力學性能和化學性能產生影響 [12]。 力學性能的測量 1）對試樣進行打磨，拋光 。砂紙分為 240， 320， 400， 600， 800， 1000， 2021，打磨的過程是從最粗的 240 號砂紙進行打磨，然后依次換成更細的砂紙進行打磨。 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，直至試樣磨面僅留一個方向上的均勻磨痕為止。每換一號砂紙，樣品掉轉 90o. 磨光后進行拋光，拋光的目地是 細微磨痕 和 金屬形變擾動層 ，拋光的方法有機械拋時效 175（ 155）℃ 2h（ 4） 時效 175（ 155）℃ 4h（ 6） 時效 175（ 155）℃ 6h（ 8） 時效 175（ 155）℃ 8h（ 10） 測量硬度 時效 175（ 155）℃ 20h（ 20） 時效 175（ 155）℃ 24h（ 24） 試樣 4 試樣 5 試樣 6 試樣 7 試樣 8 試樣 9 西南大學本科畢業(yè)論文 14 光，電解拋光，化學拋光。本實驗中采用的是機械拋光。需要用到，拋光 用織物：帆布、尼綸或呢絨 ，其作用主要是 儲存潤滑劑，保證拋光順利進行 。 纖維或者絨毛與磨面間的摩擦，使磨面平滑光亮 。 纖維間隙儲存拋光微粉，微粉部分露出表面，產生磨削作用，且阻止微粉由于離心 力飛出 拋光時應注意， 用力適當，不可過大。拋光時不斷添灑磨料和潤滑液。拋光時不斷添灑磨料和潤滑液 。 2）對表面進行腐蝕 ，腐蝕液為 %HF+%水 [13] 注意事項： 腐蝕后快速用水沖洗，然后用酒精漂洗和熱風吹干；腐蝕不當，應重新拋光后再進行腐蝕（在晶界部位容易形成臺階 ） 3）吹干后進行硬度測量 ，硬度測量分為布氏硬度計和維氏硬度計。本實驗采用的是布氏硬度計，型號是 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行布氏硬度試驗時，只要滿足 P/D2為常數，則對同一材料來說布氏硬度值不變 。 實驗中采用的是 直徑的壓頭，加載載荷為 ，加載載荷的保持時間為20 秒。 4）將數據繪成圖表，觀察趨勢，分析結果。 四 、 實驗結果及 分析 金屬型試樣實驗結果 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 533℃固溶處理 15 小時后，其組織形態(tài)如圖 3）時效分析 經固溶處理后，金屬試樣棒中取出 18 個小試樣，分成 A,B 兩組。 A 組在 175℃下保溫 24 小時，分別在 15 分鐘、 30 分鐘、 1 個小時、 2 個小時、 4 個小時、 6 個小時、 8 個小時、 20 個小時和 24 小時取出一個小樣，經打磨，拋光后進行硬度測試，每個試樣測試五個硬度值，取其平均值，盡量消除打磨，拋光和操作時產生的誤差。 B 組則在 155℃下保溫 24 小時，分別在 30 分鐘、 1 個小時、 2 個小時、 4 個小時、 6個小時、 8 個小時、 10 個小時、 20 個小時和 24 個小時取出一個小樣，同樣進行硬度測試。測試數據如下： 西南大學本科畢業(yè)論文 16 兩個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℃時效時，在 1~4 小時之間，硬度有明顯的提高。而在 6~8小時，硬度增長較緩慢。 6 小時之后，硬度值趨于穩(wěn)定。 在 155℃溫度下時效，硬度隨時間緩慢提高， 增長較為平緩，增長率基本上不變。 到15 小時左右趨于穩(wěn)定。 從兩個溫度下的時效結果可以看出， 金屬型鑄件在不同的時效溫度下，其硬度隨著時間的延長而呈上升趨勢，雖然在同時間內 175℃時效的試樣硬度總體上高于 155℃ 溫度下時效的試樣硬度，但穩(wěn)定時的硬度大概相同，差別不大。 低溫時效時，硬度的提高的速度明顯慢于高溫時的時效?？梢姕囟葘r效強化的影響是很大的。 砂型試樣實驗結果 1） 砂型試樣鑄態(tài) ZL205A 鋁合金經溶燒，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： 西南大學本科畢業(yè)論文 18 在圖中可見，實驗中的砂型試樣表面粗糙，且出現了縮孔，該縮孔出現于不同厚度的過度處，產生縮孔的原因可能是 [14]: 鑄件結構設計考慮的不全面，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 . 由于澆注時操作不合理，如澆注時過猛或者澆注的時間太長 。開箱時間太快等 2） 固溶處理 鑄造 試樣在 533℃下保溫 15 個小時，其組織形態(tài)如圖 圖 和 是 200 倍下的顯微組織結構圖，圖中能夠見到大量的化合物，而 中出現的黑色團狀物是針孔，主要來至與鑄造時產生的缺陷。 3） 時效分析 經固溶處理后，將試樣切取 9 個小樣，在 175℃的溫度下保溫 48 個小時，進行時效處理，在 15 分鐘、 30 分鐘、 1 個小時、 2 個小時、 4 個小 時、 6 個小時、 12 個小時、 24個小時、 48 個小時，分別取出一個小樣，打磨，拋光后進行測試硬度。得到的硬度 值如下表： 砂型試樣時效處理（ 175℃） 時間 （ 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，讓其固溶充分后，在 175℃溫度下時效不同的時間得到的結果如圖，在 16 小時之間，其硬度增長較快。 68 小時，硬度增長較慢。 8 小時以后趨于穩(wěn)定。 穩(wěn)定的主要原因是時效前，固溶處理 進行的很充分，強化相大部分融入了α相中，在時效過程中，組織的改變對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、實驗 結論 實驗 結論 1）砂型鑄件固溶 時間適合較長的時間， 15h 左右。固溶 后 其表面很粗糙，容易產生空洞，裂紋等缺陷。 2）砂型試樣在 175℃的溫度時效，其硬度值隨著時間的延長而升高， 8 小時后硬度值基本上達到最高值，以后趨于穩(wěn)定。 3）金屬型試樣在 175℃溫度下時效， 6 小時后硬度值達到最大值，隨時間的增長硬度值不再變化。而在 155℃溫度下時效， 其硬度值隨時間的延長緩慢增加，增長的速率穩(wěn)定，在 15 小時左右穩(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。 西南大學本科畢業(yè)論文 20 ZL205A 鋁合金的 熱處理效果 由實驗中的數據可以看出，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，在力學性能上，固溶合適的時間后，其硬度值得到了提高，但超過這段時間后，提高就 不會很明顯。而時效處理中，通過每個時段的測試，得到了其硬度值的峰值，并且不同的溫度下時效，其達到峰值的時間是不同的。力學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。總之，熱處理后，試樣的綜合性能更好，擴大了 ZL205A 的應用范圍。 ZL205A 鋁合金的發(fā)展現狀 ZL205A 鋁合金 的優(yōu)良力學性能，化學性能已經使得該合金成為了研究的熱點。其在高科技領域內的應用越來越多，如在大飛機上的應用，隨著飛機的告訴發(fā)展，對具有高強度，良好的韌性，輕質量，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其的研究，其中，美國，日本，俄羅斯，中國等等都進行了大量的研究。與同類合金比較，其展現出來的力學性能非常優(yōu)越。如圖 [16]： ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織 21 其在 飛機上的很多部位都得到了很多的應用，這對于航天領域有很大的意義， ZL205A的優(yōu)良性能使得生產的周期縮短，節(jié)約了加工的時間，降低成本，并且材料的穩(wěn)定性高，故障少，風險小。這些都有利于飛機領域的發(fā)展。 參考文獻 [1] 賈泮江 ，陳邦峰． ZL205A 高強鑄造鋁合金的性能及應用 [J]． 輕 合金加工技術 ， 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 高強度鋁銅合金的鑄造及熱處理 [J]． 西華大學學報 ， 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 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：中南大學出版社 ， ： 3843． 西南大學本科畢業(yè)論文 22 [7] 王松濤 ， 趙忠興 等