【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3， 17]： α過(guò)飽和固溶體→ GP(l)區(qū) →GP(2) 區(qū)（ θ//） →中間相 θ/→ 穩(wěn) 定 相 θ。 在 LY12鋁合金屬 A1CuMg系合金，它的析出行為與 AlCu系二元合金不同。主要是添加 Mg后，形成兩種 GP區(qū)和兩種中間相。 在 LY12鋁合金的成分范圍內(nèi)，起強(qiáng)化作用的 GPB區(qū)和中間相 S/， 時(shí)效過(guò)程也主要取決于 GPB區(qū)的形成和長(zhǎng)大。同 GPθ區(qū)相比， GPB區(qū)在低溫下形成和長(zhǎng)大的速度慢，而在較高溫度下形成和長(zhǎng)大的速度加快，很快長(zhǎng)成 S/相。這也是 LY12鋁合金性能優(yōu)良的原因。 由時(shí)效的定義可知，鋁合金時(shí)效強(qiáng)化的前提，首先是進(jìn)行固溶處理，獲得過(guò)飽和的 單相組織。 時(shí)效的基本過(guò)程是強(qiáng)化相析出 (沉淀 )的過(guò)程，在析出過(guò)程各過(guò)渡階段中析出相及其 周圍的應(yīng) 變場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而引起復(fù)合材料的強(qiáng)化。與此同時(shí)，由于過(guò)飽和固溶體 的濃度降低，固溶強(qiáng)化效果減弱，又引起合金的軟化，再加上析出過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變以及 回復(fù)再結(jié)晶等因素的影響，致使時(shí)效過(guò)程中復(fù)合材料性能的變化情況相當(dāng)復(fù)雜。 合金的化學(xué)成分與合金的時(shí)效強(qiáng)化有密切關(guān)系。一種合金是否可以通過(guò)時(shí)效進(jìn)行強(qiáng) 化，首先取決于組成合金的元素能否溶解于固溶體以及固溶度隨時(shí)間變化的程度。鐵、鎳基本上不溶解于鋁中，故鋁 鐵、鋁 鎳系合金不能進(jìn)行時(shí)效處理。硅、錳在鋁中的固溶度比較小，且隨溫度變化不大。而鎂、鋅雖然在鋁基固溶體中有較大的固溶度 ，但 是它們與鋁形成的化合物 (第二相 )的結(jié)構(gòu)與基體差異不大，強(qiáng)化效中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 28 頁(yè) 果也不大。因此，二 元鋁 硅，鋁 錳，鋁 鎂與鋁 鋅合金等一般不采取時(shí)效處理地方法來(lái)強(qiáng)化。如果在 鋁中加入某些合金元素能形成結(jié)構(gòu)與成分復(fù)雜的化合物 (第二相 )，則在時(shí)效過(guò)程中形成 的 GP 區(qū)的結(jié)構(gòu)就比較復(fù)雜，與基體共格關(guān)系引起的畸變也較嚴(yán)重，因此合金的時(shí)效強(qiáng) 化效果就較為顯著。 近年來(lái)的研究表明，淬火空位對(duì)時(shí)效過(guò)程也有很大作用。所謂淬火空位是指金屬加 熱時(shí)，由于原子活動(dòng)能力大，晶格空位濃度增多，淬火后這些空位被固定下來(lái)，故稱為 淬火空位。如果合金沒(méi)有淬火空位的話 ，室溫時(shí)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力是不足以形成 GP 區(qū)的。 實(shí)驗(yàn)原理 熱處理實(shí)驗(yàn) 鋁合金的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時(shí)間并以一定的速度冷卻，改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工性能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。 1. 淬火溫度的確定 與鋼鐵淬火溫度相比，鋁合金允許淬火溫度范圍是比較窄，為 498177。5℃ ，因 此 在生產(chǎn)操作及儀表控制方面應(yīng)嚴(yán)加注意，以防止過(guò)燒或加熱不完全；溫度過(guò)高會(huì)使合金中低熔點(diǎn)共晶體熔化，這種現(xiàn)象叫過(guò)燒。過(guò)燒現(xiàn)象 在顯微鏡下觀察可以看到在合金組織中有球狀共晶體。在晶界處有三角或網(wǎng)絡(luò)狀的共晶體和晶界發(fā)毛變粗等現(xiàn)象，過(guò)燒現(xiàn)象是鋁合金淬火時(shí)不允許的，因?yàn)檫^(guò)燒的半制品機(jī)械強(qiáng)度顯著降低，耐蝕性能變壞，制成的零件會(huì)出現(xiàn)破壞事故，所以淬火溫度應(yīng)低于過(guò)燒溫度， LY12的過(guò)燒溫度為 506℃ [18]。 經(jīng)研究可知，鋁合金固溶溫度越高，固溶后飽和程度越高，因此固溶溫度的選擇原 則是 :在保證合金不過(guò)燒的前提下，應(yīng)盡可能地提高固溶溫度。固溶加熱時(shí)，合金中的 強(qiáng)化相溶入固溶體中越充分，固溶體的成分越均勻，則經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效后合金的力學(xué)性能 就越好 。一般來(lái)說(shuō)，固溶溫度越高，上述過(guò)程就進(jìn)行得越快越完全。但是如果溫度過(guò)高 則可能會(huì)引起晶粒粗大，甚至發(fā)生過(guò)燒 (局部熔化 )而使產(chǎn)品報(bào)廢。 若固溶溫度偏低，加熱不足，強(qiáng)化相將不能完全溶解，導(dǎo)致固溶體濃度大大降低，最終強(qiáng)度、硬度也相應(yīng)顯著降低。故固溶溫度是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)。鋁合金的加熱溫度范圍很窄，因此，熱處理加熱爐的溫度誤差應(yīng)很小，通常在 土 5℃ 以內(nèi)，這樣鋁合 金的力學(xué)性能和金相組織才能得到保證。 中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 28 頁(yè) 2. 時(shí)效時(shí)間及溫度的確定 根據(jù) HB/Z512679的標(biāo)準(zhǔn)要求：在對(duì) LY12鋁合金自然時(shí)效時(shí)，要求室溫 96h以 上，如 圖 為 LY12 板材自然時(shí)效曲線 [9]：可以看出，在時(shí)效處理的最初， LY12鋁合金的性能隨時(shí)效時(shí)間增加而增加，當(dāng)時(shí)效達(dá)到 96h 時(shí)，性能達(dá)到最佳，當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過(guò) 96 小時(shí)，其力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，因此，自然時(shí)效的時(shí)間為 96 小時(shí)。但根據(jù) HB/Z512679 的標(biāo)準(zhǔn)要求，在對(duì) LY12 鋁合金人工時(shí)效時(shí)，溫度要求在 185－195℃ ，時(shí)效時(shí)間為 12 小時(shí)，如圖 鋁合金的人工時(shí)效曲線，可以看出，在190℃ 下對(duì) LY12 鋁合金進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的增加而增加，并在 6 小時(shí)后趨于平衡，在 6 小時(shí)后隨時(shí)間的增加變化不大；屈服強(qiáng)度一直呈增加的趨勢(shì)；伸長(zhǎng)率隨時(shí)效時(shí)間的增加而緩慢降低。所以，人工時(shí)效的最佳時(shí)效時(shí)間為 5小時(shí)左右。 圖 LY12 板材自然時(shí)效曲線 [9] 圖 LY12 鋁合金人工時(shí)效曲線 [9] 在本實(shí)驗(yàn)中，選擇時(shí)效溫度為 190℃ ，時(shí)效時(shí)間為 6h。如果溫度過(guò)低，由于擴(kuò)散困難， 區(qū)不易形成，時(shí)效后強(qiáng)度，硬度低；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，擴(kuò)散易進(jìn)行，過(guò)飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸大， 時(shí)效后強(qiáng)度，硬度偏低，即產(chǎn)生過(guò)時(shí)效。因此，各種合金都有最適宜的時(shí)效溫度。 硬度測(cè)定實(shí)驗(yàn) 硬度是指材料對(duì)另一更硬物體 (鋼球或金剛石壓頭 )壓入其表面所表現(xiàn)的抵抗力 。硬度測(cè)量能夠給出材料軟硬程度的數(shù)量關(guān)系。另外，硬度與其它機(jī)械性能 (如中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 28 頁(yè) 屈服強(qiáng)度、伸縮率、頸縮率 )之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，可以說(shuō)， 硬度的大小對(duì)于機(jī)械零件和工模具等的使用性能及壽命具有決定性意義。又由于測(cè)硬度簡(jiǎn)便易行，又不損壞工件，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用十分廣泛。材料的硬度值與抗拉強(qiáng)度有近似的正比關(guān)系。 例如： бb=kHB 式中 k系數(shù)，不同的材料和不 同的熱處理狀態(tài)其 k 值不同。碳鋼的 k≈ 、調(diào)質(zhì)狀態(tài)的合金鋼的 k≈ 、鑄鋁的 k≈ 。 常用的硬度試驗(yàn)方法及使用范圍如下： 布氏硬度 應(yīng)用于黑色、有色金屬的原材料檢驗(yàn)，也可測(cè)定一般正火、退火后的材料硬度。 洛氏硬度 主要用金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢驗(yàn)。 維氏硬度 應(yīng)用于薄板材料及材料表層的硬度測(cè)定，以及較精確的硬度測(cè)定。 顯微硬度 主要用于測(cè)定金屬材料組織組成物或各組成相的硬度。 在本次實(shí)驗(yàn)主要用于測(cè)定高強(qiáng)度鋁合金（ LY12）的硬度，要求誤差小，且 LY12鋁合金較軟，所以選用布氏 硬度。 1. 布氏硬度試驗(yàn) 布氏硬度試驗(yàn)的原理是用一定直徑 D(mm)的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以 一定的試驗(yàn)力 F(N)，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間 t(s)后，卸除試驗(yàn)力，試驗(yàn)表面將殘留壓痕。測(cè)量壓痕平均直徑 d(mm),求得壓痕球形面積 A(mm2)。布氏硬度值 (HB)就是試驗(yàn)力 F除以壓痕球形表面積 A所得的商。 F以 N為單位時(shí)，其計(jì)算公式為： HB= =22()FD D D d? ?? 通常：布氏硬度值 不標(biāo)出單位。 由于壓頭的材料不同 ，因此布氏硬度值用不同的符號(hào)表示，以示區(qū)別。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時(shí)，其符號(hào)為 HBS，適用于布氏硬度值在 450以下的材料；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球，其符號(hào)為 HBW，適用于布氏硬度值在 450－ 650的材料。 對(duì)于材料相同厚薄不同的試樣，要測(cè)得相同的布氏硬度值；或?qū)浻膊煌牟牧?，要求測(cè)得的硬度具有可比性，在選配壓頭直徑 D及試驗(yàn)力 F時(shí)，應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角 φ保持不變），與此同時(shí)，壓痕直徑 d應(yīng)控制在（ 中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 28 頁(yè) － ） D之間，以保證得到有效的硬度。 布氏硬度試驗(yàn)用的壓頭直徑 D有 10mm、 5mm、 、 2mm和 1mm5種。主要根據(jù)試樣厚度選擇，應(yīng)使壓痕深度 h小于試樣厚度的 1/10。當(dāng)試樣厚度足夠時(shí)，應(yīng)盡可能選用直徑為 10mm的壓頭。 布氏硬度試驗(yàn)的 、 1 、 1七種，其中 。表 ： 表 材料 布氏硬度范圍 范圍 鋼和鑄鐵 ＜ 140 ≥ 140 10 30 輕金屬及其合金 ＜ 35 38～ 80 ＞ 80 （ ） 10（ 5或 15） 10（ 15） 銅及其合金 ＜ 35 35～ 130 ＞ 130 5 10 30 鉛、錫 （ 1） 當(dāng)壓頭直徑 D 及 ，試驗(yàn)力 F(N)也就隨之確定了。 黑色金屬的試驗(yàn)力保持時(shí)間為 10～ 15s；有色金屬較軟，塑性變形需要時(shí)間，故試驗(yàn)力保持時(shí)間規(guī)定為 30s；對(duì)于 ＞ 35HBS 的材料，保持時(shí)間為 60s。 2. 布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn) 布氏硬度試驗(yàn)時(shí)一般采用直徑較大的壓頭，因而所得壓痕面積較大。壓痕面積大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其硬度值能反映金屬在較 大范圍各組成相的平均性 能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，因此，布氏硬度試驗(yàn)也可 適用于測(cè)定灰鑄鐵，軸承合金等具有粗大晶粒，或組成相的金屬材料的硬度，壓痕較大的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性較強(qiáng)。 布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對(duì)不同材料需要換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量比較麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受到限制；當(dāng)壓痕直徑較大時(shí)不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。 金相試樣的制備及顯微攝影 [19] 1. 金相試樣的制備 中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 28 頁(yè) 為了在金相顯微鏡俠正確有效的觀察到內(nèi)部顯微組織，樣品必須預(yù)先經(jīng)過(guò)精心的制備 主要程序：取樣－磨光－拋 光－腐蝕等。 ① 取樣 取樣部位及磨面（觀察面）的選