【正文】 與世界先進水平仍有較大差距。因此，我們要將理論成果不斷完善，將科學技術(shù)轉(zhuǎn)化為先進的科學生產(chǎn)力，從而達到世界水平。鋁合金和鋼一樣都需要進行熱處理，從而控制和改善其性能，但鋁合金又有其自身特點，鋁合金的熱處理與鋼又有所區(qū)別。鋁合金的主要熱處理形式是退火與固溶時效。退火主要為了消除加工硬化和前面工序中產(chǎn)生的應(yīng)力，而固溶時效是為了提高合金的機械強度，同時消除部分晶界偏聚。將鋁合金加熱到α單相區(qū)某一溫度，經(jīng)保溫，使第二相溶入α中，形成均勻的單相α固溶體，隨后迅速冷卻，使第二相來不及從α固溶體中析出，在室溫下得到過飽和的α固溶體，這種處理方法成為固溶熱處理或固溶（俗稱淬火）[1]。固溶后的過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，在室溫下放置一段時間后或低溫加熱，從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)及亞穩(wěn)過渡相的過程稱為脫溶。合金在脫溶過程中其機械性能、物理性能、化學性能等隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時效。一般情況下，在脫溶過程中合金的硬度、強度會逐漸升高，這種現(xiàn)象又稱為自然時效硬化或時效硬化[6]。在自然溫度下產(chǎn)生的時效稱為自然時效，加熱到室溫以上某一溫度進行的時效稱為人工時效。過飽和固溶體有自發(fā)分解的傾向，分解過程叫脫溶（也叫時效）。時效時第二相脫溶符合固態(tài)相變的階次規(guī)則，即通常在平衡脫溶相出現(xiàn)之前會出現(xiàn)一種或兩種亞穩(wěn)相，順序為：偏聚區(qū)（或稱GP區(qū)）→θ162。162。（亞穩(wěn)相）→θ162。（亞穩(wěn)相）→θ（平衡相），形成GP區(qū)點陣類型并未改變但會產(chǎn)生點陣的彈性伸縮，與基體形成很大的共格應(yīng)變區(qū)。，厚度有幾個原子層。合金在較高溫度下時效，隨后進行圖 11 TEM下的GP區(qū)形貌有序化，形成θ162。162。（亞穩(wěn)相），它仍與基體是完全共格的，但會產(chǎn)生大約4%的錯配度，在基體中產(chǎn)生彈性應(yīng)變區(qū)。隨著θ162。162。（亞穩(wěn)相）長大，應(yīng)變區(qū)也在長大，在基體中從一個θ162。162。粒子到另一個θ162。162。粒子連成一個整體，這使合金強度大大提高。繼續(xù)時效，θ162。162。相轉(zhuǎn)變成θ162。相，在剛出現(xiàn)θ162。時硬度達到最大，θ162。與基體是部分共格的關(guān)系，隨著θ162。的出現(xiàn)失去了部分與基體共格的聯(lián)系，使硬度降低，即所謂的過時效產(chǎn)生。θ（平衡相）隨時效的延長也慢慢產(chǎn)生，此時就只剩下顆粒彌散強化的效果了。在某一溫度下，隨著時間的延長，硬度增大[2]。有兩個峰形成，由于GP區(qū)（如圖2[7]）的形成硬度上升，形成第一個峰；由于θ162。162。的形成，出現(xiàn)第二個峰，而硬度下降則表明產(chǎn)生了θ162。，應(yīng)為不同的強化相有不同的強化效果，并且不同的合金成分有不同的脫溶順序。時效對鋁合金性能的影響非常大，在時效初期有一個停滯階段，稱為孕育期[8]，由于從固溶體中析出第二相，使得固溶強化的效果明顯消失，而顆粒增強的效果又沒有顯現(xiàn)出來，所以這一時期可能硬度會下降。圖12 AlCu合金時效硬化與時效時間和脫溶相結(jié)構(gòu)的關(guān)系（a）130℃時效 （b）180℃時效（1）合金成分 合金元素在α固溶體中溶解的愈多經(jīng)過時效硬度愈高，但超過一定范圍效果會越來越不明顯（如圖2）[9]。（2）固溶處理固溶的過程實際是合金元素擴散的過程，而空位的多少受固溶溫度及冷方式的影響，所以在不發(fā)生過燒和過熱的前提下提高固溶處理溫度及適當?shù)睦鋮s方式。（3）時效溫度、時間圖13 在不同溫度下（T1T2T3）強度與時效時間的關(guān)系在正常時效溫度下時間越長合金的抗拉強度和硬度提高，達到一個最大值，但超過了一定的溫度范圍就會下降，在較低的時效溫度下時效較長時間硬度的峰值也會相應(yīng)較高（如圖3）[10]，但時效的時間需要加長，所以要綜合考慮性能與經(jīng)濟的關(guān)系。（1）晶體缺陷的影響。一般來說，由于晶體缺陷的存在，使得新相的形成更加容易，使脫溶生成第二相速度加快。（2）合金成分的影響。合金成分越多，熔點越低，原子在較低溫度下原子間結(jié)合力弱，原子活動能力較強，使得形成第二相晶核較容易，脫溶速度較快。（3）時效溫度的影響。時效溫度較高時原子運動加快，但由于溫度的提高，合金的過飽和度減小，脫溶相和母相的自由能差減小，降低了脫溶的速度。這就從動力學的角度解釋了在一定的溫度范圍內(nèi)可以用提高溫度來加快時效過程，但這會；影響時效的強化效果。因此，在制定熱處理強化工藝是必須要考慮上述一系列的影響因素，要想制定一條最佳的熱處理強化工藝，必須從它的每一道工序考慮： 鑄造鋁合金組織較粗大，通常存在某種程度的偏析，所以加熱時間要長，防止一些相未徹底溶解，但又要防止組織粗大；如果是體積較大的的鑄件則要選擇分段加熱。加熱溫度越高，保溫時間越短防止過熱和過燒，為了提高強化元素的固溶量，可適當提高固溶溫度；淬火冷卻速度也很重要，Vc要大于臨界冷卻速度，防止固溶體分解。固溶時效是一種改善鑄造鋁合金力學性能的有效方法，經(jīng)過人們不斷的探索研究，對它有了一定系統(tǒng)性的認識，但對于一些特定的鋁合金，其熱處理工藝及工藝參數(shù)的研究遠非完善，尚需進一步的系統(tǒng)研究。本文通過一系列的固溶時效來觀察其組織變化，再通過其硬度曲線，來判斷其力學性能，主要目的是對一種顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料研究其最佳熱處理工藝參數(shù)，同時為進一步優(yōu)化合金成分開展前期基礎(chǔ)研究。欲開展的實驗研究主要有：[1] 分析顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料成分、組織與相結(jié)構(gòu)的特點；[2] 研究固溶處理條件對該種鑄造鋁基復(fù)合材料的組織與性能的影響規(guī)律； [3] 研究時效處理條件對該種鑄造鋁基復(fù)合材料的組織與性能的影響規(guī)律；[4] 通過實驗探究獲得該種鑄造鋁基復(fù)合材料的最佳熱處理強化工藝； 設(shè)計方案的確定1）方案的原理、特點與選擇依據(jù) 本研究以實驗研究為主要研究方法，通過對顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料的成分設(shè)計特點及其鑄態(tài)組織、相結(jié)構(gòu)與性能的分析，設(shè)計提高其強度的熱處理工藝，研究固溶處理條件與時效處理條件對顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料組織、相結(jié)構(gòu)與性能的影響。2）設(shè)計步驟顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料的成分設(shè)計分析 222。 鑄態(tài)組織、相結(jié)構(gòu)與性能分析 222。 熱處理強化工藝的設(shè)計 222。 工藝試驗 222。 組織與性能測試與分析222。 工藝優(yōu)化、機理分析第二章 實驗方法本研究的基本實驗路線如圖1所示：切取試樣固溶處理金相顯微觀察、XRD相結(jié)構(gòu)分析時效處理硬度測試硬度測試 金相顯微觀察、 XRD相結(jié)構(gòu)分析圖21基本實驗路線表21實驗設(shè)備設(shè)備名稱型號主要技術(shù)參數(shù)產(chǎn)地預(yù)磨機M2磨盤直徑 230mm轉(zhuǎn)速 500r/min上海金相試樣拋光機P2拋盤直徑200mm上海、泰興金相顯微鏡放大倍數(shù)為100、250、400上海顯微硬度計HXD1000TMC中國上海箱式電阻爐SX2—功率：額定電壓：220V工作室尺寸：300*200*120mm上海鼓風干燥箱DHG9075A型上海X射線衍射儀Rigaku D/max 2500v/pcCu靶，100mA日本理學 試樣的準備試驗材料為某企業(yè)提供的一種顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料，其主要合金元素為硅，其它合金元素主要有Mg、Zn、Mn、Ti、B等。取Al基復(fù)合材料鑄錠一塊，切取試樣。選用180目和400目水砂紙，將試樣在預(yù)磨機上進行磨平；再在不同粗細的金相砂紙上從1﹟到5﹟依次磨制,每張分別沿著一個方向手工平磨，到第二道砂紙上沿著垂直方向平磨，這里一定要保持用力均勻，以防出現(xiàn)倒角；然后用氧化鉻拋光液進行拋光，拋光時應(yīng)注意要適當?shù)募尤霋伖庖菏箳伖獠急３忠欢穸?，要注意由于鋁合金的強度較低、塑性較好出現(xiàn)的拖尾現(xiàn)象,用力要小且拋光液一定要少，防止顆粒嵌入。將不同工藝處理試樣拋光后用1：50的氫氟酸侵蝕, 置金相顯微鏡下觀察分析顯微組織，并在100倍、250倍、400倍下將試樣的典型組織結(jié)構(gòu)拍下。 固溶時效處理熱處理工藝參數(shù)及步驟如表1所示表22 試驗用熱處理工藝試樣編號熱處理工藝1500 ℃4h固溶水冷150℃下分別進行1 、2 、4 、10 、11118h時效170℃下分別進行1 、2 、4 、10 h時效200℃下分別進行1 、2 、4 、10 h時效2500 ℃4h固溶空冷3520 ℃4h固溶水冷4520 ℃4h固溶空冷5540 ℃4h固溶水冷6540 ℃4h固溶空冷7560 ℃4h固溶水冷8560 ℃4h固溶空冷9580 ℃4h固溶水冷10580 ℃4h固溶空冷 硬度測試每次測量硬度前均對試樣進行磨制、拋光。測試過程a．準備試樣，試樣兩個面要平行，如不平需要用橡皮泥墊。將試樣置放在工作臺上，調(diào)節(jié)焦距使試樣的顯微組織在視野中清晰，施加載荷()，其被測面垂直于主軸軸線，加載荷必須平穩(wěn)、無沖擊現(xiàn)象；b．保持一定時間(20s)后，卸去所加載荷，然后轉(zhuǎn)動或平動測量裝置，使物鏡位置對準壓痕；c．校零，然后測量兩對角線長度；d．讀取硬度值。 X衍射分析X射線衍射分析采用采用日本理學D/max 2500 PC型X射線衍射儀，Cu靶，40KV，Kα，100mA。第三章 實驗結(jié)果與分析如圖31所示是鋁硅合金鑄態(tài)組織圖，Si以兩種方式存在，主要是以粗大的樹枝晶存在，還有部分分布在鋁基固溶體中，雖然此時部分枝狀硅的析出已經(jīng)有了很大改善，但仍有很多偏聚及顆粒大小不一，分布不均勻，如b圖。如圖c、d所示，常規(guī)鑄造組20μm10μm50μm50μmc)d)b)a)圖31 鑄態(tài)不同倍數(shù)下的顯微組織織形貌呈枝晶狀，圖中的顯微組織Si( 黑色區(qū)域) 和Al Si ( 白色區(qū)域) 的分布狀況。在鑄態(tài)，由于鑄造所引起的成分不均勻是不可避免的。圖32為鑄造鋁合金在500℃固溶后的顯微組織，與鑄態(tài)在顯微組織上相比有明顯的區(qū)別，沿晶界析出的共晶組織明顯減少了許多，特別是在圖c、d中可以清晰的看出晶界處的相已經(jīng)基本溶斷，看不出連續(xù)的共晶組織，經(jīng)固溶后的組織晶粒較鑄態(tài)有所增大。相應(yīng)的圖a、b中，空冷和水冷這兩種冷卻方式下顯微組織比較，兩者差別不大，都仍有大量的Si未溶解，仍需提高固溶溫度。10μm10μmd)20μma)c)20μmb)圖32 500℃固溶不同冷卻方式顯微組織（a）空冷 （b）水冷 （c）空冷 （d）水冷 圖33分別是520℃、540℃、560℃下固溶水冷空冷組織圖。500℃固溶后，在400倍下水冷微觀組織中只能模糊的看出晶界，而空冷的晶界還是比較明顯的。由于水冷時，冷卻速度高于其臨界冷卻速度，使得固溶的硅來不急從α相中析出，從而形成過飽和固溶體，產(chǎn)生固溶強化，但空冷的速度是低于臨界冷卻速度的，所以，在冷卻過程中，有部分溶入α相的共晶相又沿著邊界析出，使得晶界仍能明顯的辨別。圖a、b所示，520℃固溶仍明顯的看出有很多的析出相沒有充分固溶到α相中，這表明現(xiàn)在的溫度仍沒有達到共晶溫度。圖c、d分別與圖a、b比較可知，540℃固溶和520℃固溶后的顯微組織沒有太大差別。但圖e、f中，560℃的水冷組織和500℃及520℃的就有了較明顯的區(qū)別，10μm10μma)b)晶界處的析出相已經(jīng)基本溶斷，且硅的顆粒較小較均勻，經(jīng)過腐蝕可以很清楚的發(fā)現(xiàn)一10μm10μmd)c)（a）520℃固溶空冷，腐蝕 （b）520℃固溶水冷，腐蝕10μm10μmf)e)（c）540℃固溶空冷，腐蝕 （d） 540℃固溶水冷，腐蝕（e）560℃固溶空冷，腐蝕 （f）560℃固溶水冷，腐蝕50μm50μm（g）560℃固溶空冷，未腐蝕 （h）560℃固溶空冷，未腐蝕圖33 不同固溶溫度下顯微組織些彌散的第二相粒子分布在α相基體上，而水冷的比空冷少很多，且水冷的晶界處的析出物明顯比空冷的少，基本溶入。圖g、h是在100倍下未腐蝕的照片，在比較低的倍數(shù)下看兩種不同冷卻方式的顯微組織，并沒有多大的差別，但在400倍下，從e、f圖對比，我們可以很清楚的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過水冷的晶界處的硅幾乎全部溶為球狀顆粒，細小均勻，而空冷的則有大有小，晶界處仍較為明顯；α相基體上分布的第二相粒子，由于水冷的冷卻速度快來不及析出，比空冷的少很多。b)a)10μm圖34 a、b分別為經(jīng)過一次和三次560℃固溶水冷處理后的顯微組織。在實驗過程中，固溶后在第一個時效溫度時效，再進行第二個溫度時效，需要進行重新固溶處理，防止由于時效后對試樣組織性能有一定的影響，這會使不同溫度下時效結(jié)果更具有可比度。如下圖所示，顯微組織組織結(jié)構(gòu)也無太大變化，但仍可以看出硅的分布比第一次固溶后要均勻，且大小勻稱，沒有特別粗大的析出。10μm 圖34 一次固溶和三次固溶后的顯微組織圖35為該合金鑄態(tài)組織的XRD分析結(jié)果，其相組成主要為鋁基固溶體和硅。圖35 鑄態(tài)組織的XRD分析結(jié)果圖36為該合金560℃固溶水冷后的XRD分析圖，相對于其鑄態(tài)，除Si峰的強度有所降低外，在相結(jié)構(gòu)組成上基本無區(qū)別。圖36 560℃固溶水冷后的XRD分析圖圖37 不同冷卻方式硬度隨固溶溫度變化曲線圖37為500℃，520℃，540