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铝合金的析出硬化处理.doc

上传人:天天快乐 文档编号:1310686 上传时间:2018-06-23 格式:DOC 页数:8 大小:5.87MB
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资源描述

1、材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗1鋁合金的析出硬化處理1.析出硬化簡介【18 】:二十世紀初德國人 Alfred Wilm 把含有 4%Cu 及微量 Mg 和 Mn 之鋁合金,經高溫淬火後,室溫放置或於稍高溫下恆溫處理一段時間,發現此合金有時效硬化現象;即其硬度和強度會隨放置(或處理)時間之增長逐漸增加。1930 年代 Guinier 和 Preston 利用X-Ray 繞射法量測出微細析出物的存在,1950 年代 TEM 發明而可直接觀察析出粒子,使析出硬化之理論快速進展而逐漸建立。目前已可使某些鋁、鈦、鎂和銅之合金、不銹鋼、超合金及麻時效鋼等結構材料,利用析出硬化處理大幅提高它們之強硬

2、度。析出硬化處理的最基本程序至少須包含三個步驟:溶體化處理(solution treatment) 、快速淬火(quenching)及時效處理(aging treatment) 。溶體化處理是將材料加熱至固溶線以上之單相區,持溫一適當時間使合金元素全部溶入基地而形成單相固溶體。快速淬火至低溫,則材料形成過飽和固溶體。時效處理是要把過飽和固溶體放置於室溫或在稍高溫恆溫加熱,使超過溶解度的合金元素或金屬間化合物逐漸析出,來產生強硬化的效應。因此,能析出硬化的材料必需具備兩項基本的特性:(1)主要合金元素的溶解度須隨溫度之升高而增加,亦即能在淬火後形成過飽和固溶體。 (2)能在室溫或稍高溫析出微細又

3、密集的非平衡相析出物。2.熱處理型鋁合金【3】鋁合金因所含的合金元素及產生的組成結構對熱處理的反應不同,一般可粗分成兩種類型,熱處理型與不能熱處理型鋁合金;前者是指鋁合金之強硬度主要可藉熱處理(析出硬化)來增大,後者之強硬度只有利用固溶硬化或加工硬化來增大。屬於熱處理型之商用鋁合金有 2000 系之 Al-Cu-(Mg),6000 系之 Al-Mg-Si 及 7000 系之 Al-Zn-Mg-(Cu);其他 1000 系之純鋁,3000 系之 Ai-Mn,4000 系之 Al-Si 及 5000 系之 Al-Mg 等合金雖亦具有析出硬化所需的第一項特性,但因析出物為粗大之平衡相,而不適合用為析

4、出硬化型鋁合金。3.鋁合金析出硬化的機制【36】茲以 Al-Cu 合金為例,圖 1【3,6】顯示此合金平衡圖靠富鋁之部份。在 548以下 Cu 在 Al 內之溶解度由 5.7%降至 0.5%,因此,如把 Al-5%Cu 之鋁合金在 545固溶體處理一星期後,合金元素 Cu 或金屬間化合物 CuAl2 粒子就完全溶入固溶體之內而材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗2成單相固溶體。此時若緩慢冷卻,則降至 525左右將開始析出 AlCu2,隨溫度持續的緩慢下降至室溫,AlCu2 會長成沒有析出硬化作用的粗大析出物,如圖 2【6】所示。如果固溶體處理後快速淬火至室溫水中,則高溫之析出被抑制而形成過飽和

5、固溶體,如圖 3【6】所示,大部份之溶質仍留在基地內。把此過飽和固溶體放置在室溫下(自然時效)或在稍高溫度中(人工時效)保持一段適當時間,使合金中過量的合金原子或金屬間化合物粒子於低溫中析出,此種微細之析出物在溶體內會產生應力場,對差排之滑移產生阻力而達到使合金硬化的效果,材料最後的性質就依析出粒子的大小和粒子在晶粒內的分佈而定。進行人工時效的溫度愈高,析出粒子的粒徑愈大、顆粒數愈少及分佈愈疏鬆,此種析出粒子對變形的阻力愈小,亦即對硬化之效益愈少;圖4【6】顯示出 Al-4%Cu 鋁合金在不同時效溫度下的時效硬化曲線,可清楚的看出在每一特定的溫度時效,其硬度均隨時效時間之增加先逐漸上升至最大硬

6、度再逐漸下降,而溫度在 110130 之間可獲得最大之硬化效益,溫和度太高或太低,其最高硬度都較小。鋁合金在固溶體處理及淬火後的質地為一相當軟、常溫時狀態不安定的過飽和固溶體。欲安定,乃析出第二相,如 G.P.一區和 G.P.二區等中間相,這些相的晶粒和基地晶粒具有完全整合性(fully coherency) ,這種整合性使兩種晶粒間產生具有鏈與鎖的作用之應力場,在材料承受外力時阻止差排的滑移,如圖 5【6】所示,亦即可阻止基材內部結構的滑動和變形,達到硬化鋁合金的目的。由於析出需要時間,所以其硬度會隨時效時間的增加而增大。在常溫下進行即可獲得所需硬度者稱為自然時效(natural aging

7、) ,一般以 T4 表示其鍊度(temper ) 。需要在稍高於室溫的條件下進行者稱為人工時效(artificial aging) ,一般以 T6 表示其鍊度。人工時效主要是要使析出硬化作用能在合理的期間內完成,因為時效溫度愈高達到最大硬度的時間愈短,唯所穫得的硬度愈低,如圖 4 所示。時效時間太長時,硬度會從最高點逐漸下降,即產生過時效(overaging)現象,這是因為析出粒子和基地間之整合性,將因析出粒子的成長而逐漸消失,先成為部份整合性(partially coherency) ,最後變成不整合性(noncoherency) ,亦即逐漸失去晶粒間的應力場,而失去硬化基地的功能,如圖 6

8、 所示。一. 問題與討論1.如何計算淬火延遲時間?為什麼淬火時須注意淬火延遲?材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗32.為什麼 2024 鋁合金一般以自然時效進行硬化,而 7075 常以人工時效來進行硬化?3.討論人工時效時、溫度與時間對顯微組織(析出物)及機械性質的影響。4.比較三組試片的硬化效益。二. 補充資料1. 析出過程的說明示意圖如圖 7 所示。2. 淬火延遲對時效後鋁合金機械性質的影響。圖 1:AlCu 平衡圖及富 Al 之部份平衡圖【3,6】材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗4圖 2:Al5%Cu 合金在 545固溶處理一週後,緩慢冷卻至 20之顯微組織【6】圖 3:Al5%C

9、u 合金在 545固溶處理一週後,快速冷卻(水淬)至 20之顯微組織【6】材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗5表一:鍛鋁的熱處理條件3 表二:最小保溫時間及容許的淬火延遲3合金名 固溶處理溫度 人工時效AAA 溫度() 時間(hr)2014 495505 約 175 約 82017 495505 2117 495510 2108 500520 約 170 約 102024 490500 約 190 8-162025 510520 約 170 約 124032 505520 約 170 約 126151 510525 約 170 約 126061 515530 約 175 6-107075 4

10、60490 約 120 約 24圖 4:Al4%Cu 合金在 520固溶處理至少 48 小時後,快速冷卻至 20,再進行不同溫度的時效處理之時效硬化曲線【6】材料厚度 最小保溫時間(min) 容許延遲(mm) 鹽浴爐 空熱爐 (sec)0.5 10 20 50.50.8 15 25 70.81.6 20 30 101.62.3 25 35 102.33.2 30 40 153.26.4 35 55 156.413 45 65 151325 60 90 15每再增 13 +20 +30 材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗6圖 5:差排受硬粒子阻礙,再滑移切過二個硬粒子的說明圖【68】材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗7圖 6:(a)析出原子與基地完全整合,顯出界面的局部應變, (b)部份整合,顯出界面生成差排來舒緩應變, (c )不整合析出物 【1】圖 8:淬火延遲時間對 2024 鋁合金時效後機械性質的影響【3】材料基礎實驗(二)鋁合金析出硬化實驗8圖 7:時效處理時原子析出過程的說明示意圖【6】

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