高強鋁合金廣泛用于飛機制造等航空航天領(lǐng)域。2xxx系列鋁合金具有強度較高、低密度、熱加工性能好等優(yōu)點，是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，也是目前世界各國結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點之一。T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，通過固溶處理+預時效+高溫塑性變形+終時效的工藝，將預時效的溫度和時間兩個因素設為變量，設定7個溫度變量和4個時間變量，分析研究經(jīng)過形變熱處理之后2A12鋁合金試樣的顯微硬度及其金相顯微組織，并通過對實驗結(jié)果的分析確定出最優(yōu)的預時效工藝參數(shù)。本次實驗得出的最佳預時效工藝參數(shù)為180℃/30min。

2xxx系列鋁合金作為高強鋁合金廣泛用于飛機制造等方面。目前研究人員已就該系合金進行了大量的研究，開發(fā)出了許多牌號的鋁合金，并通過不同的熱出理工藝不斷提高現(xiàn)有合金的綜合性能。劉黎明等通過將形變熱處理工藝與旋壓成形工藝相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)2A12鋁合金熱擠壓管材經(jīng)過旋壓形變熱處理后，材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別提高了13.2%、38.9%和27.5%，特別是材料的屈服強度比由原來的0.6提高為0.85，材料的綜合性能明顯提高[1]。劉春燕等對2A12鋁合金熱處理工藝的研究表明固溶處理和自然時效后合金的強度和斷后伸長率均比人工時效后的提高了36%，固溶處理并分級時效后合金的強度提高了50%[3]。2xxx系列鋁合金具有強度較高、低密度、熱加工性能好等優(yōu)點，是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，也是目前世界各國結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點之一。通過制定合理的實驗規(guī)程，并控制相關(guān)實驗因素，確定最佳工藝參數(shù)，對進一步了解和研究2xxx鋁合金的工藝規(guī)程具有重要的意義。

實驗方案

實驗原理

實驗采用T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，其成分如下表1所示，制作成尺寸為15mm×15mm×25mm的六面體試樣。通過固溶處理，然后進行短時預時效，將預時效的溫度和時間設為兩個變量，來控制固溶試樣晶體內(nèi)第二相析出的分布、大小以及位置，分析研究形變熱處理后，2A12鋁合金試樣的顯微硬度及金相顯微組織的變化，確定最優(yōu)的預失效工藝參數(shù)[4]。實驗采用的T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，其初始硬度值如表2所示，硬度總平均值為71.3 HRB。

實驗參數(shù)確定

本次實驗的工藝參數(shù)為：固溶處理，(495±5)℃/30min；預時效，設定7個溫度變量為100、120、140、160、180、200、220℃，4個時間變量為20、30、50、60 min，共28組；高溫形變，450℃高溫變形，變形量30%；終時效：150℃/12h。

實驗結(jié)果分析

硬度測試結(jié)果

T4狀態(tài)原始2A12鋁合金試樣，其硬度總平均值為71.3 HRB，在經(jīng)過(495±5)℃/30 min固溶處理之后，其總平均硬度降為46.4 HRB。在經(jīng)過固溶處理之后，試樣發(fā)生軟化，硬度降低約24.9 HRB。預時效后試樣硬度-預時效溫度的對應關(guān)系曲線如下圖1所示，實驗所選的預時效溫度區(qū)間為100~220℃，隨著預時效溫度的增加，預時效后試樣的硬度先變大，然后有所降低，在180℃時，試樣硬度達到峰值。預時效后硬度-預時效時間的對應關(guān)系曲線如下圖2所示，本次試驗的預時效時間區(qū)間為20~60 min，且隨著預時效時間的增加，試樣硬度先增加后略有降低，圖中預時效時間為30 min對應的試樣硬度等力學性能達到最佳。180℃/30min預時效處理后，高溫變形后硬度-預時效時間的對應關(guān)系曲線如圖3所示，試樣在經(jīng)過高溫變形后仍然具有最佳的綜合力學性能，且試樣經(jīng)過高溫形變處理之后，與預時效后相比，其硬度出現(xiàn)較大程度的增加。這表明試樣在時效強化和形變強化的交互作用下，其力學性能比其中任何單一工序處理后的都要優(yōu)異。終時效后硬度-預時效時間的對應關(guān)系曲線如圖4所示，變形后試樣硬度與終時效后試樣硬度的對比，發(fā)現(xiàn)每組試樣的硬度大約增加3~5 HB，這表明在高溫形變之后試樣的綜合力學性能仍然有提升的空間。

金相顯微組織

T4狀態(tài)的原始鋁合金試樣，其顯微組織如圖5所示，經(jīng)過(495±5)℃/30 min固溶處理之后的顯微組織如圖6所示。T4狀態(tài)的原始試樣在經(jīng)過(495±5)℃/30min固溶處理之后，細小的第二相顆粒大量溶入到基體中，并且晶粒尺寸變大。這是由于晶體內(nèi)的位錯等缺陷在運動時受到第二相粒子的強烈阻礙，位錯需要繞過或切過第二相粒子才能繼續(xù)運動，這些都導致了位錯運動的阻力增大，從而強化金屬。而在固溶之后，第二相粒子大量溶入基體，基體和晶界處分布很少量的第二相粒子，使得位錯運動的阻力大大減小從而使金屬發(fā)生軟化[5]。試樣180℃/30 min預時效處理后的金相顯微組織、450℃變形處理后的金相顯微組織、150℃/12 h終時效處理后的金相顯微組織分別如圖7~9所示。

試樣在經(jīng)過高溫變形處理后，其金相顯微組織也表現(xiàn)出特有形態(tài)，如晶粒表現(xiàn)出多邊形結(jié)構(gòu)。而且試樣在450℃進行高溫變形，此時變形溫度完全處于再結(jié)晶溫度以上，因此試樣將發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。在這一過程中，由于變形的持續(xù)進行，不斷產(chǎn)生新的位錯，發(fā)生位錯的運動、增殖，并在晶界處大量聚集，這些位置的儲存能較高，故現(xiàn)存晶界往往是動態(tài)再結(jié)晶的形核之處。經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶形成的晶粒是等軸的，晶界呈鋸齒狀，且在晶核長大的同時變形還在繼續(xù)進行，因而形成的新晶粒內(nèi)有一定的應變[6]。

試樣在高溫變形之后，晶粒呈現(xiàn)出等軸的多邊形結(jié)構(gòu)，且在晶界處第二相粒子大量析出。第二相粒子的存在同樣可以阻礙晶界的運動，有利于獲得細小晶粒，使試樣具有良好的綜合力學性能[7]。由此可得試樣經(jīng)過時效強化和形變強化相互作用下，其微觀組織和綜合力學性能都達到了較好的狀態(tài)。

試樣經(jīng)終時效處理后第二相粒子已經(jīng)大量析出，其分布相對均勻，晶粒比試樣原始狀態(tài)稍有長大，但仍然相當細小。這些都說明了T4態(tài)的2A12鋁合金經(jīng)形變熱處理后，其力學性能得到提高，同時仍然保持較好的微觀組織，這也保障了其具有良好的塑性、韌性等性能[8，9]。

結(jié)束語

隨著預時效溫度的增加，預時效后試樣的硬度先變大，然后有所降低，在180℃時試樣硬度達到峰值。隨著預時效時間的增加，試樣硬度先增加后略有降低，30 min預時效時間對應的試樣硬度等力學性能達到最佳。經(jīng)過180℃/30 min預時效處理的試樣在終時效后具有最高的硬度，其顯微組織中第二相粒子較為細小且分布均勻，從而具有最佳的綜合力學性能。2A12鋁合金最佳的預時效工藝參數(shù)可選取180℃/30 min。

文章來源——金屬世界