时效处理对2024铝合金的组织与性能的影响

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时效处理对2024铝合金的组织与性能的影响
2024铝合金介绍：
9 F/ l$ c4 i# ], g, e2 A9 \9 e+ l% Z; q金属于Al-Cu-Mg系的可热处理强化的加工铝合金。平时所说的杜拉铝、超杜拉铝（硬铝）指2017、2024等材料。2024铝的合金元素为铜、镁等元素。CuAl2 、Al2CuMg、Mg2Si是2024铝的强化相。被称为硬铝，具有很高的强度和良好的切削加工性能，该系列的材料的强度可与钢相抗衡，但耐腐蚀性较差。广泛应用于飞机结构（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他各种结构件。
2024铝合金化学成分和机械与物理性能：

" m' J9 W5 U. ]- m- w6 J( ~2024铝合金相图分析：
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4 M$ b6 M6 U3 D+ f. k# s+ v  
  g  `+ Q0 L/ q, x+ G2024铝合金铸坯制造：
2 E- |. k1 O# b/ L: G1 r3 l: B  c+ R采用石膏型熔模精密铸造法，石膏型熔模精密铸造法用蜡模作为所要铸造的铸件的过渡模型（铸造上又叫母模），直接向其周围浇灌石膏浆料，利用半水石膏的缩水硬化性能获得石膏铸型，待其干燥、硬化化，再加热、焙烧、固化，然后向其内浇铝合金液，等合金液凝固、冷却后，打掉石膏型壳、取出铸件并切割浇冒口后便获得石膏型精密铸件。
) r" H- T7 ~8 d) e4 I: B: Q, L主要工序是：设计、加工蜡模模具→熔化、配置蜡料→压注蜡模→取出蜡模→配置石膏型混合浆料并制备石膏铸型型框→向型框内的蜡模周围浇灌石膏混合浆料制作石膏铸型→石膏铸型凝固、硬化→石膏铸型熔失蜡模→石膏铸型焙烧→合金配料和熔化→向石膏铸型内浇注合金液→合金液凝固、冷却→打碎石膏型壳、取出铸件组→切除浇冒口、吹沙→获得干净铸件。
2024铝合金热处理综述：
铝合金的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。
6 M+ _; [: r; E( b- X3 b3 R. v众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。
# Y% p0 X$ [* x, N9 m5 U* V3 a$ V1、        退火
一般采用退火工艺来消除变形铝合金的残留应力，并使其成分和组织均匀，以改善其使用性能与工艺性能，退火又分去应力退火、再结晶退火、均匀化退火、再结晶退火、均匀化退火。后者多用于铸锭和铸件等。
（1）、去应力退火
" j! _/ j$ C0 M) C$ w* K铸件、焊接件切削加工件、变形加工件等（特别是冷变形工件），往往有较大的残余应力，使合金的应力的腐蚀倾向显著增加，组织与性能的稳定性下降，因此必须进行去应力退火。去应力退火是一个回复过程。
（2）、再结晶退火
再结晶退火的目的是：细化晶粒，充分消除残余应力，使合金硬度降低，塑性提高，变形加工易于进行。
. Y7 o; b' K9 p- I7 G' n2、        固溶处理
铝合金中的合金元素都能溶于铝，形成以铝为基的固溶体。他们的溶解度都随温度下降而减少。将铝合金加热至较高的温度，保温后迅速冷却，可获得过饱和固溶体。这种操作属于淬火，对铝合金而言称之为固溶处理。
3、时效处理
将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。如果时效强化是在室温下进行的称为自然时效，如果时效强化是在高于室温并保温一段时间的就称为人工时效。时效处理进行着过饱和固溶体分解的自发过程，从而使合金基体的点阵恢复到比较稳定的状态。
& u: k& g3 w# J3 |0 w7 D4、形变热处理
) U& f" z/ g0 T) b8 n  w是将塑性变形同热处理有机结合在一起，获得变强化和相变强化综合效果的工艺方法。这种工艺方法不仅可以提高钢的强韧性，还可以大大筒化金属材料或工件的生产流程。其目的是改善析出相得分布及合金的微观组织结构，以获得较高的强度、韧度、以及应力腐蚀抗力。
5、变质处理
有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。 变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。
时效时间对2024铝合金力学性能的影响：

2024铝合金时效工艺路线的透射电镜（TEM）面貌：

2024铝合金时效处理：
铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。
    铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。
    硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。
5 A0 ?0 `! e4 _; l: X沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。
0 h# n% n/ g3 z$ \. V) I时效处理时，合金元素沉淀的过程大多数需要经过以下四个阶段：
8 W, B/ P3 C: ]* \' F! x! {7 aA、        形成G-P Ⅰ区。固溶体点阵内原子重新组合，出现溶质原子的富集区，并伴随着点阵畸变程度增大，提高合金的力学性能，降低合金的导电性。在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G•P（Ⅰ）区。G•P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。
: r0 Q  i" s# W6 sB、        形成 G-P Ⅱ区。合金元素的原子以一定比例进行偏聚形成G-P Ⅱ区，为形成亚稳相做准备，合金的强度进一步提高。随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G•P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G•P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G•P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。
C、        形成亚稳相。亚稳相也称过渡相，该相与基体呈共格关系，大量的G-P Ⅱ区和少量的亚稳相相结合，使合金得到最高的强度。  形成过渡相θ′ ，随着时效过程的进一步发展，铜原子在G•P（Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。
3 Z5 k5 Z- S; \8 w7 s/ o# t& C; n8 M1 }D、        形成第二相质点和第二相质点的聚集。亚稳相转变为稳定相，细小的质点分布在晶粒内部，较粗大的质点分布在晶界，还相继发生第二相质点的聚集，点阵畸变剧烈减弱，显著的降低合金的强度，提高合金的塑性。形成稳定的θ相 ，过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效”。θ相聚集长大而变得粗大。 铝－铜二元合金的时效原理及其一般规律对于其他工业铝合金也适用。但合金的种类不同，形成的G•P区、过渡相以及最后析出的稳定性各不相同，时效强化效果也不一样。几种常见铝合金系的时效过程及其析出的稳定相列于表3－1。从表中可以看到，不同合金系时效过程亦不完全都经历了上述四个阶段，有的合金不经过G•P（Ⅱ）区，直接形成过渡相。就是同一合金因时效的温度和时间不同，亦不完全依次经历时效全过程，例如有的合金在自然时效时只进行到G•P（Ⅰ）区至G•P（Ⅱ）区即告终了。在人工时效，若时效温度过高，则可以不经过G•P区，而直接从过饱和固溶体中析出过渡相，合计时效进行的程度，直接关系到时效后合金的结构和性能。
影响时效的因素：
' X" k' O3 ?, w2 q4 O$ J$ {" Q   Ⅰ、从淬火到人工时效之间停留时间的影响
     研究发现，某些铝合金如Al－Mg－Si系合金在室温停留后再进行人工时效，合金的强度指标达不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101铸造铝合金，淬火后在室温下停留一天后再进行人工时效，强度极限较淬火后立即时效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻进行时效的铝合金有所提高。
  e7 y' c! O4 i& ]* v8 E- _     Ⅱ、合金化学成分的影响
     一种合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。如硅、锰在铝中的固溶度比较小，且随温度变化不大，而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度，但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大，强化效果甚微。因此，二元铝－硅、铝－锰、铝－镁、铝－锌通常都不采用时效强化处理。而有些二元合金，如铝－铜合金，及三元合金或多元合金，如铝－镁－硅、铝－铜－镁－硅合金等，它们在热处理过程中有溶解度和固态相变，则可通过热处理进行强化。
    Ⅲ、合金的固溶处理工艺影响
     为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果。
     Ⅵ、时效温度的影响
     在不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速度不同，若温度过低，由于扩散困难，G•P区不易形成，时效后强度、硬度低，当时效温度过高时，扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大，时效后强度、硬度偏低，即产生过时效。因此，各种合金都有最适宜的时效温度。
8 N) v' E" |  k0 g2 M- K6 c% B2024合金的热处理规范：
合金        固溶处理温度/℃        时效规范
2024        493        T6、T8:191℃,8～16h

9 q0 ~" n. |7 j. T2024合金的热处理状态：
# u; j2 O/ A* A4 A  c4 \根据热处理规范选用T6（固溶处理后人工时效）规范:
+ C1 v0 V: s* C6 R) d热处理状态（GJB1695-1993）        相近的国外状态代号
* Z& n) j2 C) o, x. I类别        代号        用途        备注        国际通用规范        ISO        英国原标准        德国原标准        法国原标准
固溶处理加完全人工时效        T6        可获得最高的抗拉强度，但塑性有所下降，时效在较高的温度和较长的时间下进行。        合金耐腐蚀性能降低        T6        TF        T6        TF        6X③        Y X④4
9 m* T! N  s( }, I( E& w5 F1 i7 F
/ B8 A0 f' c- A: R1 V3 B+ }5 z) \8 _2024合金的热处理设备：
1 N3 `' p3 T3 d% s3 p/ K类型        型号        最高工作温度/℃        应用        特点
箱式电阻炉        RX7系列、RX9系列        700～900        固溶时效        占地面积小，成本低，工作容积大
1 e% L( g' a1 G井式电阻炉        RJ3系列、RJ6系列、RJ9系列        300～900                重量轻，保温性好，升温快
) s$ i* K8 |3 ?+ W台车式电阻炉        RT4系列、RT5系列、RT6系列、RT7系列、RT9系列、JL系列、NS系列        400～900        退火时效        操作方便，工作容积大，适合于大型铸件加热
# S' A; a# w0 {& q$ O3 O
2024合金的热处理质量检查项目：
5 y( D) v$ V: y- o5 _: ]# f①目视，②尺寸，③萤光，④射线，⑤力学性能检查

部分资料参考中国期刊网