時效時間對Al—Cu—Mn基合金析出相的影響

【摘 要】 從Al-Cu-Mn基合金可以通過熱處理來改善其力學(xué)性能和工藝性能的角度出發(fā)，本文通過試驗方式分析不同時效時間對Al-Cu-Mn基合金析出相的影響，從而可以得出時效時間為2h時，可以使Al-Cu-Mn基合金的析出相更細小，分布更均勻，為Al-Cu-Mn基合金在熱處理制度確立的過程中提供一些參考數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 Al-Cu-Mn基合金 熱處理 析出相

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.01.017

1 引言

熱處理是改善合金力學(xué)性能和工藝性能并能使材料潛力充分發(fā)揮的一種重要處理工藝，是決定合金性能的關(guān)鍵因素之一。適合的熱處理制度能最大程度地挖掘材料潛力，提高材料的性能。

Al-Cu-Mn基合金為可熱處理強化合金，因此可以通過熱處理來提高其綜合性能。本文將對不同時效時間下Al-Cu-Mn基合金的凝固組織進行考察，來分析不同時效時間對Al-Cu-Mn基合金析出相的影響，確立Al-Cu-Mn基合金的最佳時效時間。

2 Al-Cu-Mn基合金時效處理的目的

Al-Cu-Mn基合金在鑄態(tài)下的力學(xué)性能要想滿足使用要求，必須通過熱處理進一步提高其力學(xué)性能和其他使用性能。Al-Cu-Mn基合金的熱處理包括固溶處理和時效處理。該合金中的第二相CuAl2、T（Cu2Mn3Al20）在其基體中的溶解度會隨溫度的降低而顯著減小，因此可以選擇合適的固溶溫度使第二相全部或最大限度地溶入固溶體溫度，并保溫一定時間，再選擇合適的冷卻速度進行淬火，可以使第二相從固溶體中析出，即可得到過飽和固溶體。這種過程稱為固溶處理。該處理方式為Al-Cu-Mn基合金強化的第一步。固溶處理后，隨即進行第二步時效，合金可以得到顯著的強化。

經(jīng)固溶處理后，Al-Cu-Mn基合金的強化相能夠充分溶解在合金基體中，形成亞穩(wěn)定組織，該組織極其不穩(wěn)定，并且這種不穩(wěn)定的組織會導(dǎo)致力學(xué)性能顯著降低，但該組織是進行時效處理的前提條件，因此為得到更穩(wěn)定的組織而進行固溶體分解和析出過剩溶質(zhì)原子。該合金在室溫條件下所進行的過飽和固溶體分解過程為自然時效。自然時效過程的速度非常緩慢，效率極低，僅能完成析出的初步階段，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分罕見。為了提高熱處理效率，使固溶體的分解速度加快，可將合金加熱到遠低于淬火溫度的某一溫度，過飽和固溶體會加快分解。這種過程稱為人工時效[1]。

3 不同時效時間下Al-Cu-Mn基合金相關(guān)試驗結(jié)果

3.1 時效時間對Al-Cu-Mn基合金凝固組織的影響

本試驗是將鑄錠在爐中進行固溶處理，加熱溫度為520℃±5℃，保溫時間為8h。到溫放入，到時取出，在60℃～100℃水中淬火。然后在165℃±5℃下進行人工時效處理，保溫時間分別為1h、2h、3h、4h，出爐空冷。最后制成金相試樣，用0.5%HF溶液進行侵蝕，觀察各試樣的金相組織。

圖1為不同時效時間對Al-Cu-Mn基合金析出相的影響。圖1（a-d）分別是經(jīng)時效時間為1h、2h、3h、4h處理后合金的顯微組織。從圖中可以看出析出相的數(shù)量和分布隨時效時間的不同有明顯的變化。經(jīng)過時效1h處理后，析出相數(shù)量少且分布不夠均勻；經(jīng)過時效2h、3h處理后，達到時效峰值，析出相數(shù)量增多，而且組織變得細小、均勻；繼續(xù)延長時效時間，當(dāng)時效時間達4h，析出相數(shù)量雖然增多，但出現(xiàn)長大現(xiàn)象且分布不夠均勻。

圖1 不同時效時間Al-Cu-Mn基合金顯微組織 （a）1h （b）2h （c）3h （d）4h

3.2 時效時間對Al-Cu-Mn基合金顯微硬度的影響

表1為不同時效時間下Al-Cu-Mn基合金的顯微硬度值，可以看出，該合金的顯微硬度在2h時達到最大值，為86.2304。還可以看出，Al-Cu-Mn基合金的顯微硬度值隨時效時間增加，試樣的硬度先升高，然后保持相對穩(wěn)定后又下降，其中硬度峰值出現(xiàn)在2h左右。因此可以推測，時效時間為2h時，析出相從過飽和固溶體中析出的數(shù)量最多，并且更加細小均勻。

表1 Al-Cu-Mn基合金熱處理后的顯微硬度

3.3 機理分析

時效過程實質(zhì)上是溶質(zhì)原子聚集區(qū)及亞穩(wěn)定過渡相形成或第二相從過飽和固溶體中析出的過程，過飽和固溶體在室溫或較高溫度保溫一定時間，產(chǎn)生的脫溶現(xiàn)象，即是通過形核和長大方式進行的，這是一種固態(tài)相變，也是一種擴散型相變。但是第二相的沉淀析出并不能立即形成穩(wěn)定相，而是按一定的時效序列進行的。隨時效條件的不同，此過程進行的情況也不同。Al-Cu-Mn基合金在時效過程中，過飽和固溶體的各個析出階段概括如下[2]：?。ㄟ^飽和）→G.P.區(qū)→過渡相→過渡相→（Al2Cu）穩(wěn)定相。

在時效初期即時效1h時，從圖1（a）可見，晶界析出了少量的（或）相，晶內(nèi)看不到明顯的析出相，這是由于過飽和的固溶體是不穩(wěn)定的，在一定的溫度和時間條件下，發(fā)生分解。隨著時效的進行即時效2h時，合金達到峰值時效階段，晶界、晶內(nèi)普遍脫溶，晶界析出的（或）相呈鏈狀連續(xù)分布，晶內(nèi)析出了大量彌散的相，并細小彌散地分布在基體中，如圖1（b）所示。當(dāng)時效時間為4h時，隨著時效過程的進一步進行，Cu原子會繼續(xù)偏聚，形成相。隨著相數(shù)量的逐漸增多，相數(shù)量會明顯減少，質(zhì)點長大。時效后期，晶界的（或）相呈離散分布，相完全從固溶體中脫溶，形成穩(wěn)定的相。相與基體為不共格關(guān)系，時效繼續(xù)進行，相會進一步聚集并長大，晶內(nèi)的析出物也變粗，如圖1（d）所示。因此，在時效時間為2h時，Al-Cu-Mn基合金析出相更細小、分布更均勻，從而會獲得更加優(yōu)良的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

（1）時效時間為2h時，凝固組織中析出相最為細小，分布更加均勻、彌散。

（2）時效時間為2h時，顯微硬度值最高。可以推斷，時效時間為2h時，析出相從過飽和固溶體中析出的數(shù)量最多，并且更加細小均勻。

參考文獻

[1]劉曉濤，董杰，崔建忠，趙剛.高強鋁合金均勻化熱處理[J].中國有色金屬學(xué)報，2003，13（4）：909-913.

[2]Kissinger H E.Reaction kinetics in differential analysis[J].Anal Chem，1957，29（10）：1702-1.

作者簡介

李佳，工程師，畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)在鐵嶺市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所從事特種設(shè)備檢驗工作。

韓雪東，工程師，畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)在北方重工集團有限公司從事焊接工作。

（責(zé)任編輯：張曉明）