热处理对Al-4.3Cu-0.8Mg合金组织与性能的影响
引言
1906 年，德国的Alfred wilm 首次发现Al-Cu-Mg 合金的时效硬化现象[1]。该系铝合金有良好的机械性能、强度大又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料使用，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业[2-3]。目前，国内已开发和试制出该系的2024、2124、2324、2224、2048、2014 和2019 等合金，其中2024、2014 和2048 合金比较常用[4-8]。统观该系的现有牌号，仍然有很多成分还没有研究。与上述合金相比较，本试验所用的Al-4.3Cu-0.8Mg合金是一种新成分合金，以前没有人对此种合金成分进行过热处理研究，还不知道在此种成分下的所能达到的性能以及与之相对应的热处理工艺。本文通过研究其在不同热处理工艺下的力学性能，以期得到其最佳热处理工艺，从而弥补我国在该系合金成分研究上的空白。
1 试验材料及方法
试验材料有纯Al、Al-Cu 中间合金（含Cu33.2%）和Al-Mg 中间合金（含Mg91%）。
辅助材料有精炼剂（六氯乙烷）和覆盖剂（氯化钠55%、氯化钾35%、冰晶石10%）。
进行配料计算得出各原料加入量后，在坩埚电阻炉中熔炼Al-4.3Cu-0.8Mg 合金。将浇铸出的冲击试样胚料进行精加工，加工成10mm×10mm×55mm 的无缺口标准试样。
用中温电阻炉对加工好的试样进行不同的固溶处理和时效处理，然后测试其冲击韧性和硬度，并进行显微组织观察及断口形貌观察。
2 试验结果及分析
2.1 热处理对 Al-4.3Cu-0.8Mg 合金显微组织的影响
试样在不同热处理工艺下的显微组织有着很大的区别。
通过在XJL-02A 立式显微镜下进行显微组织观察，可清晰地发现在该铝合金中的主要组织为α（Al）固溶体（白色）和析出的θ（Al2Cu）相（粒状小圆球）。
由a可看出，铸态下晶粒比较大，在晶界处不均匀的分布着θ（Al2Cu）相，且θ 相比较大。由b 可看出，合金经505℃固溶6h+180℃时效8h 处理后，析出的θ 相比铸态中要细小，且分布比较均匀，但数量较少。这主要是因为，此时固溶温度和时效温度较低，固溶时间和时效时间较短。由图c 可知，经525℃固溶8h+190℃时效10h 处理后，由于固溶温度和时效温度的提高，固溶时间和时效时间的增长，θ 相明显要比图b 析出的多，且分布弥散均匀。由图d 可知，随时效温度的提高及时间的延长，θ 相变大，且数量减少。这是由于过高的时效温度和过长的时效时间造成合金的过时效，使晶粒慢慢变大。
2.2 固溶温度对硬度和冲击韧性的影响
由可知，试样的硬度值随固溶温度的升高而变大，冲击韧性随固溶温度的升高而下降。这是因为，随固溶温度升高，原子扩散速度加快，能使合金元素更加充分的溶入到基体中，冷却后使合金元素在基体中的过饱和度增大，对位错运动的阻碍作用更大，强化效果更明显，导致合金硬度值增大。但随着固溶温度的进一步升高，对位错运动的阻碍作用进一步增大，会导致材料的塑性下降，冲击韧性也呈下降趋势。综上所述，在不过热、过烧的情况下，固溶温度越高，合金硬度就越高，而冲击韧性就会下降。
2.3 固溶时间对硬度和冲击韧性的影响
由可知，当固溶时间增长时，试样的硬度先升高，然后稍有下降，冲击韧性呈下降趋势。这是因为，增长固溶时间，合金元素就有更加充分的时间进行扩散，使合金元素更多的溶入到基体里。时效后，这些合金元素聚集在位错处，阻碍位错的运动，使合金的硬度提高，冲击韧性下降。但在固溶温度一定的条件下，固溶时间达到某个值时，合金元素会完全充分的溶入到基体中并聚集，使钉扎作用达到最大，固溶时间再延长时变化将会很小。所以当固溶时间达到8h 时，硬度值达到最高，固溶10h 时，硬度值基本保持不变。但固溶时间过长会加重试样的氧化和元素烧损，所以8h 为理想的固溶时间。
2.4 时效温度对硬度和冲击韧性的影响
由可知，随着时效温度的升高，试样的硬度值呈现先升高后降低的趋势，峰值温度出现在190℃。冲击韧性则随时效温度升高先下降后上升。这是因为，180℃时效时，析出相数量少，对位错运动的阻碍作用小，材料处于欠时效状态，硬度较低，此时塑性和冲击韧性较好；190℃时效时，析出相数量增多且弥散分布，使合金的硬度升高并达到极大值，而冲击韧性却因为析出相对位错的钉扎作用而降低。当时效温度升高到200℃时，析出相粒子长大，对位错的钉扎作用减小，处于过时效状态，导致合金硬度降低，但析出相粒子的长大使位错自由运动的距离增长，使得合金的韧性重新升高。
2.5 时效时间对硬度和冲击韧性的影响
由可知，合金硬度随时效时间的增长先升高后下降，冲击韧性随时效时间的增长先下降后上升。这是因为，时效8h 时，材料处于欠时效状态，故材料的硬度较低，韧性较高；时效时间延长至10h 时，强化相析出充分，此时硬度值达到最大，但同样因为析出相对位错的钉扎作用使得合金冲击韧性下降到最低点；当时效12h 时，析出相已经长大，材料处于过时效状态，硬度下降，而冲击韧性上升。
2.6 断口分析
为热处理前后冲击试样的断口放射区形貌。
a 所示铸态试样断口较平齐，其断口基本没有多少韧窝出现，只有少数的一些大而浅的韧窝，并有少量河流状花样，说明未经热处理的铸态合金塑性很差，接近脆性断裂，韧性很低。图b 所示的505℃固溶6h+180℃时效8h 处理后的试样断口是由大量的小而深的韧窝和稍大的韧窝组成，韧窝多为圆形的等轴韧窝，分布比较均匀，并有明显的撕裂棱，属于韧性断裂，韧性与铸态试样相比有大幅度提高，充分证明了热处理可以明显提高合金的韧性。
3 结论
1）对Al-4.3Cu-0.8Mg 进行固溶+时效处理，可明显细化合金组织，提高合金的硬度和韧性。
2）随固溶温度的升高，合金硬度提高，而冲击韧性下降；随固溶时间的延长，合金硬度先升高后下降，冲击韧性降低。
3）随时效温度的升高及时效时间的增长，合金硬度先升高后下降，冲击韧性先下降后上升。
4）Al-4.3Cu-0.8Mg 合金经525℃固溶8h，190℃时效10h 处理后，硬度可达最高。
5）Al-4.3Cu-0.8Mg 合金经505℃固溶6h，180℃时效8h 处理后，冲击韧性最好。
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参考文献
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