铝合金时效分析试验

1、一、实验目的熟悉铝合金的分类、特性及用途。掌握变形铝合金的时效处理过程及组织分析。掌握变形铝合金时效过程的硬度变化。掌握铝合金的硬度测试。二、原理概述铝合金时效硬化现象铝合金淬火后放置，其硬度将随时间的推移不断升高。时效硬化的本质在固溶度曲线以下自过饱和固溶体析出了能使硬度得到提高的第二相。时效是铝合金强化的重要方法之一.2.1 铝及铝合金的性能特点纯铝具有银白色金属光泽，密度小（2.72），熔点低（660），导电、导热性能优良。耐大气腐蚀。易加工成形。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金常加入的合金元素主要有：Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元

2、素。铝合金具有高强度，又保持纯铝的优良特性。2.2 铝合金的应用美国F-117隐形战斗机 高比强铝合金机翼所用材料大部分是铝合金 2.2 铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。 可热处理强化 变形铝合金 不可热处理强化 铸造铝合金 2.3 铝合金的热处理可热处理强化变形铝合金的热处理方法： 固溶处理固溶处理+时效时效固溶处理固溶处理将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效时效将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的处理。在室温下进行的时效称为自然时效；在加热条件下时效称为人工时效。时效过程实质时效过程实质：是第二相从过饱和固溶体中

3、沉淀的过程。这种过程是通过成型和长大进行的，是一种扩散型的固态相变。时效一般分四个阶段： a过过G.P区区相相相相相相 G.P区就是指富溶质原子区。是溶质原子在一定晶面上偏聚或从聚而成的，呈圆片状。它没有完整的晶体结构，与母相共格。在一定温度以上不再生成G.P 区。室温时效的G.P区很小。在较高温度时效一定时间后，G.P 区直径长大，厚度增加。温度再高，G.P区数目开始减少。它可以在晶面处引起弹性应变。相是随时效温度升高或时效时间延长，G.P区直径急剧长大，且溶质、溶剂原子逐渐形成规则排列，即正方有序结构。在过渡相附近造成的弹性共格应力场或点阵畸变区都大于G.P区产生的应力场，所以相产生的时效

4、强化效果大于G.P区的强化作用。相是指当继续增加时效时间或提高时效温度，相转变成为相。相属正方结构，在一定面上与基体铝共格，在另一晶面上共格关系遭到部分破坏。相是平衡相，为正方有序结构。由于相完全脱离了母相，完全丧失了与基体的共格关系，引起应力场显著减弱。这也就意味着合金的硬度和强度下降。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。温度一定时，随着时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，此为过时效。随着时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。2.4 铝合金的牌号、性能及用途1）变形铝合金的牌号（）变形铝合金的牌号（按GB3190-82中的旧牌号） 表示方法为

5、：防锈铝合金：LF+序号硬铝合金： LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金： LD+序号2）常用变形铝合金）常用变形铝合金防锈铝合金防锈铝合金：主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。锻锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性能、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常用加工硬化提高其强度。常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21）。其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐（箱）、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn系合金高，在航空工业中得到广泛

6、应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。硬铝合金硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可以进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性能低于防锈铝。常用的有LY11（2A11）、LY12（2A12），用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。超硬铝合金超硬铝合金主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金。热态塑性好，但耐蚀性能差。常用合金有LC4（7A04）、LC9（7A09）， 主要用于工作温度较低、受力较大 的结构件，如飞机大梁、起落架等。锻铝合金锻铝合金主要是Al-Cu-Mg-Si系合金。可锻

7、性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金。常用的有LD7（2A70）、LD8（2A80）、LD9（2A90），主要制造150-225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机的蒙皮等。3） 铸造铝合金（按GB3190-82中的旧牌号）包括：Al-Si系：ZL1+两位数顺序号 Al-Cu系：ZL2+两位数顺序号 Al-Mg系：ZL3+两位数顺序号 Al-Zn系：ZL4+两位数顺序号（1） Al-Si系又称硅铝明系又称硅铝明。其中ZL102（ZLlSi12），其中含12%Si，含有铝硅二元合金称为简单硅铝明。在普通铸造条

8、件下，ZL102组织基本上为共晶体，有粗针状的Si晶体和固溶体组成，强度和塑性较差。实际生产中常采用钠盐进行变质处理，得到细小均匀的共晶体+一次固溶体，以提高性能。加入其它合金元素的铝硅铸造合金称为复杂（或特殊）硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。主要制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。（2）Al-Cu系铸造铝合金系铸造铝合金耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差。常用有ZL201（ZAlCu5Mn）、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强度零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。（3 3）Al

9、-MgAl-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性差。常用有ZL301(ZAlMg10)ZL302(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷，在腐蚀介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体。4 4）Al-MgAl-Mg系铸造铝合金系铸造铝合金铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。常用有ZL401（ZAlZn11Si7）、ZL402（ ZAlZn6Mg）主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机仪器零件。GB/T16474-96,采用国际四位数字体系牌号表示。三、实验内容及步骤3.1 熟悉本实验所用的7A04合金的组织。7A

10、04为Al-Zn-Mg-Cu系主要强化相为（MgZn2）,T(Al2Zn3Mg3),S(Al2CuMg).杂质相有Mg2Si,(FeMn)Al6,Al(FeMn)Si6等。时效过程：时效过程：a过过G.P区区 相相 相相 a过过G.P区区T相相T相相 a过过G.P区区S相相S相相3.2 观察和分析7A04合金的固溶+时效的组织。480 ,100min+ 120 ,6h人工时效；480 ,100min+ 室温,48h自然时效；固溶处理：480 ,100min 混合酸腐蚀，500人工时效：120 ,6h 混合酸腐蚀，500人工时效：120 ,6h 硝酸水溶液腐蚀，500自然时效：室温，48h（见显

11、微镜上组织）3.4 测试7A04合金自然时效和人工时效的硬度。布氏硬度显微硬度 布、洛氏两用硬度计 显微维氏硬度计 1 1布氏硬度试验布氏硬度试验 1 1）试验原理）试验原理用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将其压入试样表面（图3），经规定保持时间t（s）后卸除试验力，而在试样表面获得一直径d的残留压痕，以单位压痕球形表面积上的平均试验力来表示布氏硬度值。其计算公式为： 图3 布氏硬度试验原理图 )(204. 0102. 022dDDDFAFHB2 2）布氏硬度值的表示）布氏硬度值的表示硬度值+HBS（HBW）+D/试验负荷(Kg)/保荷时间(s) 其中H

12、BS为用钢球压头的布氏硬度 HBW为用硬质合金球压头的布氏硬度例如：240HBS5/750/30表示布氏硬度值为240，试验所用的是钢球压头，直径为5mm，试验负荷为750Kg（7355N），试验保荷时间为30s。3 3）布氏硬度试验条件）布氏硬度试验条件a）布氏硬度试验主要用于室温下黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测试。适用范围为8650HB。b）试样表面应制成光滑的平面，表面粗糙度不大于0.8。试验面的制备方式应与材料和试验条件相适应。c）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。如有关技术条件另有规定时，则其厚度可为不小于压痕深度的8倍。d）压头直径、负荷大小与保荷时间

13、的确定应根据试样预期硬度和厚度按表1选择。 表表1 1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范材料布氏硬度值范围（HB）试验厚度（mm）负荷F（N）与压头直径D的关系压头直径（mm）负荷F（N）黑色金属140-6506-34-2210.05.02.5294207355183966-31306-34-2210.05.02.5294207355183936-1309-36-366-3310.05.02.5 2452613153 30102. 02DF30102. 02DF10102. 02DF10102. 02DF5 . 2102. 02DF4 4）布氏硬度试验操作步骤及方法）布氏硬度试验操作步骤及方法

14、硬度试样。安装试样。将试样增稳地放置在载样台上，要求在试验过程中不发生滑动，选好测试位置，使测试面与压头轴线垂直且测量位置与试样边缘2mm左右。 施加预负荷10Kg。转动手轮缓慢均匀升起载样台（尤其在试样接触压头时以免产生冲撞），使显示屏（见图4）上指示线位于滚动标尺100刻度线5格范围内，调节微调使指示线与100刻度线重合。 施加主负荷。在确定载荷调节正确下，通过向前缓慢均匀搬动加载手柄加荷。 两面一定要平行保荷。在主负荷完全施加上时计时10-15秒保荷。 卸荷。保荷时间结束立即反向缓慢均匀地搬动加载手柄卸除主负荷（洛氏硬度可直接读出HRC硬度数值），然后平稳地降下载样台卸除预负荷，并使试样

15、离开压头一定距离以方便取出。 测量试样上压痕直径。取下的试样在读数测量显微镜下测试压痕直径。 计算硬度值。可公式计算或查表得到该测试点的布氏硬度值。图4 布、洛两用硬度计显示屏显微维氏硬度试验方法显微维氏硬度试验方法以一相对两面夹角为136的金刚石正四棱锥形压头，在一定的负荷作用下，压入试样表面，经规定的保荷时间卸除负荷后，计量残留压痕两对角线长度（如下图）、并由此求出平均值。由试验负荷与残留压痕表面积之商计算出维氏硬度值。维氏硬度值用HV表示，其计算公式为： （N/mm2） 21891. 0102. 0dFAFHV 显微维氏硬度试验原理示意图显微维氏硬度表示显微维氏硬度表示硬度值+HV+试验

16、负荷(Kg)/保荷时间(s)例如：320HV200/30表示维氏硬度值为320，试验所用的试验负荷为200g，试验保荷时间为30s。显微维氏硬度试验条件显微维氏硬度试验条件显微维氏硬度试验主要用于在室温下薄板材或金属表层及组织的硬度测定以及较精确的硬度测定。适用测量范围为81000HV。试样表面应为光滑平面，其表面粗糙度不大于0.40。试样试验面应为平面，如果必须在曲面上进行硬度试验时，测得的硬度值必须给与修正。试样或表面层的最小厚度应大于压痕对角线长度的1.5倍。试验后，试验背面不应有可见的变形痕迹。 显微维氏硬度试验操作步骤及方法显微维氏硬度试验操作步骤及方法安装试样。试样应稳定地安置在载样台上。 选取清晰视场。选择试样测试区域，旋转焦距调节至视场清晰。 施加负荷。点击控制面板（见下图）中START键，试验机开始自动加载。 保荷。（自动）。 卸