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实验论文高翔
沈阳航空航天大学
材料科学与工程学院本科生（综合实验一）任务书
专业
金属材料工程
班级
84110102
学号
2008041101041
姓名
高翔
题目
2024铝合金最佳固溶处理工艺研究
时间
2011.8.29~2011.10.21
课
题
内
容
及
要
求
内容：
使用不同的热处理参数对2024铝合金进行固溶处理，通过测定固溶后材料的硬度来确定最佳固溶温度，保温时间及转移时间。
1.采用不同的固溶温度对2024铝合金进行固溶处理。
2.采用不同的保温时间对2024铝合金进行固溶处理。
3.采用不同的转移时间对2024铝合金进行固溶处理。
4.通过对固溶后再经人工时效后的对材料硬度进行测定，确定固溶处理的各项最佳参数。
5.分析固溶之后的显微组织与固溶之前的变化。
6.完成论文。
主要参考资料
[1]周东海，控制LY12合金性能的途径[J]，铝加工，1994，17（6）：
24-29。
[2]王祝堂，田荣璋。
铝合金及加工手册[M].长沙；中南大学出版社，1988，98-222。
[3]张宝昌，有色合金及其热处理[M]，西安：
西北工业大学出版社，1993，3-10。
[4]《铝合金热处理》编写组，铝合金热处理[M]，北京：
冶金工业出版社，1972，65-69
[5]陈绍康，LY12合金淬火加热温度评述[J]，铝加工，1996，19（22）：
32-35.
指导教师
刘春忠
日期
2011.8.27
2024铝合金最固溶处理工艺的研究
摘要：
2024铝合金属于Al-Cu-Mg系的高强度低比重变形铝合金，在航空、航天部门和其他军工品上应用十分广泛。
本课题通过一系列试验和研究，探讨了固溶的温度、固溶时间及转移时间对2024铝合金力学性能及微观组织的影响，并测定出其最佳的固溶处理工艺参数。
本试验优化了2024铝合金的热处理工艺，由显微硬度试验结果表明，固溶处理工艺参数中，固溶温度、固溶时间、转移时间对材料力学性能的影响显著。
各影响因子对硬度影响由强到弱的顺序为：
固溶温度，固溶时间,转移时间。
通过研究不同热处理工艺下合金性能并分析微观组织，发现固溶温度的提升有利于α固溶体均匀性和过饱和度的提高，为以后的时效过程奠定良好的基础。
最佳固溶处理工艺应为510℃固溶、保温40min、转移时间10s。
关键词：
2024铝合金固溶微观组织性能
Researchonthebestheattreatmentprocessof2024aluminumalloy
Abstract:
2024aluminumalloyistheAl-Cu-Mgsystemofhigh-strengthdeformationaluminumalloy,intheaviationandaerospacesectorandothermilitarygoodsonawiderangeofapplications.Thesubjectofaseriesofexperimentsandresearch,thetemperatureofthesolution,solutiontimeandtransfertimeandthemechanicalpropertiesof2024aluminumalloymicrostructureeffects,anddeterminethebestsolutionoutofthetreatmentprocessparameters.
Theexperimenttooptimizetheheattreatmentofaluminumalloy2024,bythemicro-hardnesstestresultsshowthatthesolutionheattreatmentprocessparameters,thesolutiontemperature,solutiontime,transfertimeonthemechanicalpropertiessignificantly.Impactonthehardnessoftheimpactfactorfromstrongtoweakorder:
solutiontemperature,solutiontime,transfertime.Bystudyingthedifferentalloysunderheattreatmentandmicrostructureanalysisfoundthatthetemperatureofthesolutionwillhelptoenhancetheuniformityandα-solidsolutionsupersaturationincreased,forthefutureoftheagingprocesslayagoodfoundation.Bestsolutiontreatmentprocessshouldbe510℃solidsolution,insulation40min,transfertime10s.
Keywords:
2024aluminumsolutionmicrostructureproperties
目录
第一章绪论…………………………………………………………………………………1
1.1铝合金概况……………………………………………………………………1
1.22024铝合金的主要性质及应用……………………………………………1
1.2.12024铝合金的成分和组成…………………………………………………1
1.2.22024铝合金的性能…………………………………………………………2
1.2.32024铝合金的应用…………………………………………………………2
第二章实验方法……………………………………………………………………………3
2.1实验材料及设备……………………………………………………………………3
2.1.1实验材料………………………………………………………………………3
2.1.2实验设备………………………………………………………………………3
2.2实验原理及实验方法………………………………………………………………3
2.2.1实验原理………………………………………………………………………3
2.2.2实验方法………………………………………………………………………4
第三章实验结果及分析……………………………………………………………………6
3.1固溶对2024铝合金硬度的影响……………………………………………………6
3.1.1固溶温度对2024铝合金硬度的影响………………………………………6
3.1.2保温时间对2024铝合金硬度的影响………………………………………7
3.2.3转移时间对2024铝合金硬度的影响………………………………………7
3.2固溶对2024铝合金微观组织的影响………………………………………………7
3.2.1固溶前显微组织分析…………………………………………………………8
3.2.2固溶后显微组织分析…………………………………………………………8
第四章结论………………………………………………………………………………10
参考文献……………………………………………………………………………………11
第一章绪论
1.1铝合金概况
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑形好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢【1】。
铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金。
形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。
不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。
可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等【2】。
一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。
铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金（不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好），特殊铝硅合金（可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好）。
1.22024铝合金的主要性质及应用
1.2.12024铝合金的成分和相组成
2024铝合金化学成分见表1-1.2024铝合金除了Al外，Cu，Mg是主要成分，其次，2024铝合金中还包含少量的Mn，Fe，Si等成分。
表1-12024铝合金的化学成分（质量分数，％）
元素
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ti
Cr
其他
Al
最小
-
-
3.8
0.3
1.2
-
-
-
-
余量
最大
0.5
0.5
4.9
0.9
1.8
0.25
0.15
0.1
0.15
Cu和Mg是2024铝合金中主要的合金元素。
据一些文献的综合数据，铜和镁在铝中的共同溶解度约为5％。
因此，在2024铝合金中淬火以后，有一定的数量的銅、镁不是存在于固溶体中，而是存在于CuAl2和Al2CuMg金属间相内。
这样，一方面起固溶强化的作用，另一方面有沉淀强化的作用。
1.2.22024铝合金的性能
1、2024铝合金的物理性能如下
2024铝合金在20℃时的密度为2780kg/m3，比热容（20℃）875J/（kg.K）；体膨胀系数（20℃）66.0×10-6m3/（m3.K）。
2、抗蚀性
2024铝合金在淬火自然时效状态下有满意的抗腐蚀性，此时合金元素固溶于铝中或仅出现G.P.区，尚无第二相析出，腐蚀情况表现为全面腐蚀。
如果自然时效后的材料在使用过程中受热，或人工时效后晶间出现θ相或者S相，或淬火转移时间长或冷却速度小，导致θ相和S相析出，造成晶界附近出现贫铜带，则会引起晶间腐蚀。
人工时效进行预变形，可以改善2024合金的抗蚀性，工业上最常用的是包铝来保护，因为纯铝对于2024合金基体为阳极，所以保护作用可靠，包铝层的纯度应在99.5％以上。
为保证合金的抗蚀性和力学性能，热处理时必须严格控制固溶处理温度，不允许过烧，淬火转移时间不得超过30S，淬火冷却速度不得低于50℃/S。
1.2.32024铝合金的应用
2024铝合金固溶处理后，经自然时效或人工时效具有较高的强度，是国内外使用最广泛的变形铝合金。
作为硬铝的一种，具有良好的成形能力和机械加工性能。
2024铝合金其强度高、比重低，被广泛应用在航空、航天、雷达等工业部门，是航空工业中使用最广泛的铝合金。
据文献道，长征一号、长征二号、长征三号、长征四号运载火箭一级子结构的箱间段、燃料箱后过渡段、尾段均为办硬壳结构，材料都是LY12铝合金；二级子结构的仪器舱壳体、尾段壳体材料为LY12铝合金；三级子结构的支架、转接锥材料为LY12铝合金，整流罩的下部壳体为LY12铝合金。
另外，60年代初，我国用LY12ZC铝合金做船体，也成批建造了水翼快艇。
我国建造的导弹快艇，其上层结构、周壁、发射筒、发射架外罩和炮座都用了LY12CZ铝合金。
同时，由于LY12铝合金切削性能优良，所以被广泛地应用与管棒结构。
第二章实验方法
2.1实验材料及设备
2.1.1实验材料
所用材料为2024铝合金板，化学成分如表2-1所示：
表2-1实验材料的化学成分（质量分数：
％）
元素
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
其他
Al
分量
<0.5
<0.5
4.64
0.68
1.49
<0.1
<0.25
<0.15
<0.15
余量
2.1.2实验设备
箱式热处理炉，维氏硬度计，金相显微镜，抛光机，砂纸
2.2实验原理及实验方法
2.2.1实验原理
对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很好的硬度，而塑形则很低。
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，至于塑形，非但没有下降，反而有所上升。
2024是含铜、镁、锰、铬等多元素铝合金，这些元素可以与铝形成两种及两种以上的高硬度金属间化合物相，2024一般多为压铸态或淬火时效状态（T4-T6），会有大量的金属间化合物相析出，为改变铝合金的性能，往往需要将其加热到固溶温度区，使铝中的那些化合物相溶入铝中形成铝的固溶体，固溶温度、固溶时间以及转移时间对化合物相的溶解量都有影响。
也就是说，只有少部分化合物溶解时，淬火后组织为铝合金固溶体相+大量（保留的）高硬度化合物相，铝合金硬度降低较少；而化合物大部分或全部溶解，淬火后只会得到单一铝固溶体相（或存留少量化合物相）组织，铝合金硬度会明显降低。
因此可以通过固溶之后的铝合金的硬度来判定化合物溶解的程度，并以此来调整固溶工艺。
淬火后的合金，放置一段时间后，强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。
淬火后的铝合金的强度，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，称为自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围内发生，称为人工时效。
固溶处理主要是为了之后的时效强化做准备。
2.2.2实验方法
本实验一共需要确定三个最佳固溶处理参数，分别为最佳加热温度，最佳保温时间，最佳转移时间。
采用不同参数对铝合金固溶之后再进行统一参数进行时效处理，通过时效之后的硬度来比较化合物溶解的程度，硬度越高，则化合物溶解的越完全，固溶效果越好。
采取固定两个参数，调整另一个参数的方法来分别测定出最佳数值。
一．测定最佳加热温度。
保温时间30min，转移时间10s，加热温度470—530℃，时效温度120℃，时效时间24h。
见表2-2。
表2-2测定最佳加热温度
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
1
470
30
10
2
480
30
10
3
490
30
10
4
510
30
10
5
530
30
10
时效处理之后分别测五个工件的显微硬度。
根据硬度的结果确定最佳热处理温度TH。
二．测定最佳保温时间。
选取三个相同工件，加热温度510℃，转移时间10s，保温时间20—60min，时效温度120℃，时效时间24h。
见表2-3。
表2-3测定最佳保温时间
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
1
510
20
10
2
510
40
10
3
510
60
10
时效后分别测定每个工件的显微硬度，根据硬度的测定结果确定最佳保温时间t保。
最后测定最佳转移时间，选取三个相同工件，加热温度510摄氏度，保温时间20min，转移时间10—30s，时效温度120℃，时效时间24h。
见表2-4
表2-4测定最佳转移时间
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
1
510
20
10
2
510
20
20
3
510
20
30
时效后分别测定每个工件的显微硬度，根据硬度的测定结果确定最佳转移时间t转。
第三章结果分析
3.1固溶对2024铝合金人工时效后硬度的影响
3.1.1固溶温度对2024铝合金时效后硬度的影响
表3-1固溶温度对2024铝合金硬度的影响
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
时效后硬度（kg/mm2）
1
2
3
平均
1
470
30
10
120.8
119.1
118.3
119.4
2
480
30
10
148.3
150.8
147.2
148.8
3
490
30
10
146.0
153.2
150.8
150.0
4
510
30
10
157.0
158.3
152.0
155.8
5
530
30
10
148.3
147.2
150.8
148.7
由测定的维氏硬度结果可知，采用510℃固溶时，时效后的硬度最高，表明温度下固溶后化合物相溶解相对较完全，因此采用510℃固溶效果最佳。
3.1.2保温时间对2024铝合金硬度的影响
表3-2保温时间对2024铝合金硬度的影响
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
时效后硬度（kg/mm2）
1
2
3
平均
6
510
20
10
146.0
150.8
149.5
148.8
7
510
30
10
148.3
147.2
152.0
149.2
8
510
40
10
149.5
149.5
150.8
149.9
由时效后的硬度测试结果可知，保温时间40min时固溶效果最佳。
3.1.3转移时间对2024铝合金硬度的影响
表3-3保温时间对2024铝合金硬度的影响
编号
加热温度（℃）
保温时间（min）
转移时间（s）
时效后硬度（kg/mm2）
1
2
3
平均
9
510
40
10
153.2
157.0
158.3
156.2
10
510
40
20
147.2
149.5
146.0
147.6
11
510
40
30
137.2
140.3
138.2
138.6
由时效后的硬度测试结果可知，转移时间10s时固溶效果最佳。
由以上三组实验可以得出2024铝合金最佳的固溶处理参数为加热温度510℃，保温时间40min，转移时间10s。
3.2固溶对2024铝合金微观组织的影响
由之前的三组实验可知，9号件采取了最佳热处理工艺进行固溶，因此采用9号工件的金相组织与固溶之前的金相组织进行比较，分析固溶处理对2024铝合金微观组织的影响。
3.2.1固溶前金相分析
固溶处理前
由固溶前的金相可以观察到，α（Al）基体上有褐色的可溶的强化相S（Al2CuMg）和Al2Cu及不可溶的黑色杂志相Al6（FeMnSi），晶粒沿变形方向伸长
3.2.2固溶后金相分析
470℃保温30min转移时间10s
530℃保温30min转移时间10s
510℃保温40min转移时间10s
上面三图为固溶处理后的显微组织图，可以观察到和固溶前的显微组织相比，固溶之后可溶的S相大部分溶解，得到单一铝固溶体相组织，所以铝合金的硬度会明显降低。
人工时效之后，硬度会显著提高。
第四章结论
本文主要研究了2024铝合金的固溶工艺的优化，以及热处理工艺对其组织性能的影响，通过一系列的实验和结果分析，可得一下结论：
（1）测定最佳加热温度的实验结果表明，固溶温度对人工时效后的硬度有显著影响，固溶温度为510℃时效果最佳。
（2）测定最佳加热时间的实验结果表明，加热时间对人工时效后合金的硬度也有一定的影响，加热时间为40min时效果最佳。
（3）测定最佳转移时间的实验结果表明，转移时间对人工时效后合金的硬度也有也有一定影响，转移时间为10s时效果最佳。
（4）微观组织分析结果表明，经过510℃加热，保温40min，转移时间10s的固溶处理之后，可容的S相大部分溶解，得到单一的铝固溶体相组织，所以硬度显著降低，为之后的时效处理打下基础，时效后硬度显著提高。
参考文献
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