铝合金固溶时效对组织和能的影响.docx
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铝合金固溶时效对组织和能的影响
硕士学位论文
（工程硕士）
2124铝合金固溶时效对组织和性能的影响
EFFECTSOFSOLUTIONANDAGINGONSTRUCTUREANDPROPERTIESOF2124ALUMINUMALLOY
齐国栋
哈尔滨工业大学
2009年3月
国内图书分类号：
TG146.22学校代码：
10213
国际图书分类号：
621.7密级：
硕士学位论文
（工程硕士）
2124铝合金固溶时效对组织和性能的影响
硕士研究生：
齐国栋
导师：
邵文柱教授
图导师：
吴欣凤教授级高工
申请学位级别：
工程硕士
学科、专业：
材料工程
所在单位：
东北轻合金限责任公司
答辩日期：
2009年3月
授予学位单位：
哈尔滨工业学
ClassifiedIndex:
TG146.22Schoolcode:
10213
U.D.C:
621.7Secret-level:
DissertationfortheMasterDegree（MasterofEngineering）
EFFECTSOFSOLUTIONANDAGINGONSTRUCTUREANDPROPERTIESOF2124ALUMINUMALLOY
Candidate：
QiGuodong
Supervisor：
Prof.ShaoWenzhu
AssociateSupervisor:
Prof-engineerWuXinfeng
AcademicDegreeAppliedfor：
MasterofEngineering
Specialty：
MaterialEngineering
Affiliation:
NortheastLightAlloyCo.，Ltd
DateofDefence：
March，2009
Degree-Conferring-Institution：
HarbinInstituteofTechnology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
（要
采用室温拉伸性能测试和差热分析、金相及电子显微分析，研究了新型2124合金厚板在不同热处理制度下的拉伸力学性能、显微组织及其变化规律，优化了热处理制度；通过MTS试验机测试了不同厚度新型2124合金T851状态板材的断裂韧性以及断口扫描电镜分析，研究了合金微观组织结构对合金板材断裂韧性的影响。
结果表明：
固溶温度和固溶时间对新型2124合金热轧厚板的拉伸力学性能影响较大，合金适宜的固溶温度为498℃，固溶时间为80min。
经此制度固溶处理后冷水淬火，于185℃时效12h，合金具有较好的强度、塑性配合。
在此条件下，合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ分别为466MPa、375MPa和9.9%；适当提高固溶温度或延长固溶时间，合金中的过剩相的溶解程度增大，提高了合金的固溶程度，从而提高合金的强度，但过高固溶温度或过长固溶时间使合金的延伸率降低。
S′过渡相是合金的主要沉淀强化相，新型2124合金2%预拉伸厚板在170℃、185℃和200℃下时效均具有显著的时效强化特性，合金适宜的时效温度为185℃，时效时间为12h。
在此条件下，合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ分别为483MPa、454MPa和7.4%；预拉伸变形处理增加了合金的位错密度，与淬火+峰时效相比，经过2%预拉伸处理的淬火+预拉伸+峰时效合金S′相分布更加弥散均匀细小，从而提高合金强度。
铝合金板材断裂韧性会随着板材厚度的增加而降低，在本研究中，三个厚度板材断裂韧性相近似。
新型2124合金T851状态纵向断裂韧性40mm厚板材最好，达到32.95MPa·m1/2；横向断裂韧性是55mm板材最好，为
24.86MPa·m1/2；而综合而言30mm厚板材断裂韧性最好，纵向为29.64MPa·m1/2，横向为24.31MPa·m1/2；新型2124合金T851状态合金板材不同方向的断裂韧性不同，其抗裂纹扩展能力纵向要明显优于横向。
关键词：
铝合金；固溶和时效；预拉伸；断裂韧性；微观组织
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Themechanicalproperties,microstructures,changelawofthenew2124thicksheetalloyatdifferentheattreatmentwereinvestigatedbyroomtemperaturetensiletest,microstructuresobservation,electronmicroscopyanalysis,andtheheattreatmentregimeswereoptimized;Thefracturetoughnessofnew2124aluminumalloyplatesofT851statewhichcontaindifferentthickswereinvestigatedusingMTS.Meanwhile,theinfluencesofthemicrostructureonthealloy’sfracturetoughnesswereresearchedusingscaningelectronmicroscopy.Theresultsshowthat:
Thetemperatureandtimeofsolutionhavemucheffectonmechanicalpropertiesofthenew2124thickhot-rolledsheet.Thesuitablesolutiontemperatureandtimeofthealloyare498oCand80minutesrespectively.Atthiscondition,tensilestrengthσb,yieldstrengthσ0.2,elongationδofthealloyis466MPa,375MPa,9.9%respectively.Increasingthetemperatureorextendingthetimeofsolutionproperlycanacceleratethesolutionoftheexcessphase,whichcanraisethedegreeofsolutionofalloyandimprovethestrengthofalloy,buttheexcessivetemperatureortimeofsolutionreducetheelongationofalloy.Themainphaseofprecipitationstrengthofthe2124alloyisS′phase.Thealloyhasstrongageingstrengtheningcharacteristicwhenagingatthetemperatureof170oC,185oCand200oC.Thesuitableageingtreatmentofthealloyisageingat185oCfor12h.Atthiscondition,tensilestrength,yieldstrength,elongationofthealloyis483MPa,454MPa,7.4%respectively.Prestretchingcanincreasethedensityofdislocation;ComparingwiththeT6peak-aged,theT8peak-agedofprestretchingtreatmentof2%deformationhaveamoredisperse,homogeneousandfinerS′phase,whichcanincreasethestrength.Thefatiguetoughnessofnew2124aluminumalloyplatesdecreasewiththeincreaseoftheplatethickness,buttheirvalueswereapproximate.UnderT851state,thelongitudinalfacturetoughnessofnew2124aluminumalloywith40mmthicknesswasbest,whichreached32.95MPa·m1/2.thelateralfacturetoughnessofnew
-II-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
2124aluminumalloywith55mmthicknesswasbest,whichreached24.86MPa·m1/2.Comprehensively,thebestfacturetoughnesswas30mmsheet,whichvalueswere29.64MPa·m1/2oflongitudinaland24.31MPa·m1/2oflateraldirectionrespectively;Thefracturetoughnessof2124-T851aluminumalloyplatesisanisotropic,andthecrackgrowthresistanceinrollingdirectionisbetterthantheoneintransversedirection.
Keywords:
aluminumalloy,solutionandaging,prestretching,fracturetoughness,microstructure.
-III-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘
要.........................................................................................................................
I
Abstract.......................................................................................................................
II
第1章绪论..............................................................................................................
1
1.1
国内外研究现状...............................................................................................
1
1.1.1国外Al-Cu-Mg系铝合金的研究与发展.................................................
1
1.1.2国内Al-Cu-Mg系铝合金的研究与发展.................................................
3
1.2
合金元素在Al-Cu-Mg系合金中的作用........................................................
4
1.2.1
主合金元素................................................................................................
4
1.2.2
微量元素....................................................................................................
6
1.2.3
杂质元素....................................................................................................
7
1.3Al-Cu-Mg系合金的组织..................................................................................
8
1.3.1
沉淀顺序及沉淀相....................................................................................
8
1.3.2
硬化机理....................................................................................................
9
1.4Al-Cu-Mg系合金的热处理............................................................................
11
1.4.1
铸锭均匀化处理......................................................................................
11
1.4.2
固溶处理..................................................................................................
12
1.4.3
单级时效..................................................................................................
13
1.4.4
分级时效..................................................................................................
13
1.4.5
形变热处理..............................................................................................
14
1.5
合金的断裂韧性.............................................................................................
15
1.5.1
应力场强度因子和断裂韧性..................................................................
16
1.5.2
影响铝合金材料断裂韧性的主要因素..................................................
17
1.6
研究目的、意义和内容.................................................................................
18
第2章试验材料和试验方法..................................................................................
20
2.1
试验材料..........................................................................................................
20
2.2
热处理工艺......................................................................................................
20
2.2.1固溶处理工艺...........................................................................................
20
2.2.2时效处理工艺...........................................................................................
21
2.3
性能测试..........................................................................................................
21
2.3.1室温拉伸力学性能测试...........................................................................
21
-I-
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2.3.2断裂韧性试验22
2.4显微组织结构分析23
2.4.1金相组织观察23
2.4.2扫描电子显微镜观察23
2.4.3透射电子显微组织观察24
2.4.4X射线分析24
2.4.5差热（DSC）分析25
第3章2124合金固溶和时效工艺研究26
3.12124合金热轧板的过烧温度分析26
3.22124合金固溶工艺的研究27
3.2.1固溶温度对合金组织与性能的影响27
3.2.2固溶时间对合金组织与性能的影响28
3.2.3淬火水温对合金热轧板组织与性能的影响30
3.2.4淬火转移时间对合金热轧板组织与性能的影响32
3.32124合金时效工艺的研究37
3.4预拉伸对合金组织与性能的影响44
3.5本章小结46
第4章新型2124-T851合金板材断裂韧性47
4.1不同厚度板材的断裂韧性47
4.1.1不同厚度板材L-T向断裂韧性47
4.1.2不同厚度板材T-L向断裂韧性48
4.1.3不同应力幅值对疲劳断口地影响49
4.1.4合金断口分析50
4.2对断裂韧性的影响机制52
4.2.1板材厚度对断裂韧性的影响52
4.2.2厚板不同方向断裂韧性53
4.3本章小结54
结论56
参考文献57
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明63
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书63
致谢64
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第1章绪论
第国内外研究现状
表国外Al-Cu-Mg系铝合金的研究与发展
4.2.11906年Wilm发现Al-Cu-Mg合金时效硬化现象以来，2xxx系合金就与航空业紧密联系在一起。
1917年2017合金问世，1939年发明2024合金，
2024合金给飞机结构和性能带来了巨大变化，同时也为2xxx系铝合金的发展奠定了基础[1,2]。
2xxx系铝合金是以Cu为主合金元素的铝合金，它包括Al-Cu-Mg合金、
Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金和Al-Cu-Mn合金等，这些合金均属热处理可强化铝合金。
该系铝合金特点是强度高，耐热性能和加工性能优良，但耐蚀性不如大多数其它铝合金，在一定条件下会产生晶间腐蚀，因此，板材往往需要包覆一层铝，或一层对芯板有电化学保护的6xxx系铝合金，以提高其耐腐蚀性能[3]。
随着飞机设计从单纯强调静强度到疲劳及现代损伤容限设计的采用，对结构材料从仅要求强度向强调韧性、抗疲劳综合性能方向发展。
自70年代以来，通过合金化、提高纯度和改进热处理等途径，研制应用了一系列高纯度、高韧性、耐腐蚀新型铝合金及其处理状态，如2124等合金及T851、T73、T76、T74等时效状态，甚至一度出现了牺牲部分强度来换取韧性的趋势[4-9]。
典型的Al-Cu-Mg系硬铝主要有Д16、2024及2A12，其一般特点是：
490～525℃固溶淬火（和室温（自然）或高温（人工）时效热处理后，强化效果明显。
对比于Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg-Cu系等其他铝合金，Al-Cu-Mg系铝合金的耐热性高。
在100℃以下，2xxx系铝合金的强度低于Al-Zn-Mg-Cu系合金，但在高温下，特别是长期使用时，则超过它们[10-16]。
2xxx系合金由于存在Fe、Si杂质，可能生成（Fe，Mn）Al6、（Fe，Mn）3SiAl12、Mg2Si、CuMgSi4Al4、（Fe，Mn）3Cu2Al20、（Fe，Mn）3CuAl12、
Cu2FeAl7等脆性杂质粗大粒子和未溶的CuAl2粒子，如果成分控制不当将严重影响合金的断裂韧性和厚板的短横向性能[17-19]。
为了解决这一问题，美国和原
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苏联等国家分别在2024合金和Д16合金的基础上，通过降低Fe、Si杂质含量和调整合金化元素含量，开发出一系列高强高韧性Al-Cu-Mg合金，如2124、2224、2324、2424及2048铝合金。
另外，为了提高该系合金的耐热性能，又通过添加Ni的方法开发出2618铝合金；为了进一步获得良好的焊接性能和韧性，相继开发了2219、2419、2519、2021和2004铝合金。
为改善飞机用铝合金性能而开发的2xxx系新合金的过程如图1-1所示[
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