1、铝合金的析出硬化处理鋁合金的析出硬化處理1. 實驗目的1. 瞭解析出硬化的機制。2. 學習鋁合金析出硬化處理之適當作業步驟。3. 學習析出硬化效果之量測。2. 實驗設備中溫加熱爐、低溫加熱爐、淬火槽、硬度試驗計及金相觀察設備。3. 實驗原理 1.析出硬化簡介【18】:二十世紀初德國人Alfred Wilm 把含有4%Cu及微量Mg和Mn之鋁合金,經高溫淬火後,室溫放置或於稍高溫下恆溫處理一段時間,發現此合金有時效硬化現象;即其硬度和強度會隨放置(或處理)時間之增長逐漸增加。1930年代Guinier和Preston利用X-Ray繞射法量測出微細析出物的存在,1950年代TEM發明而可直接觀察析
2、出粒子,使析出硬化之理論快速進展而逐漸建立。目前已可使某些鋁、鈦、鎂和銅之合金、不銹鋼、超合金及麻時效鋼等結構材料,利用析出硬化處理大幅提高它們之強硬度。析出硬化處理的最基本程序至少須包含三個步驟:溶體化處理(solution treatment)、快速淬火(quenching)及時效處理(aging treatment)。溶體化處理是將材料加熱至固溶線以上之單相區,持溫一適當時間使合金元素全部溶入基地而形成單相固溶體。快速淬火至低溫,則材料形成過飽和固溶體。時效處理是要把過飽和固溶體放置於室溫或在稍高溫恆溫加熱,使超過溶解度的合金元素或金屬間化合物逐漸析出,來產生強硬化的效應。因此,能析出硬
3、化的材料必需具備兩項基本的特性:(1)主要合金元素的溶解度須隨溫度之升高而增加,亦即能在淬火後形成過飽和固溶體。(2)能在室溫或稍高溫析出微細又密集的非平衡相析出物。 2.熱處理型鋁合金【3】鋁合金因所含的合金元素及產生的組成結構對熱處理的反應不同,一般可粗分成兩種類型,熱處理型與不能熱處理型鋁合金;前者是指鋁合金之強硬度主要可藉熱處理(析出硬化)來增大,後者之強硬度只有利用固溶硬化或加工硬化來增大。屬於熱處理型之商用鋁合金有2000系之Al-Cu-(Mg),6000系之Al-Mg-Si及7000系之Al-Zn-Mg-(Cu);其他1000系之純鋁,3000系之Ai-Mn,4000系之Al-S
4、i及5000系之Al-Mg等合金雖亦具有析出硬化所需的第一項特性,但因析出物為粗大之平衡相,而不適合用為析出硬化型鋁合金。3.鋁合金析出硬化的機制【36】茲以Al-Cu合金為例,圖1【3,6】顯示此合金平衡圖靠富鋁之部份。在548以下Cu在Al內之溶解度由5.7%降至0.5%,因此,如把Al-5%Cu之鋁合金在545固溶體處理一星期後,合金元素Cu或金屬間化合物CuAl2粒子就完全溶入固溶體之內而成單相固溶體。此時若緩慢冷卻,則降至525左右將開始析出AlCu2,隨溫度持續的緩慢下降至室溫,AlCu2會長成沒有析出硬化作用的粗大析出物,如圖2【6】所示。如果固溶體處理後快速淬火至室溫水中,則高
5、溫之析出被抑制而形成過飽和固溶體,如圖3【6】所示,大部份之溶質仍留在基地內。把此過飽和固溶體放置在室溫下(自然時效)或在稍高溫度中(人工時效)保持一段適當時間,使合金中過量的合金原子或金屬間化合物粒子於低溫中析出,此種微細之析出物在溶體內會產生應力場,對差排之滑移產生阻力而達到使合金硬化的效果,材料最後的性質就依析出粒子的大小和粒子在晶粒內的分佈而定。進行人工時效的溫度愈高,析出粒子的粒徑愈大、顆粒數愈少及分佈愈疏鬆,此種析出粒子對變形的阻力愈小,亦即對硬化之效益愈少;圖4【6】顯示出Al-4%Cu鋁合金在不同時效溫度下的時效硬化曲線,可清楚的看出在每一特定的溫度時效,其硬度均隨時效時間之增
6、加先逐漸上升至最大硬度再逐漸下降,而溫度在110130之間可獲得最大之硬化效益,溫和度太高或太低,其最高硬度都較小。鋁合金在固溶體處理及淬火後的質地為一相當軟、常溫時狀態不安定的過飽和固溶體。欲安定,乃析出第二相,如G.P.一區和G.P.二區等中間相,這些相的晶粒和基地晶粒具有完全整合性(fully coherency),這種整合性使兩種晶粒間產生具有鏈與鎖的作用之應力場,在材料承受外力時阻止差排的滑移,如圖5【6】所示,亦即可阻止基材內部結構的滑動和變形,達到硬化鋁合金的目的。由於析出需要時間,所以其硬度會隨時效時間的增加而增大。在常溫下進行即可獲得所需硬度者稱為自然時效(natural a
7、ging),一般以T4表示其鍊度(temper)。需要在稍高於室溫的條件下進行者稱為人工時效(artificial aging),一般以T6表示其鍊度。人工時效主要是要使析出硬化作用能在合理的期間內完成,因為時效溫度愈高達到最大硬度的時間愈短,唯所穫得的硬度愈低,如圖4所示。時效時間太長時,硬度會從最高點逐漸下降,即產生過時效(overaging)現象,這是因為析出粒子和基地間之整合性,將因析出粒子的成長而逐漸消失,先成為部份整合性(partially coherency),最後變成不整合性(noncoherency),亦即逐漸失去晶粒間的應力場,而失去硬化基地的功能,如圖6所示。4. 實驗方
8、法與步驟1. 材料及試片準備(1) 材料:AA2024,AA6061或AA7075鋁合金之板材。(2) 試片尺寸:60 30 2。(3) 試片之邊緣須去除毛邊並用砂紙研磨。2. 析出硬化處理(1) 把三組試片放入中溫爐內、加熱至固溶體化溫度;各種鋁合金的固溶溫度參考表一。 (2)在固溶溫度保持1小時後,急速從爐中取出試片淬火於室溫之水中;容許之淬火延遲時間參考表二。 (3a)第一組試片淬火後,放置於室溫自然時效;時效時間分別為0.5、1、2、5、10、20、50及100小時。 (3b)第二組試片淬火後,放入低溫爐內作人工時效;人工時效溫度參考表一,時效時間同第一組試片。 (3c)第三組試片淬火
9、後,先室溫自然時效1天(24小時),再人工時效,時效溫度及時間同第二組試片。 (4)對不同的時效處理型式及時效時間的試片作硬度量測、拉伸試驗及衝擊試驗。 (5)觀察並攝取各試片的光學顯微鏡組織。5. 實驗結果1. 分別繪製硬度、抗拉強度、伸長率和衝擊值與時效時間之變化曲線。2.分析各試片金相組織的變化與時效溫度和時效時間的關係。6. 問題與討論1. 如何計算淬火延遲時間?為什麼淬火時須注意淬火延遲?2. 為什麼2024鋁合金一般以自然時效進行硬化,而7075常以人工時效來進行硬化?3. 討論人工時效時、溫度與時間對顯微組織(析出物)及機械性質的影響。4. 比較三組試片的硬化效益。7. 補充資料
10、1. 析出過程的說明示意圖如圖7所示。2. 淬火延遲對時效後鋁合金機械性質的影響。圖1:AlCu平衡圖及富Al之部份平衡圖【3,6】圖2:Al5%Cu合金在545固溶處理一週後,緩慢冷卻至20之顯微組織【6】圖3:Al5%Cu合金在545固溶處理一週後,快速冷卻(水淬)至20之顯微組織【6】表一:鍛鋁的熱處理條件3 表二:最小保溫時間及容許的淬火延遲3合金名固溶處理溫度人工時效AAA溫度()時間(hr)2014495505約175約8201749550521174955102108500520約170約102024490500約1908-162025510520約170約12403250552
11、0約170約126151510525約170約126061515530約1756-107075460490約120約24材料厚度最小保溫時間(min)容許延遲(mm)鹽浴爐空熱爐(sec)0.5102050.50.8152570.81.62030101.62.32535102.33.23040153.26.43555156.4134565151325609015每再增13+20+30圖4:Al4%Cu合金在520固溶處理至少48小時後,快速冷卻至20,再進行不同溫度的時效處理之時效硬化曲線【6】圖5:差排受硬粒子阻礙,再滑移切過二個硬粒子的說明圖【68】圖6:(a)析出原子與基地完全整合,顯出界面的局部應變,(b)部份整合,顯出界面生成差排來舒緩應變,(c)不整合析出物【1】圖8:淬火延遲時間對2024鋁合金時效後機械性質的影響【3】圖7:時效處理時原子析出過程的說明示意圖【6】
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