《热处理对SiC2009铝基合金组织与性能的影响.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理对SiC2009铝基合金组织与性能的影响.doc（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、沈 阳 航 空 航 天 大 学材料科学与工程学院 (综合实验研究 一 )热处理对SiC/2009铝基合金组织与性能的影响班 级 84110101 学 号 2008041101025 姓 名 杨 斌 指导教师 沙桂英 2011年10月18日10沈阳航空航天大学材料科学与工程学院 本科生（综合实验研究一）任务书专 业金属材料工程班 级84110101学 号2008041101025姓 名杨斌题 目热处理对SiC/2009铝基合金组织与性能的影响时 间2011年8月29日-2011年10月21日 课题内容及要求2009铝合金属于高硬度系列的铝铜合金，是航空工业高强度、硬度零件应用的重要材料，采用Si
2、C颗粒增强的SiC/2009铝基合金有望进一步提高合金的强度。课题主要结合2009铝合金可进行热处理强化的特性，对SiC/2009铝基合金进行固溶及时效处理，并分析热处理对合金组织与性能的影响。具体要求如下：1. 查阅相关文献资料，并进行分析、总结；2. 制定热处理工艺方案，并实施热处理；3. 完成对热处理后的SiC/2009铝基合金的显微组织观察、分析；4. 测试不同工艺处理后的SiC/2009铝基合金的硬度；5. 总结、分析实验结果，完成5000字以上的综合实验研究论文。主 要 参 考 资 料1. 李红英 ，郑子樵 高性能航空铝合金结构材料的动态研究J湖南有色金属，2001,17（4）：3
3、6-38.2. 王晓敏，董尚利，周 玉，陈贻瑞，工程材料学M.2005,3,33. 董展全 ，周敬恩 ，严 文 等 Al-4.5Cu 合金热裂倾向的研究J兵器材料科学与工程2003,26(1)：44-47.指导教师日 期2011年10月21日目录第一章 绪论11.1 2009铝合金概述11.2 2009铝合金组织特性11.3 SiC 颗粒增强铝基合金材料的力学性能2第二章 实验方法32.1 实验材料32.2 SiC增强的2009铝性能与组织观察3第三章 结果分析43.1 SiC增强的2009铝合金热处理后组织分析43.11 固溶处理分析43.12 时效处理分析5第四章 结论7参考文献8第一章
4、绪论1.1 2009铝合金概述1906年，德国的Alfred wilm 首次发现Al-Mg 和Al-Cu-Mg合金的时效硬化现象。该系铝合金有良好的力学性能，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12。目前我国的2000系列铝合金代表2024、2009、2A02（LY6）。2000系列铝板的特点是硬度较高，其中以铜元素含量最高，大概在3-5%左右。2000系列铝合金属于航空铝材，目前在常规工业中不常应用。2009铝合金属于硬铝合金，其具有良好的机械性能，强度大且便于加工，密度小，可作轻型结构材料。一般的2009铝中，镁不超过2%。锰可提高强
5、度和耐蚀性，但一般限制锰的含量小于1%，加入少量的钛可细化晶粒，铁与硅均限制在小于0.5-0.6%，并希望铁硅比值大于等于一。2009铝合金的缺点主要有：(1)耐蚀性不良，因此不得不在硬铝板材表面用轧制方法包一层工业纯铝（纯铝厚度占板材厚度3-5%）成为包铝硬铝。有包铝层时强度有所下降。(2)固溶处理温度范围窄，小于此温度不能发挥最大强化效果，而超出上限温度，又有产生晶界“过烧”的可能使晶粒聚集受到破坏。(3)焊接裂纹倾向大，用熔焊法有困难。2000系铝合金又称“铝铜镁合金”，由于合金中的Al-Cu金属间化合物在阳极氧化时易溶解，因此难以生成致密的阳极氧化膜，在保护性阳极氧化时，其耐腐蚀性更差
6、，因此此系列的铝合金不易阳极氧化。1.2 2009铝合金组织特性2009铝合金属于Al-Cu-Mg系硬铝3，其合金成分（见表1.1）所列。该系列合金是铝合金中最成熟和最重要的合金系列之一，用途最为广泛。2009铝合金材料中，合金主要元素是Cu，其次是Mg，合金的组织性能随Cu与Mg的总含量以及二者的比值不同而变化，Cu与Mg溶于铝中具有良好的固溶强化作用，同时还可以通过时效处理，析出沉淀强化相（CuAl2）相和S（CuMgAl2）相，因此强度很高。此外在合金中还有少量Mn，以提高合金的耐蚀性和力学性能。有时还加入少量的Ti或B，以细化晶粒。根据合金化程度、机械化性能以及工艺性能，2009铝合金
7、属于硬铝合金，耐热性好，但几乎所有的Al-Cu-Mg系硬铝合金均有形成焊接裂纹的倾向，所以2009铝合金焊接性较差，一般不用作焊接结构材料。另外，其耐蚀性也较差，对其制品需要进行防腐保护处理，对于板材可进行包铝，多数情况下还要进行阳极氧化和表面涂漆处理。并且2009铝合金淬火及人工时效状态比淬火及自然时效状态具有更大的晶间腐蚀倾向。因此，除高温工作的构件外，一般采用自然时效，且其淬火温度范围很窄。现代科学技术的飞速发展，对有色金属及其合金提出了更高的要求，2009铝合金，有许多优良的性能，密度小、比强度大、比模量高、耐热、以及良好的导电性和导热性。在运载火箭、卫星、飞机、船舶上获得广泛应用。
8、表1.1 2009铝合金的化学成分（wt/%）Cu Mg Fe Si Al 3.8 1.4 0.05 0.14 余量1.3 SiC 颗粒增强铝基合金材料的力学性能SiC颗粒增强金属基复合材料(PMMC)具有比强度和比刚度高、弹性模量高、耐疲劳、耐磨损及热膨胀系数低等一系列优点，可以实现工业化生产，有利于生产过程的控制和成本的降低，特别是还可以通过组分及工艺条件的设计来灵活调节其性能，满足不同应用场合的要求。因此，在军事、航空航天和汽车等领域内都具有诱人的应用前景45。随着PMMC在这些领域内作为承力构件逐渐应用，对其力学性能的研究也得到重视。目前，国内外学者从增强颗粒特性、基体特性、增强颗粒与
9、基体的交互影响以及试验条件等方面广泛研究PMMC的力学性能，研究结果表明，与未增强金属相比，加入增强颗粒有利于获得较长的综合性能以及使用寿命。2009铝合金中加入适量的SiC，可在保持其低密度，良好的加工性等特点的同时，大幅度地提高其弹性模量、强度、耐磨、和耐热性能。SiC属于碳化物陶瓷，性能优良，硬度很高、耐磨、耐高温、成本低，因此广泛用于铝基复合材料的增强6。众所周知，2009铝合金属于金属材料，其化学键是金属键，由金属正离子和充满其间的电子云所组成，所以金属键没有方向性，因此2009铝合金有很好的塑性变形性能。而作为无机非金属化合物的SiC来讲，其化学键是离子键和共价键。这种化学键有很强
10、的方向性和很高的结合能。但是，SiC有一个致命的缺点就是，很难产生塑性变形，脆性大，裂纹敏感性强。当SiC加入到2009铝合金中时，由于SiC的共价键与铝基体的金属键之间的有本质差别，SiC具有高硬度，高熔点，高化学稳定性，从而使SiC/2009铝基合金材料产生了原来合金所没有的特性，使合金具有了良好的耐磨性，耐热性，耐腐蚀性，从而满足工程上对2009铝合金使用的要求。第二章 实验方法2.1 实验材料本实验选用15SiC/2009铝基合金材料，基体合金为AlCuMg系合金，牌号为2009。其合金成分如表1.1所列。增强颗粒选用SiC，其体积分数为15。2.2 SiC增强的2009铝性能与组织观
11、察取样：先将材料试棒进行线切割，分别编号为1，2，3号。固溶热处理工艺参数（见表2.1）。将试样分别在箱式电阻炉内加热至500、520、540保温1h后立即淬入水中进行固溶处理，观察显微组织，确定最佳固溶温度。在此温度下，进行5种不同时间时效处理，时效热处理工艺参数(见表2.2)。磨光：将试样按240号、400号、600号、800号、1000号和金相砂纸来依次研磨。抛光：试样磨制后，用水冲洗干净，将试样在抛光盘上抛光至表面像镜面一样光亮。腐蚀：试样抛光后，用水洗涤干净，然后进行腐蚀，使抛光面呈暗灰色。腐蚀好的试样用水冲洗，然后用热风吹干后进行显微组织观察采用HRB洛氏硬度计测量硬度, 其示值精
12、度为4%,试验选用 25mm的钢球压头，停留时间30s。表2.1固溶热处理工艺参数 编号 温度 时间 冷却1 500 1h 水淬2 520 1h 水淬3 540 1h 水淬表2.2时效热处理工艺参数温度 200 200 200 200 200时间h 1 6 12 18 24第三章 结果分析3.1 SiC增强的2009铝合金热处理后组织分析本文通过力学性能测定以及金相显微组织观察，对粉末冶金制备的Al-Cu-Mg铝合金的热处理工艺进行研究，探讨不同的时效时间对2009铝合金力学性能和显微组织的影响。从而选择较合理的热处理工艺，获取具有综合性能优良的铝合金材料。3.11 固溶处理分析铝合金的固溶热
13、处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相快速冷却,以得到过饱和固溶体。铝基复合材料固溶后形成铝基固溶体，导致晶格畸变，增加位错运动阻力，提高铝基复合材料的硬度和强度。固溶温度和时间是影响固溶热处理制度的主要因素。选择合适的工艺参数能将合金的多相组织，尽可能转变为单相的固溶体组织,从而提高合金的性能。提高固溶温度和延长保温时间可以增加固溶原子在基体中的固溶度, 提高合金的固溶强化效果, 但是同时也会导致合金晶粒的长大, 甚至发生过烧, 抵消固溶原子产生的固溶强化,使合金强度降低。因此, 固溶参数的确定必须解决好合金固溶度和晶粒长大之间的矛盾, 既能将强化相充分溶入基体得到最大的过饱和度,
14、又能避免合金的晶粒长大和过烧7。图3.1所示为SiC/2009铝基合金材料500固溶处理1h的金相组织。由图3.1(a)可知SiC分布较均匀，无明显缺陷存在。说明实验所选用500固溶的工艺是可行的。此时改善了SiC/2009铝基合金材料的力学性能，为后续热处理处理作好准备。图3.1为SiC/2009铝基合金材料500固溶处理1h的金相组织3.12 时效处理分析Al-Cu-Mg系铝合金的时效是过饱和固溶体分解及强化相析出的过程, Al-Cu-Mg合金的基体析出相、晶间析出相、晶间无析出带的数量、分布及尺寸决定了合金的最终力学性能8。图3.2所示为SiC/2009铝基合金材料不同时效处理后的金相组
15、织。表3.1表示了500固溶后SiC/2009铝基合金材料不同时效处理后的硬度。图3.2为SiC/2009铝基合金材料不同时效处理后的金相组织表3.1 500固溶后SiC/2009铝基合金材料不同时效处理后的硬度时间（h） 硬度0 61.201 66.176 82.3712 86.3218 85.3324 83.33综合比较不同时效处理后试样的硬度,本实验结果可确定出一种较合理的热处理工艺：5001h固溶处理后水淬人工时效20012h。热处理后,试样强度提高。由实验结果分析可知，在实验初期，人工时效温度一定时，试样硬度随着人工时效时间的增加而提高，在人工时效12h后出最大硬度峰值，即峰时效。当
16、人工时效的时间再增加时，试样的硬度反而降低，这时即过时效。表3.1反应了500固溶后，不同时效时间对SiC/2009铝基合金材料硬度力学性能的影响。分析图3.2（a）可知，当试件经过5001h固溶后，经过2006h时效处理，此时处于相刚刚开始析出的阶段,平衡相在晶界连续分布，但析出相略少。由图3.2（b），在5001h固溶后经过20012h时效处理，此时析出相分布更加弥散，强化作用明显，硬度值明显提高。由图3.2（c），合金组织与3.2（b）变化不大，此时时效效果也无太大变化。由图3.2（d），晶内析出相有所粗化，此时组织有过时效特征。图3.3所示为500固溶后SiC/2009铝基合金材料不同
17、时效处理后的显微硬度曲线。图3.3 500固溶后SiC/2009铝基合金材料不同时效处理后的显微硬度曲线第四章 结论1 SiC增强的2009铝合金经过固溶+时效处理可明显提高合金的硬度。2 相同温度下，随着时效时间的延长，合金硬度先升高后下降。3 SiC增强的2009铝合金经过500 1h固溶处理+20012 h时效处理后，硬度可达最高值。参考文献1 李红英 ，郑子樵 高性能航空铝合金结构材料的动态研究J湖南有色金属，2001,17（4）：36-38.2 董展全 ，周敬恩 ，严 文 等 Al-4.5Cu 合金热裂倾向的研究J.兵器材料科学与工程2003，26(1)：44-473 王晓敏，董尚利
18、，周 玉，陈贻瑞，工程材料学M.2005,3,34 SRIVASTANTS，MESLET ALHAJRI，VASUDEVAN VIC Cyclic plastic strain response and fracture behavior of 2009 aluminum alloymctal-matdx compositeJInt J Fatigue，2005，27：357-3715 LLORCA JFatigue of particleand whisker-reinforced metal-matrix compositesJProg Mater Sci，2002，47(3)：283-353 6 陶杰，姚正军，薛峰材料科学基础M.2006,3,17 胡光立,谢希文钢的热处理M.2010,3,18 王少卿,于化顺,张振亚,王海涛,闵光辉等:粉末热挤压AlZnMgCu 系合金的热处理工艺J2009（30）6:98-102指导教师评语：学生成绩指导教师签字年 月 日