高強(qiáng)鋁合金廣泛用于飛機(jī)制造等航空航天領(lǐng)域。2xxx系列鋁合金具有強(qiáng)度較高、低密度、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，也是目前世界各國(guó)結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點(diǎn)之一。T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，通過(guò)固溶處理+預(yù)時(shí)效+高溫塑性變形+終時(shí)效的工藝，將預(yù)時(shí)效的溫度和時(shí)間兩個(gè)因素設(shè)為變量，設(shè)定7個(gè)溫度變量和4個(gè)時(shí)間變量，分析研究經(jīng)過(guò)形變熱處理之后2A12鋁合金試樣的顯微硬度及其金相顯微組織，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析確定出最優(yōu)的預(yù)時(shí)效工藝參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)得出的最佳預(yù)時(shí)效工藝參數(shù)為180℃/30min。

2xxx系列鋁合金作為高強(qiáng)鋁合金廣泛用于飛機(jī)制造等方面。目前研究人員已就該系合金進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出了許多牌號(hào)的鋁合金，并通過(guò)不同的熱出理工藝不斷提高現(xiàn)有合金的綜合性能。劉黎明等通過(guò)將形變熱處理工藝與旋壓成形工藝相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)2A12鋁合金熱擠壓管材經(jīng)過(guò)旋壓形變熱處理后，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了13.2%、38.9%和27.5%，特別是材料的屈服強(qiáng)度比由原來(lái)的0.6提高為0.85，材料的綜合性能明顯提高[1]。劉春燕等對(duì)2A12鋁合金熱處理工藝的研究表明固溶處理和自然時(shí)效后合金的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均比人工時(shí)效后的提高了36%，固溶處理并分級(jí)時(shí)效后合金的強(qiáng)度提高了50%[3]。2xxx系列鋁合金具有強(qiáng)度較高、低密度、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，也是目前世界各國(guó)結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點(diǎn)之一。通過(guò)制定合理的實(shí)驗(yàn)規(guī)程，并控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)因素，確定最佳工藝參數(shù)，對(duì)進(jìn)一步了解和研究2xxx鋁合金的工藝規(guī)程具有重要的意義。

實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，其成分如下表1所示，制作成尺寸為15mm×15mm×25mm的六面體試樣。通過(guò)固溶處理，然后進(jìn)行短時(shí)預(yù)時(shí)效，將預(yù)時(shí)效的溫度和時(shí)間設(shè)為兩個(gè)變量，來(lái)控制固溶試樣晶體內(nèi)第二相析出的分布、大小以及位置，分析研究形變熱處理后，2A12鋁合金試樣的顯微硬度及金相顯微組織的變化，確定最優(yōu)的預(yù)失效工藝參數(shù)[4]。實(shí)驗(yàn)采用的T4狀態(tài)的2A12鋁合金軋制板材，其初始硬度值如表2所示，硬度總平均值為71.3 HRB。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

本次實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)為：固溶處理，(495±5)℃/30min；預(yù)時(shí)效，設(shè)定7個(gè)溫度變量為100、120、140、160、180、200、220℃，4個(gè)時(shí)間變量為20、30、50、60 min，共28組；高溫形變，450℃高溫變形，變形量30%；終時(shí)效：150℃/12h。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

硬度測(cè)試結(jié)果

T4狀態(tài)原始2A12鋁合金試樣，其硬度總平均值為71.3 HRB，在經(jīng)過(guò)(495±5)℃/30 min固溶處理之后，其總平均硬度降為46.4 HRB。在經(jīng)過(guò)固溶處理之后，試樣發(fā)生軟化，硬度降低約24.9 HRB。預(yù)時(shí)效后試樣硬度-預(yù)時(shí)效溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如下圖1所示，實(shí)驗(yàn)所選的預(yù)時(shí)效溫度區(qū)間為100~220℃，隨著預(yù)時(shí)效溫度的增加，預(yù)時(shí)效后試樣的硬度先變大，然后有所降低，在180℃時(shí)，試樣硬度達(dá)到峰值。預(yù)時(shí)效后硬度-預(yù)時(shí)效時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如下圖2所示，本次試驗(yàn)的預(yù)時(shí)效時(shí)間區(qū)間為20~60 min，且隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間的增加，試樣硬度先增加后略有降低，圖中預(yù)時(shí)效時(shí)間為30 min對(duì)應(yīng)的試樣硬度等力學(xué)性能達(dá)到最佳。180℃/30min預(yù)時(shí)效處理后，高溫變形后硬度-預(yù)時(shí)效時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示，試樣在經(jīng)過(guò)高溫變形后仍然具有最佳的綜合力學(xué)性能，且試樣經(jīng)過(guò)高溫形變處理之后，與預(yù)時(shí)效后相比，其硬度出現(xiàn)較大程度的增加。這表明試樣在時(shí)效強(qiáng)化和形變強(qiáng)化的交互作用下，其力學(xué)性能比其中任何單一工序處理后的都要優(yōu)異。終時(shí)效后硬度-預(yù)時(shí)效時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示，變形后試樣硬度與終時(shí)效后試樣硬度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)每組試樣的硬度大約增加3~5 HB，這表明在高溫形變之后試樣的綜合力學(xué)性能仍然有提升的空間。

金相顯微組織

T4狀態(tài)的原始鋁合金試樣，其顯微組織如圖5所示，經(jīng)過(guò)(495±5)℃/30 min固溶處理之后的顯微組織如圖6所示。T4狀態(tài)的原始試樣在經(jīng)過(guò)(495±5)℃/30min固溶處理之后，細(xì)小的第二相顆粒大量溶入到基體中，并且晶粒尺寸變大。這是由于晶體內(nèi)的位錯(cuò)等缺陷在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到第二相粒子的強(qiáng)烈阻礙，位錯(cuò)需要繞過(guò)或切過(guò)第二相粒子才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這些都導(dǎo)致了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，從而強(qiáng)化金屬。而在固溶之后，第二相粒子大量溶入基體，基體和晶界處分布很少量的第二相粒子，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力大大減小從而使金屬發(fā)生軟化[5]。試樣180℃/30 min預(yù)時(shí)效處理后的金相顯微組織、450℃變形處理后的金相顯微組織、150℃/12 h終時(shí)效處理后的金相顯微組織分別如圖7~9所示。

試樣在經(jīng)過(guò)高溫變形處理后，其金相顯微組織也表現(xiàn)出特有形態(tài)，如晶粒表現(xiàn)出多邊形結(jié)構(gòu)。而且試樣在450℃進(jìn)行高溫變形，此時(shí)變形溫度完全處于再結(jié)晶溫度以上，因此試樣將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在這一過(guò)程中，由于變形的持續(xù)進(jìn)行，不斷產(chǎn)生新的位錯(cuò)，發(fā)生位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、增殖，并在晶界處大量聚集，這些位置的儲(chǔ)存能較高，故現(xiàn)存晶界往往是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核之處。經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的晶粒是等軸的，晶界呈鋸齒狀，且在晶核長(zhǎng)大的同時(shí)變形還在繼續(xù)進(jìn)行，因而形成的新晶粒內(nèi)有一定的應(yīng)變[6]。

試樣在高溫變形之后，晶粒呈現(xiàn)出等軸的多邊形結(jié)構(gòu)，且在晶界處第二相粒子大量析出。第二相粒子的存在同樣可以阻礙晶界的運(yùn)動(dòng)，有利于獲得細(xì)小晶粒，使試樣具有良好的綜合力學(xué)性能[7]。由此可得試樣經(jīng)過(guò)時(shí)效強(qiáng)化和形變強(qiáng)化相互作用下，其微觀組織和綜合力學(xué)性能都達(dá)到了較好的狀態(tài)。

試樣經(jīng)終時(shí)效處理后第二相粒子已經(jīng)大量析出，其分布相對(duì)均勻，晶粒比試樣原始狀態(tài)稍有長(zhǎng)大，但仍然相當(dāng)細(xì)小。這些都說(shuō)明了T4態(tài)的2A12鋁合金經(jīng)形變熱處理后，其力學(xué)性能得到提高，同時(shí)仍然保持較好的微觀組織，這也保障了其具有良好的塑性、韌性等性能[8，9]。

結(jié)束語(yǔ)

隨著預(yù)時(shí)效溫度的增加，預(yù)時(shí)效后試樣的硬度先變大，然后有所降低，在180℃時(shí)試樣硬度達(dá)到峰值。隨著預(yù)時(shí)效時(shí)間的增加，試樣硬度先增加后略有降低，30 min預(yù)時(shí)效時(shí)間對(duì)應(yīng)的試樣硬度等力學(xué)性能達(dá)到最佳。經(jīng)過(guò)180℃/30 min預(yù)時(shí)效處理的試樣在終時(shí)效后具有最高的硬度，其顯微組織中第二相粒子較為細(xì)小且分布均勻，從而具有最佳的綜合力學(xué)性能。2A12鋁合金最佳的預(yù)時(shí)效工藝參數(shù)可選取180℃/30 min。

文章來(lái)源——金屬世界