鋁合金綜合熱處理73

1、鋁合金綜合熱處理 高革編譯高云震校 736一、提高強(qiáng)度到目前為止，強(qiáng)化鋁合金的熱處理是一般的熱處理，同時(shí)也是很重要的。這里主要從生產(chǎn)的觀點(diǎn)出發(fā)，介紹有關(guān)提高變形鋁合金材料強(qiáng)度的熱處理方案。通常，在時(shí)效硬化處理方面，鋁-銅系的杜拉鋁等首先出現(xiàn)并進(jìn)行固溶熱處理和淬火熱處理。其次，鋁-鎂-硅系合金(6063)和鋁-鋅-鎂系合金(7N01)利用它們的良好的“淬火性”，在熱加工后直接進(jìn)行淬火處理，在很多情況下不特意重新進(jìn)行固溶熱處理。特別是，擠壓制品這種傾向較強(qiáng)，也有擠壓熱處理的說法。如果前者是正規(guī)的熱處理，而后者就是合理化的簡易熱處理，在提高生產(chǎn)率上大量使用。因此，作為綜合熱處理方案，首先按次序說明提

2、高強(qiáng)度的正規(guī)熱處理過程，然后介紹在合理化熱處理過程中根據(jù)合金種類可能強(qiáng)化的適當(dāng)程度。 固溶熱處理是把作為硬化的主要合金成分固溶在基體中，然后用淬火、回火(時(shí)效)進(jìn)行硬化的必要熱處理。圖1示出以鋁-銅合金為例的平衡狀態(tài)圖。在溶解度線以上的高溫(A)下溶質(zhì)原子銅大體完全固溶，而在溶解度線以下的溫度(B)或(C)之下銅原子析出。當(dāng)從(A)點(diǎn)開始快速冷卻時(shí)能獲得(A)的狀態(tài)，不是(B)、(C)的狀態(tài)，可使銅過飽和固溶。在這種場合下為了形成(A)的狀態(tài)進(jìn)行加熱使溶質(zhì)固溶，這種處理稱為固溶熱處理。然后進(jìn)行快速冷卻，使(A)的狀態(tài)在常溫也保持下來，這種處理稱為淬火。固溶熱處理成為淬火的前提，因而通常也是包括

3、淬火的熱處理。圖1鋁-銅合金的部分狀態(tài)圖代表性的時(shí)效硬化鋁合金的固溶熱處理溫度和熔化溫度范圍列于表1。由表1中可看出固溶熱處理溫度的上限接近于熔化溫度范圍的下限，由此對固溶熱處理溫度的控制必須充分的注意。固溶熱處理以在固相間元素?cái)U(kuò)散為基礎(chǔ)，因此只有溫度高時(shí)有利，但是，如果超過規(guī)定的最高溫度，共晶體就溶化，從而合金物理性能下降。此外，過度的加熱能使金屬表面劇烈地產(chǎn)生氣孔。如果溫度比規(guī)定的最小值還低，就不能達(dá)到完全固溶化，也不能獲得最大的機(jī)械性能。圖2示出固溶熱處理溫度對2014-T4及2014-T6材料機(jī)械性能的影響，由圖2可知，獲得穩(wěn)定強(qiáng)度的溫度范圍小。表2列出變形材料固溶熱處理時(shí)必須保持的加

4、熱時(shí)間。最短的保持時(shí)間取決于能獲得對材料要求的機(jī)械性能，因此斷面的厚度增加，保持時(shí)間就要增長。圖2固溶熱處理溫度對2014-T4，2014-T6機(jī)械性能的影響當(dāng)用空氣爐加熱時(shí)，保持時(shí)間過長，就會(huì)有增加高溫氧化的危險(xiǎn)。當(dāng)用鹽浴爐或用氣體介質(zhì)調(diào)整適當(dāng)?shù)目諝鉅t時(shí)，保持時(shí)間為表2中示出的數(shù)量的幾倍也是安全的。對包復(fù)金屬的制品在保證獲得所要求的機(jī)械性能前提下，保持時(shí)間要求在最短限度內(nèi)。如果保持時(shí)間比此限度長，基體合金成分就向包復(fù)的金屬層擴(kuò)散，抗腐性受到損失。為了使固溶熱處理狀態(tài)在室溫下固定下來，必須由固溶熱處理溫度開始快速冷卻，在冷卻過程中不使合金元素產(chǎn)生析出。由于材料不同，在冷卻過程中，有的容易產(chǎn)生析

5、出，有的不容易，這樣的性質(zhì)稱為淬火性。例如，圖3示出7075，6061及7N01合金的淬火速度與獲得的強(qiáng)度的關(guān)系。圖37075，6061及7N01合金的淬火速度與獲得的強(qiáng)度的關(guān)系對7075，2014，2017，2024及7178等高強(qiáng)度合金來說，由于淬火性不良，因此實(shí)際淬火的操作要快，并且必須在水量充分或循環(huán)的水中進(jìn)行全浸淬火。當(dāng)淬火結(jié)束取出被處理的材料時(shí)水溫最好不超過38。浸漬淬火的最慢時(shí)間示于表3。淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間就是從爐門打開時(shí)或淬火料的前端從鹽浴里出現(xiàn)時(shí)開始，到該料的末端浸漬在淬火水糟內(nèi)終了時(shí)為止。7N01合金或淬火性比6061合金更優(yōu)越的6063合金在空氣中冷卻時(shí)強(qiáng)度下降較少，即能進(jìn)行擠

6、壓熱處理。圖4硬化成分的固溶限度控制這些處理的重要性在于固溶熱處理溫度，保持時(shí)間及在淬火的情況下從(A)開始冷卻的速度。如果固溶熱處理溫度(A)在溶解度線和固相線之間，則要適當(dāng)?shù)丶右詤^(qū)別，但是很多情況下溶質(zhì)原子也具有固溶以外的意義，一般采用比固相線大約低50的溫度。各種成分的溶解度曲線示于圖4，從圖中可知，有很大的差別。淬火的冷卻速度根據(jù)淬火敏感性在工業(yè)上也分別采用水中淬火、加入應(yīng)變防止劑的水淬火、溫水淬火、油淬火、噴霧淬火及空氣淬火等。淬火用快速冷卻法上面已經(jīng)介紹，而淬火敏感性遲鈍的材料用相當(dāng)緩慢的冷卻方法也有效。按照淬火的敏感性有相對的方法，一般快速冷卻采用水冷。 眾所周知，固溶熱處理過的

7、材料，以時(shí)間和溫度為主要因素，從過飽和固溶狀態(tài)產(chǎn)生析出，在此過程中材料的強(qiáng)度增加。這種現(xiàn)象稱為時(shí)效現(xiàn)象，它是繼固溶熱處理的重要的過程。一般在室溫下引起的時(shí)效叫做自然時(shí)效，在高溫下引起的時(shí)效叫做人工時(shí)效。前者也稱為低溫時(shí)效，后者也稱為高溫時(shí)效。在室溫時(shí)效時(shí)，時(shí)效速度緩慢不能達(dá)到最終值，而在高溫時(shí)效時(shí)，時(shí)效速度達(dá)到最大值后引起軟化。這種現(xiàn)象稱為過時(shí)效。圖52014，6061合金板材的人工時(shí)效條件與強(qiáng)度的關(guān)系圖5是2014，6061合金板材的高溫時(shí)效曲線，根據(jù)時(shí)間和溫度的因素來了解淬火時(shí)的強(qiáng)度變化。表4是實(shí)用合金的析出處理?xiàng)l件的一個(gè)例子。用日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號表示，T4狀態(tài)為低溫時(shí)效，T6為高溫時(shí)效。(

8、1)(2)CuAl2的序列。圖6鋁-4%銅合金在2種時(shí)效條件下時(shí)效硬化時(shí)組織對硬度的影響由于在室溫那樣比較低的溫度下形成G.P區(qū)，因而在一定的臨界溫度以上加熱時(shí)變?yōu)椴环€(wěn)定和再固溶。由于這樣原因，在時(shí)效硬化時(shí)強(qiáng)化的機(jī)械性能可以返回到固溶處理后(沾火當(dāng)時(shí))的軟質(zhì)狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為回歸。例如，鋁-4%銅合金進(jìn)行常溫時(shí)效，產(chǎn)生G.P區(qū)，如果再把它在200下加熱1分鐘左右，就恢復(fù)到淬火后的狀態(tài)。時(shí)效硬化的機(jī)理從位錯(cuò)理論來說，由于存在上述那樣的析出質(zhì)點(diǎn)，可根據(jù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)妨害的程度情況來說明。表5示出了主要形成G.P區(qū)的低溫時(shí)效和主要形成中間遷移相的高溫時(shí)效的區(qū)別、它們的機(jī)理及與它們有關(guān)的事項(xiàng)。為了獲得最高的

9、強(qiáng)度，只要使位錯(cuò)不剪斷的剛性率大的中間相能夠均勻細(xì)化，它就會(huì)大量的分散。在實(shí)用的時(shí)效合金中，尤其是在低溫即室溫下時(shí)效硬化的合金中，低溫時(shí)效成為第一階段時(shí)效，繼續(xù)進(jìn)行高溫時(shí)效時(shí)，高溫時(shí)效成為第二階段時(shí)效。在一般的時(shí)效過程中，第一階段時(shí)效溫度和第二階段的時(shí)效溫度有差別時(shí)，稱為兩階段時(shí)效。如果所有的材料用兩階段時(shí)效的方法能夠改善機(jī)械性能，那么利用時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)也可顯著地減少工時(shí)，但是從用兩階段時(shí)效改善性能來看，由于這種方法不平常，因而變成了麻煩。實(shí)用時(shí)效鋁合金中易受這樣影響的有鋁-鋅-鎂系合金及鋁-鎂-硅系合金。鋁-鋅-鎂系合金固溶熱處理溫度低，不但淬火時(shí)的冷卻速度對強(qiáng)度影響小，而且在室溫下強(qiáng)度恢復(fù)的效

10、果也良好，因此作為焊接結(jié)構(gòu)材料得到廣泛應(yīng)用。然而在比室溫還高的溫度下進(jìn)行時(shí)效時(shí)，固溶熱處理淬火后立即進(jìn)行高溫時(shí)效莫如在室溫下放置3-7日后進(jìn)行時(shí)效獲得的強(qiáng)度更高。圖7示出7N01合金的一個(gè)例子。圖77N01合金在室溫下預(yù)備時(shí)效的效果此外，鋁-鎂-硅合金如圖8所示，Mg2Si含量在某些程度以上時(shí)淬火后立即在高溫下時(shí)效比淬火后在室溫下放置，然后又在高溫下時(shí)效的強(qiáng)度高，但是Mg2Si含量0.9%以下的合金進(jìn)行預(yù)時(shí)效，強(qiáng)度良好。6061合金不在室溫下進(jìn)行預(yù)處理較好，而對6063合金最近考慮其擠壓性，Mg2Si含量比較少時(shí)，與鋁-鋅-鎂系合金相同，擠壓后在室溫下時(shí)效比其后在高溫下時(shí)效有著較高硬化。圖8鋁

11、-鎂-硅系合金的組成和預(yù)時(shí)效的作用(160，16小時(shí)時(shí)效)熱處理后經(jīng)過淬火的材料由于存在過飽和固溶體所以呈不穩(wěn)定狀態(tài)，在常溫或比常溫稍高的溫度下溶質(zhì)原子析出，向平衡狀態(tài)變化。伴隨這過程，可熱處理合金時(shí)效產(chǎn)生硬化，所以稱為時(shí)效硬化處理。在常溫或常溫以上的溫度區(qū)分自然時(shí)效和人工時(shí)效，后者也稱為回火。一般在析出過程的初期(G.P區(qū)析出)或中間(中間相析出)時(shí)期強(qiáng)度最高。析出進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)到強(qiáng)度下降變成過時(shí)效為止。時(shí)效處理溫度根據(jù)合金而不同，2017，2024等在常溫下放置能充分硬化(進(jìn)行充分時(shí)相當(dāng)于T4狀態(tài))。2014，6061，6063合金等在150200下加熱，可使硬化達(dá)到充分(相當(dāng)于T6狀態(tài))。

12、7074合金和新日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的7 N01等鋁-鋅-鎂合金全采用T4，T6。 占現(xiàn)有擠壓型材大部分的6063合金和近幾年出現(xiàn)的7N01合金等多數(shù)用擠壓熱處理。由于擠壓時(shí)合金元素固溶化，因此擠壓熱處理變?yōu)榭赡?，其成否取決于合金的種類和鑄塊的熱處理等。圖9示出擠壓加工中溫度分布的情況。一般擠壓溫度比合金固溶溫度低，由于在加工中產(chǎn)生變形熱，材料在靠近模子時(shí)溫度上升，因此析出物也能再固溶。為了進(jìn)行這樣過程，在擠壓前一定要進(jìn)行均勻化熱處理，但是不好的是在其冷卻過程中析出物變得太大。此外必須迅速加熱到擠壓溫度。表6列出6063鑄塊在560下均勻化熱處理后以不同速度冷卻到室溫，又經(jīng)過感應(yīng)加熱后在480下所擠壓

13、的棒材經(jīng)過時(shí)效后的機(jī)械性能。均勻化熱處理后用爐子冷卻的鑄錠的析出物變大，擠壓時(shí)不能充分再固溶，因此時(shí)效后的強(qiáng)度不良。圖9擠壓熱處理和溫度的分布表7列出7N01合金擠壓型材的抗張性能與鑄塊均勻化熱處理的關(guān)系。鑄塊在465下經(jīng)過8小時(shí)的均勻熱處理后，在430下擠壓，在室溫下時(shí)效一個(gè)月，或者擠壓和用空氣冷卻之后在120下回火24小時(shí)的型材強(qiáng)度比沒有經(jīng)過鑄塊均勻化熱處理的型材強(qiáng)度要大10公斤/毫米2左右。把擠壓制品在465下固溶熱處理后，也同樣進(jìn)行時(shí)效處理，這種傾向沒有發(fā)生變化。這是由于7N01合金中含有的鉻、錳、鋯等過渡元素在鑄塊均勻化熱處理過程中微細(xì)地析出，促進(jìn)擠壓纖維組織的形成而造成強(qiáng)化的緣故，

14、一般都把這作為擠壓效應(yīng)來了解。此外，6063合金或7 N01合金由于經(jīng)過擠壓后在靜止空氣或流動(dòng)空氣中(吹風(fēng)冷卻)冷卻，淬火充分，從而可省略擠壓后固溶熱處理過程，不用說，這在經(jīng)濟(jì)上很有利。為此，合金的淬火性成為注意的問題。6061合金和淬火性不良的2017，2024合金等擠壓型材從模子擠出后應(yīng)立即澆水，即驟冷處理。圖106063合金擠壓熱處理循環(huán)周期這種處理的材料與正規(guī)固溶熱處理的材料相比，其晶粒度細(xì)，有很多的擠壓纖維組織，如果淬火處理完成得均勻充分，則強(qiáng)度良好。對6063合金和6061合金擠壓熱處理的周期加以比較，示于圖10和圖11。6063合金在500下擠壓后在450200之間以1/秒的冷卻

15、速度冷卻，可獲得相當(dāng)高的強(qiáng)度，而6061合金冷卻速度不大于10/秒時(shí)，強(qiáng)度顯著降低，因此一般的型材要進(jìn)行驟冷處理。圖116061合金擠壓熱處理的周期這樣一來，在由高溫開始以較快的速度冷卻的狀態(tài)下主要硬化因素Mg2Si呈固溶狀態(tài)，所以它對更大的強(qiáng)化沒有作用，但是在接近200的溫度下進(jìn)行回火處理，就產(chǎn)生微細(xì)的析出物，達(dá)到最高強(qiáng)度。如果在450200間冷卻速度緩慢，則在冷卻過程中Mg2Si變大，疏散地析出，對其后的時(shí)效硬化沒有作用。主要硬化的因素Mg2Si越多，特別鉻、錳、鋯等過渡元素的添加量越多，在冷卻過程中Mg2Si的粗大析出物就越多，即淬火性變壞。二、均勻化和加工性改善 一般，加工用的鋁合金鑄

16、塊是用連續(xù)鑄造法鑄成。采用連續(xù)鑄造法時(shí)冷卻速度比用其他鑄造法的快，易引起過冷卻，并且因相間的擴(kuò)散比用緩慢冷卻鑄造法的慢，這種傾向很強(qiáng)，因此具有易引起宏觀組織偏析和顯微組織偏析的傾向。圖12及圖13示出其一例。圖12連續(xù)鑄造鑄錠時(shí)液穴形狀、凝固速度及晶粒尺寸的變化圖13在A、B、C的位置上晶粒顯微組織圖12示出了用連續(xù)鑄造法鑄造扁錠時(shí)液穴的形狀、凝固速度及晶粒尺寸在扁錠厚度方向的變化。而圖13示出了圖12中(A)(C)各位置的晶粒組織。這樣，在大型鑄塊中不可避免地產(chǎn)生宏觀組織及顯微組織的偏析。而這種偏析使熱加工性能下降，同時(shí)在鑄造時(shí)過飽和固溶元素的析出和再固溶對最終制品有很大影響，因此，一般在熱

17、加工時(shí)對鑄塊預(yù)先進(jìn)行均勻化熱處理。下面就鑄塊的均勻化熱處理對產(chǎn)品的影響加以梗概的介紹。 當(dāng)由鑄塊制取變形合金材料時(shí)首先要進(jìn)行熱加工，因?yàn)殇X的變形阻力在熱狀態(tài)比冷狀態(tài)下的低得很多，在熱狀態(tài)下容易進(jìn)行變形。為了改善熱加工性和制品質(zhì)量，進(jìn)行均勻化熱處理，在表8中載出各種各樣合金鑄塊的標(biāo)準(zhǔn)均勻化熱處理的加熱條件(也包括熱加工前的再加熱)。下面對有代表性的工業(yè)純鋁、鋁-錳系合金、鋁-鎂系合金、時(shí)效性的鋁-鎂-硅系合金等加以說明。(1)工業(yè)用純鋁在工業(yè)用純鋁板的各種性能之中特別重要的是深拉時(shí)產(chǎn)生制耳的比率和臨界深拉比等的成形加工性。鑄塊的熱處理及其隨后的熱軋對這些成形加工性都有很大的影響，這是由于鑄塊中含

18、有的雜質(zhì)鐵和硅的固溶和析出對以后的加工和再結(jié)晶的行為有影響。圖14示出鑄塊的預(yù)熱對最終制品的深拉制耳產(chǎn)生的比率和極限深拉比的影響，它是對含0.6%鐵，0.15%硅的工業(yè)純鋁試驗(yàn)的結(jié)果。從導(dǎo)電率來看，在350450下析出，在500640下固溶，照此深拉產(chǎn)生的制耳比率和臨界深拉比有變動(dòng)。這樣對最終制品的質(zhì)量起主要影響的因素鐵和硅的行為有很多地方弄不清楚。成形加工性的差別起源于在加熱條件變化的情況下鐵和硅的固溶析出狀態(tài)的差別，因而在鋁板的制取過程中當(dāng)鑄塊加熱和熱軋時(shí)的條件(加熱條件)也是最重要的。圖14鑄塊的預(yù)熱對工業(yè)用純鋁退火板的深拉制耳比率和臨界深拉比的影響。因此，為了成形加工性穩(wěn)定化，必須在熱

19、軋前后適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行溫度控制，而關(guān)于鑄塊的溫度后面介紹，因此這里省略。(2)鋁-錳系合金鋁-錳系中代表性合金3001的晶粒容易粗大化，這樣，在加工過程中每個(gè)階段上和最終加工的板材上產(chǎn)生條紋，當(dāng)受深拉的塑性變形時(shí)出現(xiàn)傷痕缺陷。此外，在最終退火時(shí)再結(jié)晶晶粒粗大的板材也出現(xiàn)疙瘩狀的表面缺陷。為了改善這種缺陷，通常對鑄塊進(jìn)行長時(shí)間加熱。首先，在第一階段均勻化熱處理時(shí)550625高溫下保持724小時(shí)以求鑄塊組織均勻化，然后在第二階段于400500下保持748小時(shí)，最好使固溶的錳大部分析出。另外為了再結(jié)晶晶粒的細(xì)化用快速加熱法進(jìn)行最終退火有效，關(guān)于這一點(diǎn)后面介紹。(3)鋁-鎂系合金鋁-鎂系合金大多數(shù)分為兩類。

20、一類是以最終制品的光亮性和成形性為重點(diǎn)的合金，另一類是以強(qiáng)度為主的結(jié)構(gòu)用合金。前者代表性的是5 N01合金，后者代表性的是5052、5083合金。一般對光亮性合金必須嚴(yán)格控制鐵、硅等雜質(zhì)的含量，并且為了使這些元素固溶，通常在520580下進(jìn)行均勻化熱處理。另外以強(qiáng)度為主的5083合金為了改善熱加工性最好在520540下充分加熱。圖15示出了5083合金鑄塊的熱處理對臨界擠壓速度的影響。圖155083合金鑄塊熱處理對臨界擠壓速度的影響此外，當(dāng)含鎂量多的合金進(jìn)行均勻化處理時(shí)，如果進(jìn)行快速加熱就會(huì)有引起共晶溶解的危險(xiǎn)。但是，當(dāng)快速加熱不可避免時(shí)，必須進(jìn)行二階段均勻化處理。即第一階段在450的低*含有

21、0.10.2%鋯。溫下，而第二階段在所定的高溫下進(jìn)行熱處理。表9示出了加熱速度對各種合金共晶溶解的影響。(4)析出硬化型合金在析出硬化型合金中6063合金是特別重要的，對其擠壓加工性的改善也成為重要的問題，由此對鑄塊進(jìn)行HO熱處理。在這方面，鑄塊的加熱溫度高，時(shí)間長，效果就好，但是，莫如控制其后的冷卻速度，這對擠壓性的改善有作用。如鋁-0.5%鎂-0.4%硅合金鑄塊在560下加熱后以不同的速度冷卻到室溫，在480下再加熱后進(jìn)行擠壓，擠壓的結(jié)果示于圖16。冷卻的速度越緩慢，擠壓性越高，但是，由于時(shí)效后的強(qiáng)度下降，因此必須把冷卻速度控制在200500/小時(shí)范圍內(nèi)。圖166063合金的均勻化熱處理后

22、的冷卻速度與擠壓速度和時(shí)效后的強(qiáng)度的關(guān)系此外，不僅對鋁-鎂-硅系合金，而且對其它析出硬化型高強(qiáng)度鋁合金也都用鑄塊均勻化熱處理的方法使其熱加工性得到很大的改善。 當(dāng)鋁合金鑄塊進(jìn)行均勻化熱處理時(shí)和熱加工前加熱時(shí)成問題的是鑄塊溫度分布的差別。這種加熱時(shí)的鑄塊溫度的差別根據(jù)加熱形式而大小不同，因此下面關(guān)于代表性的加熱爐和鑄塊溫度的分布加以介紹。(1)鑄塊加熱爐在鑄塊加熱方面有組織均勻化加熱和熱加工加熱，最好根據(jù)不同的目的變換加熱爐，但是也有完成二種目的的情況。大量大型鑄塊在高溫下長時(shí)間保持的爐子有坑式爐、間歇式爐及臥式連續(xù)加熱爐。均勻化熱處理用的最好是坑式爐和間歇式爐，實(shí)際也作為板坯毛料加熱爐來用。表

23、面經(jīng)過銑削的鑄塊由于表面光澤的作用而不能良好地吸收輻射熱，因此加熱主要靠傳導(dǎo)和對流。因此，為了在高溫下保持溫度均勻，必須使?fàn)t內(nèi)的空氣保證良好地流動(dòng)。另外為了熱軋，氣流也必須保證良好地流動(dòng)。再有，作為熱軋預(yù)熱用臥式連續(xù)加熱爐非常便利，在工業(yè)上廣泛使用。這種爐子由于鑄塊連續(xù)地出入，因此適用于同種合金的大量生產(chǎn)。此爐的爐身較長，如果在加熱區(qū)域保持時(shí)間長，則可利用它作為某些程度的均勻化熱處理爐，另外，擠壓毛坯的加熱一般采用感應(yīng)加熱的方式，但是由于加熱速度快，毛坯易產(chǎn)生過熱，從而成為共晶溶解和晶粒粗大化的原因，對此要注意。(2)鑄塊的溫度分布鑄塊加熱時(shí)加熱方式對溫度分布有很大的影響，這里對鋁合金鑄塊的溫

24、度分布舉例說明。作為鑄塊的溫度分布必須考慮在鑄塊的厚度方向、寬度方向及長度方向的溫度差，而圖1820示出了根據(jù)傳熱計(jì)算得出的鑄塊加熱冷卻時(shí)溫度分布的情況。圖17中示出了厚度(A)30-60厘米的鑄塊在坑式爐中于500下加熱時(shí)鑄塊表面與中心的溫差隨時(shí)間的變化。在此例中明顯看出鑄塊表面與中心的溫度差較小，幾乎不成問題。厚度方向的溫度差和寬度方向的溫度差同樣也比較小，也不太成問題。圖17鑄塊厚度對鑄塊厚度方向溫度差隨時(shí)間變化的影響但是在熱風(fēng)從爐床上方吹的坑式爐中，鑄塊長度方向上產(chǎn)生很大溫度差。圖18示出了厚為3060厘米，長為的鑄塊在坑式爐中于500下加熱時(shí)在鑄塊的頭部和尾部上產(chǎn)生的溫度差隨時(shí)間的變

25、化，以鑄塊厚度為參數(shù)，而在鑄塊長方向上存在很大的溫度差。圖18用坑式爐加熱時(shí)鑄塊長方向產(chǎn)生的溫度差隨時(shí)間的變化圖19熱軋前鑄塊溫度下降的情況在臥式連續(xù)加熱爐中幾乎不產(chǎn)生在鑄塊長方向上的溫度差，因此認(rèn)為臥式連續(xù)加熱爐比坑式爐更適用于熱軋前的加熱。此外圖19中示出了厚為50厘米的鑄塊在500下加熱出爐后的自然冷卻曲線，而出爐后溫度下降得相當(dāng)顯著。因此，為了達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定化，要適當(dāng)?shù)乜刂凭鶆蚧瘻囟?、再加熱溫度及熱軋溫度，很好地考慮圖1718示出的條件，極其重要的是對爐子的操縱。 一般，鋁合金變形材料進(jìn)行熱加工、冷加工后退火、淬火及回火等熱處理，這是普通的事情，關(guān)于其最終熱處理?xiàng)l件決定其制品性能方

26、面不加多說。在本節(jié)關(guān)于熱處理只提出二、三個(gè)問題。(1)最終退火當(dāng)鋁板進(jìn)行成形加工時(shí)，成問題的是表面粗糙，這種現(xiàn)象成為在退火過程中產(chǎn)生粗大晶粒的原因。決定這種晶粒大小的條件是合金組分和加工過程等軟化條件，比如最高加熱溫度、保持時(shí)間及加熱速度認(rèn)為也是主要原因之一。其中關(guān)于加熱速度的影響是眾所周知，除非常高純度鋁之外，一般加熱速度越快，晶粒越細(xì)。為了用快速加熱方法達(dá)到晶粒細(xì)化，采用反射加熱方式，從而近來發(fā)展了更大規(guī)模的和自動(dòng)化的熱處理裝置，已經(jīng)供給實(shí)際應(yīng)用。圖20示出一個(gè)例子，稱為快速連續(xù)熱處理，其中用薄板開卷裝置、轉(zhuǎn)環(huán)型坑式加熱裝置、水冷卻裝置、干燥機(jī)、矯直機(jī)、完工設(shè)備、檢查設(shè)備及卷卷裝置等。圖2

27、0快速連續(xù)熱處理裝置加熱的方式是：從爐頂和爐床噴射熱風(fēng)，在加熱介質(zhì)中使鋁板浮游，即用空氣緩沖器夾持，連續(xù)地移動(dòng)。使用這種裝置進(jìn)行熱處理時(shí)不僅比用間歇式爐進(jìn)行軟化時(shí)能獲得更細(xì)的再結(jié)晶組織，而具有表面質(zhì)量提高、應(yīng)變或彎曲減少及能稍微調(diào)正一個(gè)卷質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。這種熱處理裝置在日本也處在普及階段。圖21加工過的金屬退火時(shí)引起的變化冷加工過的材料由于晶體排列不規(guī)則，因而具有較高的應(yīng)變能，但是進(jìn)行加熱時(shí)如圖22所示，引起晶體再次排列，減少應(yīng)變能，向穩(wěn)定狀態(tài)移動(dòng)，達(dá)到再結(jié)晶完了為止。這樣變成最軟化的狀態(tài)稱為退火。對變形材料實(shí)行退火，就相當(dāng)于O狀態(tài)。此外，根據(jù)加工狀態(tài)可選擇適當(dāng)程度的退火加熱條件。從圖21的強(qiáng)度圖

28、中可了解這種情況。這種處理處在強(qiáng)度對溫度的敏感性的虛線范圍內(nèi)，因而溫度不嚴(yán)格控制時(shí)誤差就增大。這種處理可用在不可熱處理合金上(相當(dāng)于H2n狀態(tài))，在相同的程度上與H2n相對應(yīng)，而采用這種處理時(shí)具有延伸率大及深拉加工性良好的優(yōu)點(diǎn)。軟化曲線很大程度上取決于合金種類和加工過程，特別取決于最終加工率，因此最好每次要求達(dá)到正確。此外，由于退火在冷加工中間進(jìn)行，因此更多地用最終冷加工率調(diào)整狀態(tài)(相當(dāng)于H1n狀態(tài))，根據(jù)目的組成不同的配合。(2)穩(wěn)定化處理鋁-鎂系合金在加工硬化狀態(tài)下于常溫下長時(shí)間放置時(shí)拉伸強(qiáng)度及屈服點(diǎn)以及抗腐性都有些下降，而延伸率增大。這種現(xiàn)象稱為時(shí)效軟化現(xiàn)象。為防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象進(jìn)行穩(wěn)定化

29、處理，即H3處理。一般在150以上的溫度下進(jìn)行1-6小時(shí)的熱處理。圖22示出了以不同的最終冷加工率(84.5%，78.2%及69.1%)加工的5082合金板材(厚)在140-220之間的各溫度下進(jìn)行5小時(shí)穩(wěn)定化處理時(shí)的拉伸強(qiáng)度變化和它們在205下加熱10分鐘時(shí)的拉伸強(qiáng)度。圖23示出了圖22示出的試料深拉制耳率及埃里克森值。在這穩(wěn)定化處理的范圍內(nèi)深拉制耳率的變化幾乎沒有看出，但是埃里克森值隨著處理溫度的上升而提高。圖22穩(wěn)定化處理溫度和空氣加熱處理對5082合金板拉伸強(qiáng)度的影響圖23穩(wěn)定化處理溫度和空氣加熱處理對6082合金板深拉性的影響圖24中示出鋁-6%鎂合金長期放置時(shí)機(jī)械性能的變化。按此圖

30、加工率越高，特別屈服點(diǎn)越下降。由于對此種材料多數(shù)重視強(qiáng)度，因此為了防止屈服點(diǎn)下降，在多數(shù)情況下冷加工后在150下進(jìn)行1-4小時(shí)的低溫加熱，完成穩(wěn)定化放置。這種處理稱為穩(wěn)定化處理，狀態(tài)標(biāo)號用H3表示。適用這種處理的合金有：5005，5154，5052，5083及5056等，而特別需要這種穩(wěn)定化處理的是后二種，除此之外強(qiáng)度下降的量少。此外，適應(yīng)于H2處理的合金當(dāng)然不必要這種處理，其實(shí)用的也較多。圖24鋁-6%鎂合金冷加工后在常溫下放置時(shí)機(jī)械性能的變化三、減少變形 1.有殘余應(yīng)力(應(yīng)變)的材料的問題重點(diǎn)在介紹減少應(yīng)變的各種方法之前，舉例介紹有關(guān)殘余應(yīng)力大的材料能發(fā)生什么樣的事故？圖25示出了厚為12

31、6毫米，寬為290毫米，長為3500毫米的7079合金自由鍛件經(jīng)過固溶熱處理和人工時(shí)效后，對T6鍛件進(jìn)行非對稱性切削時(shí)產(chǎn)生的彎曲量(大約)的例子。這樣形狀的鍛件在實(shí)用上有問題，其解決方法后面再作介紹，考慮其原因是由于固溶熱處理后急冷(水冷)時(shí)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力(表面壓縮，中心拉伸)的緣故。這樣，當(dāng)殘余應(yīng)力大的鍛件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)不可避免地產(chǎn)生很大的彎曲。圖25對7079T6自由鍛件進(jìn)行非對稱機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生的彎曲量此外，不進(jìn)行這樣機(jī)械加工時(shí)又怎樣呢？還是有問題。對抗應(yīng)力腐蝕裂紋阻力小的7075合金T6材料，如果不特別注意，則經(jīng)過熱處理時(shí)材料具有的殘余應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，這樣的事例是有的。把斷

32、面積大的鍛件在處理前鉆孔放置，如果固溶熱處理后水冷時(shí)孔內(nèi)和孔外的冷卻速度相同，則表面受壓縮，厚度中心部分受拉伸，實(shí)際不是這樣，由于孔內(nèi)冷卻速度一定緩慢，因此外面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，而孔內(nèi)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，孔內(nèi)面與大氣接觸，長時(shí)間放置時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋從孔內(nèi)向外側(cè)沿晶界發(fā)展(見圖26)?？變?nèi)外兩面冷卻速度相等時(shí)，內(nèi)外層都有壓縮殘余應(yīng)力，而在厚度中心部分存在拉伸殘余應(yīng)力?？變?nèi)冷卻速度比外面緩慢時(shí)，外面存在殘余壓縮應(yīng)力，孔內(nèi)存在拉伸殘余應(yīng)力，特別冷卻方法不受控制時(shí)，在圓筒內(nèi)一般表現(xiàn)出這樣的分布。圖26厚圓筒(孔徑較小時(shí))的冷卻速度與殘余應(yīng)力分布的關(guān)系這樣一來，熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力引起機(jī)械加工時(shí)在

33、被加工件上產(chǎn)生撓曲、彎曲和橢圓等不良的變形，就是不機(jī)械加工時(shí)也出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞強(qiáng)度下降的難以預(yù)料的狀態(tài)。由此，殘余應(yīng)力的大小決定制品的成本高低，同時(shí)也對材料的性能有決定性的影響，這種情況不加多談。 熱處理后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力稱為熱處理殘余應(yīng)力，在熱處理型鋁合金上由于固溶熱處理后的急冷(多數(shù)用水冷)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。例如，圖27所示，該圖示出了對熱處理型鋁合金的圓錠急冷時(shí)經(jīng)過的時(shí)間、溫度和殘余應(yīng)力分布的變化過程。圓錠的表面和中心的冷卻速度必然不同，如圖27(A)示出的曲線。冷卻開始時(shí)首先只在表面冷卻，進(jìn)行收縮，表面受拉伸應(yīng)力作用，而中心受壓縮應(yīng)力作用。然后這種應(yīng)力(見圖27(B)隨著表面和中心的溫

34、度差的增加而增大，隨溫度差減少而減少，如圖27(C)前半圖的變化。但是，由于鋁合金在高溫下具有塑性，因此這種應(yīng)力使表面產(chǎn)生拉伸，中心產(chǎn)生壓縮的塑性變形，這樣材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)力由此變?yōu)榫徍汀Ｍ瑫r(shí)如圖2(A)示出那樣，由于存在溫度差，因此進(jìn)一步進(jìn)行冷卻就會(huì)消除溫度差，如圖27(B)后一半那樣，殘余應(yīng)力返回，在表面和中心完全冷卻狀態(tài)下一般表面受壓縮，中心受拉伸。圖27對圓錠急冷時(shí)，時(shí)間、溫度及應(yīng)力的變化過程因此，消除熱處理殘余應(yīng)力，要從固溶熱處理后的冷卻速度的不均怎樣地變?yōu)榫鶆騺碇郑侵睆酱蟮陌舨幕驈?fù)雜形狀的型材完全均勻化，在理論上是不可能的。而用選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s條件的方法減少殘余應(yīng)力，向這方面過

35、去作過努力，并作了許多的試驗(yàn)。圖28示出了當(dāng)控制2014合金圓錠(76毫米×長227毫米)的固溶化熱處理溫度和冷卻條件時(shí)在290400的冷卻過程范圍內(nèi)的冷卻速度與最大殘余應(yīng)力(拉伸十壓縮)的關(guān)系，冷卻速度越快，最大殘余應(yīng)力越大。由此，用變化冷卻介質(zhì)的溫度或組成的方法能減少殘余應(yīng)力。圖29示出7075-T6厚板(板厚為)的冷卻水溫度對殘余應(yīng)力的影響，應(yīng)力分布都是表面壓縮，中心拉伸，而溫度越高，殘余應(yīng)力絕對值越小。為此，斷面形狀復(fù)雜的鍛件采用溫水淬火。但是，冷卻速度過于緩慢時(shí)由于在冷卻過程中可熱處理合金里容易溶入的合金元素析出，強(qiáng)度顯著下降，引起晶間腐蝕，因此一般最好在82以下的水中淬火

36、。圖282014-T4圓錠(76毫米×227毫米)的冷卻速度和長方向殘余應(yīng)力范圍圖297075-T6厚板()淬火時(shí)冷卻水溫對殘余應(yīng)力的影響例如：用7079-T6鍛件制造飛機(jī)的起落架(孔徑100毫米×長約760毫米)進(jìn)行固溶熱處理時(shí)變換各種條件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果列于表10。用大約60的溫水淬火存在的殘余應(yīng)力比用室溫水淬火的小。但是，架裝材料的位置，是否使用淬火工具及是否安裝水管的影響也很大，為了極力防止殘余應(yīng)力的發(fā)生還必須作出相當(dāng)?shù)呐ΑＷⅲ?1)孔徑為100毫米，長為760毫米的型鍛件(帶孔的)。(2)在冷卻水中浸漬時(shí)同時(shí)使用淬火工具。(3)從孔的開口部分通入水管。全部

37、試樣在閉口中心鉆個(gè)直徑為25毫米63毫米；2.-360毫米；3.-700毫米；4.閉口部靠上應(yīng)變計(jì)測定應(yīng)力。以上介紹了用水作冷卻介質(zhì)，但是某些鋁合金鑄件用油作冷卻介質(zhì)，確實(shí)在防止殘余應(yīng)力及變形上具有很大的效果，然而強(qiáng)度隨冷卻溫度的下降而下降，冷卻后在被熱處理的表面上附著的油必須除掉。因此不能說是萬能的。為此最近水溶性淬火油受到注重。這種水溶性淬火油主要成分是聚二醇，往其內(nèi)添加微量的添加劑。這種冷卻介質(zhì)是水溶性的，因此在淬火材料的表面上附著時(shí)容易除掉，它是非燃性的，因而不能發(fā)生火災(zāi)、煙及塵土等，使工廠有潔凈的良好環(huán)境。圖30示出了聚二醇與過去用的冷卻介質(zhì)所冷卻的速度比較的結(jié)果。圖302024合金

38、板(厚為1毫米)從495開始在各種冷卻介質(zhì)中淬火時(shí)的冷卻速度(425260之間的平均值)在容量上11%聚二醇水溶液與水相同也顯示出相同的冷卻速度。圖31示出了7075合金板(1×150×200毫米)測定應(yīng)變量的結(jié)果，用水冷卻時(shí)應(yīng)變量約為13%，與此相反，用11%聚二醇水溶液時(shí)降低到約4%以下。但是對淬火敏感性高的2024合金，如果用濃度過高的聚二醇溶液固然能防止應(yīng)變，但是有的報(bào)告提出會(huì)引起晶間腐蝕，因此不能說是萬能的。圖317075合金板(1×150×200毫米)在各種冷卻介質(zhì)中淬火時(shí)發(fā)生的應(yīng)變量適合淬火材料的水溶性淬火油的選定是重要的，由此必須掌握根據(jù)

39、濃度、液溫及攪拌速度等的變化獲得的冷卻能力。以上介紹的是在固溶熱處理后冷卻過程中有效地防止殘余應(yīng)力或應(yīng)變出現(xiàn)的方法。但是也有的提到，在采用這種方法還不能充分地防止殘余應(yīng)力發(fā)生的情況下或者在生產(chǎn)上不能組成那樣過程的情況下，消除殘余應(yīng)力的方法下面再予以介紹。 圖32示出了2014-T6合金厚板(50.8×152×305毫米)的各種熱處理?xiàng)l件和殘余應(yīng)力范圍。一般2014合金在496507下進(jìn)行固溶化熱處理，然后進(jìn)行水冷回火(152166，1720小時(shí))完成T6處理，但是如已介紹的那樣在水冷結(jié)束的狀態(tài)下產(chǎn)生表面壓縮、中心拉伸的殘余應(yīng)力，然后借助回火處理稍微消除些，但還殘留相當(dāng)量的應(yīng)

40、力。圖32冷卻溫度對2014-T6合金厚板(50.8×152×305毫米)殘余應(yīng)力的影響2。然而要采用下列的方法，如圖32所示，能消除相當(dāng)量的殘余應(yīng)力。由于快速冷卻產(chǎn)生殘余應(yīng)力，接著用快速加熱方法可消除以前產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，按照這樣考慮的方案固溶熱處理后的水冷材料，在盡可能低溫的冷卻介質(zhì)中保持，從介質(zhì)中取出后，用高速蒸氣噴射，用這樣的方法能消除實(shí)質(zhì)的殘余應(yīng)力。比如，在-196的液體氮中保持，然后用高速蒸氣噴射，這樣狀態(tài)的在1521662的六分之一。這種方法稱回升淬火處理。此外，不可熱處理材料由于冷加工也產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力在適當(dāng)?shù)臏囟认录訜峋涂上?，這種方法也是熱處理消除法

41、，但是在這種場合下不可避免地強(qiáng)度下降。圖33示出5056合金管的加熱條件對殘余應(yīng)力的影響。從圖中不僅看出，5056合金管冷加工后由于加熱殘余應(yīng)力怎樣地減少，而且也看出機(jī)械性能怎樣發(fā)生變化，殘余應(yīng)力隨加熱溫度上升而減少。殘余應(yīng)力為零時(shí)溫度是完全軟化的溫度。機(jī)械性能當(dāng)然顯示出軟化狀態(tài)。因此，有效地利用這種不可熱處理材料時(shí)使用條件可選為在實(shí)用上殘余應(yīng)力不成問題，并且機(jī)械性能沒有比它還低的那樣溫度，無用地把殘余應(yīng)力變?yōu)榱阋彩菬o意義的。圖335056拉伸管(65×厚)的加熱條件對殘余應(yīng)力(圓周方向)的影響圖34示出各種處理合金在沸水中淬火后，在250下加熱，進(jìn)行消除應(yīng)力處理時(shí)的應(yīng)力消除率，根據(jù)

42、合金種類消除的傾向不同，但是應(yīng)力消除率都隨時(shí)間的增長而增大，2025合金大約保持1小時(shí)能消除100%。然而實(shí)際問題是：可熱處理合金在沸水中淬火后又在250的高溫下保持加熱時(shí)不能獲得理想的強(qiáng)度，因此不太實(shí)用。圖34各種鋁合金結(jié)構(gòu)材料(1.5×6.3×300毫米)固溶熱處理后在沸水中淬火，在250下以不同時(shí)間加熱時(shí)的應(yīng)力消除率(最初的應(yīng)力為2.8，4.9，7.0，/毫米2)表11列出了具有代表性的可熱處理合金2014及7075固溶化熱處理后的殘余應(yīng)力值和對它們經(jīng)過人工時(shí)效處理時(shí)的殘余應(yīng)力值加以比較的結(jié)果，根據(jù)人工時(shí)效處理的結(jié)果，殘余應(yīng)力值降低1020%。以上所述的是用某些熱處理

43、消除應(yīng)力的方法，此外還有對被熱處理材料給予一定量塑性變形消除應(yīng)力的方法。一般，固溶熱處理后，利用壓縮加工消除內(nèi)應(yīng)力，然后回火，這種方法稱為T652，利用拉伸加工消除內(nèi)應(yīng)力的稱為T651。圖35示出7079型鍛件經(jīng)過固溶熱處理后進(jìn)行約3%的壓縮加工，然后再回火的材料和沒有經(jīng)過3%壓縮加工的材料鋸切后的應(yīng)變量，從圖可看出，利用固溶熱處理后進(jìn)行壓縮加工的方法可顯著減少應(yīng)變量。圖357079合金鍛件在T6及T652(固溶熱處理后3%壓縮加工回火)狀態(tài)下的應(yīng)變量圖36是用拉伸加工求得的結(jié)果。在永久拉伸和殘余應(yīng)力值的關(guān)系上，如果根據(jù)此圖在拉伸機(jī)上給予1%的永久拉伸變形，則殘余應(yīng)力值急劇變小，在1%以上的加

44、工時(shí)沒有形成更大的效果。因此在T651狀態(tài)下約13%，在T652狀態(tài)下約15%的加工量為宜。以上介紹了防止和消除殘余應(yīng)力的方法，然而各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，目前沒有發(fā)現(xiàn)決定性的萬能的防止應(yīng)變的處理方法。采用溫水及沸水作冷卻介質(zhì)在成本上低廉，但是具有引起機(jī)械性能下降和晶間腐蝕的缺點(diǎn)，然而又受冷卻介質(zhì)成本高的限制?！盎厣慊稹被ㄙM(fèi)許多工時(shí)和大量的液體氮，因此不能達(dá)到廣泛的應(yīng)用?？偟恼f來，固溶化熱處理時(shí)的冷卻方法還有改革的余地，這是事實(shí)，考慮今后要朝這個(gè)方向積極地研究，而通過厚度使冷卻速度相等的方法，實(shí)際上也就是降低冷卻速度的操作，因此在改革上也是有限的。此外，用機(jī)械拉伸及壓縮(%)的方法消除材料上的

45、應(yīng)力，在方向上對均稱形狀的材料很適合。最近，在美國等的標(biāo)準(zhǔn)中可看到這種處理的狀態(tài)記號。但是在復(fù)雜形狀的鍛件上不可能通過整體均勻地消除應(yīng)力，并且斷面積大的擠壓制品或厚板當(dāng)拉伸機(jī)能力不大時(shí)不能給予永久變形，這就遺留下了問題。因此不用說，使應(yīng)力至少達(dá)到最低限度的方法是對鋁合金材料的各種特性充分掌握之后，把上述的各種消除應(yīng)力的處理方法適當(dāng)?shù)芈?lián)合起來加以應(yīng)用。圖362014-T6，7075-T6厚板(44毫米)的拉伸效果冷加工過的材料和淬火處理的材料在內(nèi)部殘留應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力用矯直和熱處理方法都不能適當(dāng)?shù)叵蛲瓿删鶆蚧Ｈ欢T件不采用矯直方法，而在厚度差別大的鑄件內(nèi)，內(nèi)應(yīng)力特別大，如果部分地切除，則

46、應(yīng)力均衡遭到破壞，至使變形。對鑄件在比再結(jié)晶溫度低的溫度下加熱。根據(jù)厚板的淬火條件殘余應(yīng)力的分布示于圖37，而對各種合金用250加熱的方法使殘余應(yīng)力緩和的狀況示于圖38。圖37厚為5毫米7075-T6合金板產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和淬火水溫的關(guān)系圖38鋁合金殘余應(yīng)力緩和的狀況試片：6.35×1.5×305毫米板(從各種商業(yè)用的熱處理溫度在沸水中淬火)。 以上介紹的是有效地消除熱處理材料殘余應(yīng)力的方法，因而這里重點(diǎn)介紹了怎樣減少在以后的機(jī)械加工中產(chǎn)生的應(yīng)變。但是，根據(jù)使用條件殘余應(yīng)力以壓縮形式存在，則比已有的還好。從前就知道，由于表面上存在壓縮殘余應(yīng)力，因此疲勞強(qiáng)度增大，抗應(yīng)力腐蝕裂紋

47、性也增強(qiáng)。從而積極地給予壓縮殘余應(yīng)力，這是“以毒攻毒”的方法。圖392014-T6圓柱(直徑35毫米)噴丸加工時(shí)殘余應(yīng)力的分布圖402014-T6圓柱(35毫米)表面上受滾軋時(shí)殘余應(yīng)力的分布里通過兩種加工：一種是噴丸加工，另一種是滾軋加工。兩者都屬于表面塑性冷加工。鋁合金螺旋漿葉(飛機(jī)用的)制造上可采用這種方法。噴丸和滾軋加工都不以成形為目的。具體的加工方法在這里省略，而主要在噴丸加工時(shí)用鑄鐵球、鑄鋼球或硬鋼線切成的球?qū)Ρ患庸ぜ谋砻嬉愿咚俅驌簦瑫r(shí)借助沖擊而產(chǎn)生的應(yīng)力使加工表面發(fā)生塑性變形，從而在表面上產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。圖39示出了2014-T6圓柱(直徑35毫米)受噴丸加工時(shí)殘余應(yīng)力的分布

48、，比如：在切線方向距表面約的范圍內(nèi)，由于在7公斤/厘米2空氣壓力下進(jìn)行噴丸，從而產(chǎn)生約17-35公斤/毫米2的壓縮殘余應(yīng)力，在較低(/厘米2)的空氣壓力下進(jìn)行噴丸時(shí)產(chǎn)生大約1432公斤/毫米2的壓縮殘余應(yīng)力。這些值比沒有進(jìn)行噴丸加工的4公斤/毫米2高得多。圖40示出用滾軋方法求得的同樣效果，可看出，具有與噴丸加工相同的傾向。四、應(yīng)力腐蝕裂紋的改善實(shí)際廣泛應(yīng)用的鋁合金有：鋁-鐵-硅系、鋁-銅系、鋁-錳系、鋁-鎂系、鋁-硅系、鋁-鎂-硅系、鋁-鋅-鎂-銅系及鋁-鋅-鎂系，而在這些合金中主要是鋁-鎂系、鋁-銅系、鋁-鋅-鎂系及鋁-鋅-鎂-銅各系具有應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向。對這些系的代表性合金的應(yīng)力腐蝕裂

49、紋性進(jìn)行了比較和評定，其結(jié)果列于表12內(nèi)。鋁合金的應(yīng)力腐蝕裂紋的特征如圖41所示形成晶界裂紋，在晶粒內(nèi)部的裂紋幾乎沒有看到。一般應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性高的合金是容易發(fā)生晶間腐蝕的合金。圖412024合金-T351的應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋的主要原因大致可分為金屬材料原因及環(huán)境原因兩種，考慮實(shí)際的裂紋是兩者互相作用而產(chǎn)生的。這里對有關(guān)金屬材料的原因特別關(guān)于熱處理和應(yīng)力腐蝕的關(guān)系加以介紹。一般廣泛使用的抗腐的鋁-鎂系合金種類很多，其含鎂量為0.55.5%，而在應(yīng)力腐蝕裂紋方面成問題的是加入3%以上鎂的合金。鋁-鎂系合金在工業(yè)上調(diào)整強(qiáng)度的方法不是進(jìn)行淬火或退火處理，而是用冷加工硬化的方法進(jìn)行調(diào)整強(qiáng)度。因

50、此介紹了有關(guān)冷加工率、軟化溫度(穩(wěn)定化溫度)及含鎂量與該系合金應(yīng)力腐蝕裂紋的關(guān)系。圖42是50%冷加工的材料與退火材料的應(yīng)力腐蝕裂紋性比較的結(jié)果，冷加工材料大約從4%含鎂量開始，退火材料大約從6%含鎂量開始應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性增大。圖42鋁-鎂系合金的應(yīng)力腐蝕裂紋性與鎂含量的關(guān)系圖43示出了溫度對鋁-鎂系合金應(yīng)力腐蝕裂紋的影響，而在某些溫度范圍內(nèi)(50150)應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性特別增大。在此溫度范圍內(nèi)相(Mg2Al3)晶界上顯著地優(yōu)先析出，由于相的電位低，所以局部受腐蝕，它成為產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的原因。當(dāng)析出溫度在200以上時(shí)在晶粒內(nèi)也引起相析出，由于晶界和晶粒內(nèi)的電位差減少，陽極溶化在晶界上消失

51、集中，應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性下降。圖43溫度對鋁-鎂系合金應(yīng)力腐蝕裂紋的影響圖44及45示出了冷加工率及狀態(tài)對鋁-鎂系實(shí)用合金應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。圖44示出冷加工率對5056合金應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。冷加工率變?yōu)?0%以上時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋劇烈地變大。不限于此系合金，冷加工率使鋁合金的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性增大。圖44冷加工率對鋁-鎂-錳合金(5.16%鎂，0.11%錳，0.11%鉻，0.09%銅)應(yīng)力腐蝕裂紋和屈服強(qiáng)度的影響(板狀試片，在一定變形量下利用彎曲給予應(yīng)力，在3.5%的食鹽水中交互浸漬。棒形圖示出各試片的壽命)圖45鋁-45.5%鎂系合金(美國鋁協(xié)會(huì)標(biāo)號)在各種狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕裂紋(在3.5%

52、食鹽水中交替浸漬)一般，鋁-鎂系合金冷加工后，為了防止機(jī)械性能隨時(shí)間的變化，在150左右進(jìn)行數(shù)小時(shí)的穩(wěn)定化處理，但是這種處理具有在晶界上引起相析出和對以后的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性有不良影響的缺點(diǎn)。為了改善這種缺點(diǎn)統(tǒng)一發(fā)展了調(diào)整材質(zhì)的方法：H323及H343(過去是H32及H34)。這種方法也適用于5083或5456合金和屬于鋁-鎂系的較高強(qiáng)度的合金。這種調(diào)整材質(zhì)的詳細(xì)情況沒有公開發(fā)表，然而熱處理時(shí)大概電位低的相能在晶粒內(nèi)析出，即冷加工后按照鎂的添加量在比前述的穩(wěn)定化處理溫度還高的180275范圍內(nèi)保持24小時(shí)冷卻到室溫后，為了補(bǔ)足下降的強(qiáng)度(由于溫度比前述的穩(wěn)定化處理溫度還高，因此機(jī)械性能下降)進(jìn)行

53、10%以上的冷加工，并且為了防止經(jīng)過一定時(shí)間發(fā)生變化，在120下進(jìn)行數(shù)小時(shí)加熱處理，用這種處理方法可改善高鎂鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性。圖45示出了含45%鎂的鋁-鎂系各種合金的狀態(tài)與抗應(yīng)力腐蝕裂紋性的關(guān)系，因而H343處理比過去的H34處理具有更優(yōu)越的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性。此外，當(dāng)鎂含量為3%以下時(shí)特別，不必要進(jìn)行調(diào)整材質(zhì)的處理，在前述那樣的150下進(jìn)行幾小時(shí)的穩(wěn)定化處理就夠充分了。 鋁-銅系合金是鋁合金中主要合金之一，杜拉鋁型的高強(qiáng)度合金屬于此系。代表性實(shí)用合金的銅含量為3-7%，對其添加少量的鎂、錳、硅。此系合金用熱處理方法可獲得高強(qiáng)度，但是條件不適當(dāng)時(shí)易引起晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生。當(dāng)時(shí)

54、效時(shí)鋁-銅二元合金在晶界優(yōu)先析出CuAl2，而鋁-銅-鎂三元合金-Al2CuMg析出物附近形成無沉淀區(qū)。這種無沉淀區(qū)的電位比析出物和固溶體部分的低，而由于它和周圍的電位差的作用造成局部腐蝕，考慮它是應(yīng)力腐蝕裂紋的原因。圖46示出了觀察實(shí)際熱處理時(shí)2024合金淬火冷卻速度與應(yīng)力腐蝕裂紋之間的關(guān)系。從圖46中可看出，在產(chǎn)生晶間腐蝕的冷卻速度下拉伸強(qiáng)度的下降率也大，也容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。因而在淬火時(shí)應(yīng)保證，50/秒以上的冷卻速度。特別在315400之間的冷卻必須快速的進(jìn)行。此外，如果厚度薄的材料從出爐到淬火的時(shí)間長，則在淬火前容易冷卻，因此必須注意。圖462024-T4及7075-T6合金板的冷卻

55、速度對各種性能的影響人工時(shí)效處理對該系合金的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性有影響。圖47是2024合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而在時(shí)效初期拉伸強(qiáng)度下降率最大，應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性高。從而人工時(shí)效在較低的溫度下長時(shí)間進(jìn)行，一般稍有過時(shí)效的傾向。圖47時(shí)效時(shí)間對2024-T3合金的拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、電極電位、應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。應(yīng)力腐蝕在NaCl-H2O2水溶液中進(jìn)行(1.5/1.5)周期為48小時(shí)。為此新發(fā)展了T72熱處理。T72的目的是為了用過時(shí)效處理減少晶粒內(nèi)與晶界上的電位差，預(yù)防晶界陽極溶解，從而推薦了在190下保持15小時(shí)的時(shí)效。 鋁-鋅-鎂系合金是用熱處理可調(diào)整強(qiáng)度的合金。即主要成分鋅和鎂形成金屬間化合物MgZn，然而在這種MgZn2的析出過程中可獲得強(qiáng)度。在這種情況下能獲得充分的強(qiáng)度，并且不發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的(鋅+鎂)含量，是因熱處理和腐蝕環(huán)境而不同，但是大致標(biāo)準(zhǔn)約為6%。此系合金的應(yīng)力腐蝕裂紋用添加微量錳、鉻或鋯的方法也能改善，但是達(dá)到完全改善必須把下述的熱處理?xiàng)l件考慮進(jìn)去。此系合金在鑄塊均勻化熱處理溫度與應(yīng)力腐蝕裂紋及層狀腐蝕之間具有互相的關(guān)系，例如表13列出的含錳、鉻及