2024 合金组织中深冷处理对其性能的影响检测方案(金相显微镜)

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深冷处理对2024合金组织及性能的影响 王彦俊 (辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳111003) 摘要：采用深冷技术处理2024铝合金，通过对组织和性能分析，研究深冷处理对2024铝合金综合性能的影响：包括显微组织、力学性能、疲劳性能、抗腐蚀性及残余应力等的影响；结果表明：采用495℃×1h固溶+(-196℃×30min)深冷处理+185℃×7h时效，2024铝合金的综合性能最佳，具有高强度的同时，显微组织、疲劳性能、抗腐蚀性、降低残余应力等均有很大改善。 关键词：2024铝合金；深冷处理；力学性能；疲劳性能；抗腐蚀性能；显微组织 中图分类号： TG156.91 文献标识码：A 文章编号： The Effects of Cryogenic Treatment on Microstructure and Properties of 2024Aluminum Alloy Wang Yan-jun (Liaoning Zhongwang Group Co.，Ltd.， Liaoyang Liaoning 111003，China) Abstract： By means of cryogenic treatment for 2024 aluminum alloy， the effects of cryogenic treatment on combinationproperties including microstructure， mechanical property， fatigue property， anti-corrosion property， and residualstress of 2024 aluminum alloy were studied by microstructure and properties analysis. The results show that thecombination properties are optimum， the strength can be highly increased， meanwhile， the microstructure，fatigueproperty， anti-corrosion property， residual stress reduced can be improved after the cryogenic process， solutionizingat 495℃ for an hour and cryogenic treatment at Minus196℃ for an hour， and aging at 185℃ for 7 hours. Key words：2024 aluminum alloy； cryogenic treatment； mechanical property； fatigue property； anti-corrosion property；microstructure 2024铝合金是高强硬铝合金，由于强度高、比重低、耐热性好等优点，主要作用飞机蒙皮、骨架、肋梁、隔框及卫星等航天器上，要求承受高循环载荷的结构件，已成为航空工业中使用最为广泛的铝合金材料之一。深冷处理法也称冷稳定处理法，是将含有残余应力材料浸入-196℃的液氮中深冷一定时间后，取出待内外温度均匀后在进行时效处理，在有效消除残余应力的同时，可改善材料的强度、抗疲劳性能、抗腐蚀性与组织稳定性等特点。 1试验材料和方法 试验采用2024挤压棒材，规格格21mm， 其化学 成分(质量分数%)：0.19Si， 1.5Mg， 0.15Fe，4.5Cu，0.55Mn， 0.00Cr， 0.02Ti，0.03Zn， 余量为Al. 固溶采用 RX4-60-8型箱式电阻炉，深冷处理采用自制深冷处理箱，时效采用 SLH101-2型数显电热鼓风干燥箱，淬火采用自制水槽，水温控制在20±5℃。金相腐蚀剂采用低浓度混合酸，即体积比 HF： HCl：HNO3： H2O=2：3：5：190，晶间腐蚀采用腐蚀剂1LH2O、57gNaCl、10mlH2O2， 金相显微组织采用 AX10 ZIESS显微镜观察；力学性能测试采用 AG-X100KNH 电子万能试验机拉伸，疲劳性能采用 Amsler 100 HFP 5100 高频疲劳试验机测试；断口在扫描电镜下进行分析。试验工艺制度如表1. 试样编号 固溶温度 固溶时间 深冷温度 深冷时间 时效温度 时效时间 1# 495℃ 1h — 185℃ 7h 2# 495℃ 1h -196℃ 30min 185℃ 7h 3# 495℃ 1h -196℃ 1h 185℃ 7h 4# 495℃ 1h 196℃ 2h 185℃ 7h ( 作者简介：王彦俊(1984-) ， 男，大学本科，工程 师 ，主要从事铝合金、模具钢热处理工艺和失效分析等方面研究； ) ( 电话：13 8 41951241； E- m a i l： wyj8334057@126.com. ) 2.1显微组织分析 通过试验可知，2024合金未经过深冷处理与经过深冷处理的显微组织具有很大的差别。如图1中a、b可见，经过深冷处理的该合金晶粒度明显要比未经过深冷处理的晶粒度细小且均匀；2024的合金组织主要为 α-Al基体、第二析出强化相(CuAl2)和难溶相， 如图c、d可见，未经过深冷处理的其组织中含有许多大块难溶相，而经过深冷处理的大块难溶相基本溶于铝基体，且析出的均匀细小的强化相，弥散分布于铝基体中。 图1 a) 1#晶粒度 b)2#晶粒度c)1#显微组织 d)2#显微组织 Fig.1 a) 1# grain size b) 2# grain size c) 1# micro-structure d) 2#micro-structure 2.2力学性能分析 对2024铝合金用不同工艺处理的试样进行拉伸，结果如表2所示。可知，与1#试样未经过深冷处理相比较，经过深冷处理的2#、3#、4#试样，其抗拉强度、伸长率都有所提高，屈服强度变化不大，反而随着深冷处理时间的增加有所降低。根据中南大学陈鼎、黎文献通过研究发现1：铝合金材料在深冷处理适当时 间可使材料内部产生大量的位错和亚晶等，合金内晶粒发生偏转，形成择优取向的新结构，当这种晶粒取向有利于阻碍位错移动时，材料的强度性能得到提高；当深冷处理时间过长，驱动能增大，促进析出第二相向稳定状态转变0`一0，从而导致强度降低。 表22024合金力学性能 (Tab. 2 mechanicalproperty of 2024 aluminum alloy) 试样编号 1# 2# 3# 4# 抗拉强度 MPa 536 571 552 541 屈服强度 MPa 446 447 445 438 伸长率% 11.4 13.4 12 12.04 2024铝合金采用不同工艺处理的试样进行高频疲劳试验，结果如表3所示。可知，经过深冷处理的合金要比未经过处理的循环次数提高了许多，表明经过 深冷处理工艺的试样，其抗疲劳性能得到大大提高；而在不同深冷保温时间下，2#试样经过深冷处理30min其循环次数最高，抗疲劳性能最佳。 试样编号 最大应力 MPa 频率HZ 循环次数/周N 状态 1# 300 97 1.03×10° 断裂 2# 300 96 5.52×10 断裂 3# 300 97 4. 27×10 断裂 4# 300 95 4.47×10° 断裂 通过扫描电镜观察1#、2#试样断口，特征均有一个裂纹源。如图2中a、b所示为裂纹扩展区形貌，未经过深冷处理的试样微观特征主要为较深韧窝，在韧窝内有少量大块第二相质点，在断面上可见孔洞和二次裂纹；经过深冷处理的试样微观特征韧窝较平坦、较浅，在韧窝内有许多细小第二相质点，无二次裂纹。经分析未经过深冷处理二次裂纹产生的原因是由于合金基体内残余应力导致的，而经过深冷处理的合金降 低了残余应力对2024合金组织的影响。 通过 HHS-21-6数显恒温水浴锅，对1#、2#、3#、4#试样进行晶间腐蚀，结果发现经过深冷处理的合金抗腐蚀性普遍有所提高，但随着深冷处理时间增加抗腐蚀性有所下降。如图2中c、d所示为1#、2#试样晶间腐蚀，经过深冷处理 30min 后的试样抗腐蚀性较未经过深冷处理的试样提高许多。 图2 a) 1# SEM b) 2# SEM c)1# 晶间腐蚀 d)2#晶间腐蚀 Fig.2 a)1# SEM b) 2# SEM c) 1# intercrystalline corrosionn d) 2# intercrystalline corrosion 综上分析，2024合金在深冷处理30min 过程中产生大量的位错和亚晶结构12，从而使晶粒细化，形成细晶强化， 由 Hall-Petch公式3可知，晶粒越细小，其材料的抗拉强度越大；通过深冷处理进一步增大了形核驱动力和形核率，促进大块难溶相溶于基体，更有利于析出第二相，但随着深冷处理时间的延长，驱动能逐渐增加，使析出第二相向稳定状态转变0`一0，从而导致强度降低。根据相关文献4深冷处理可消除铝合金残余应力，在组织和性能得到改善的同时，合金的疲劳性能和抗腐蚀性能得到提高。通过试验比较未经过深冷处理的2024合金基体内含有大量的淬火 残余应力，由于残余应力没有有效释放，疲劳断口呈现大量的二次裂纹；经过深冷处理 30min 后的合金，内应力得到释放，疲劳性能和抗腐蚀性能都得到提高。 3结论 (1)2024铝合金经过深冷处理后，可降低合金淬火残余应力，细化晶粒，促进第二相析出。 ( (2)深冷处理 30min， 合金的力学性能、疲劳性能、 抗腐蚀性能，效果提高尤为明显。 ) ( (3)随着深冷处理时间增加，析出第二相向稳定状态转变0`一0，从而导致强度有所降低。 ) ( (4)通过上述试验， 2 024最佳深冷处理工艺为495℃ ×1h 固溶+(-196℃×30min) + 185℃×7h。 ) ( 参考文献： ) ( [1 ] 陈鼎， 黎 文献.深冷处理下铝合金的晶粒转动：《中南工业大学学报》，2000， Vol.31， No.6， pp544-547 ) ( [2]汤光平，黄光荣.循环热处理对铝合金性能和组织结构的影响 [J].金属热处理，1998.( .(5)： 3 6-38 ) ( 3 3 ] 陶杰，姚正军，薛烽.材料科学基础[M].北京：化工工 业 出版社，2006.428-430 ) ( [4 ] 王秋成，柯映林.深冷处理消除7050铝合金淬火残余应力的研究.浙江大学学报(工学版)，2003， V ol. 37 No. 6，pp748-751. ) 采用深冷技术处理 2024 铝合金，通过对组织和性能分析，研究深冷处理对 2024 铝合金综合性能的影响：包括显微组织、力学性能、疲劳性能、抗腐蚀性及残余应力等的影响；结果表明：采用 495℃×1h 固溶+（-196℃×30min）深冷处理+185℃×7h 时效，2024 铝合金的综合性能最佳，具有高强度的同时，显微组织、疲劳性能、抗腐蚀性、降低残余应力等均有很大改善。