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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-Si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【3~6】
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加先逐漸上升至最大硬度再逐漸下降,而溫度在110℃~130℃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(fullycoherency),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(naturalaging),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(artificialaging),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(partiallycoherency),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
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。
8.參考文獻
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MicromechanismsinParticle-hardenedAlloys"
CambridgeUniversityPress,1980,pp1~78.
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圖1:
Al-Cu平衡圖及富Al之部份平衡圖【3,6】
圖2:
Al-5%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:
Al-5%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)
2014
495~505
約175
約8
2017
-
2117
495~510
2108
500~520
約170
約10
2024
490~500
約190
8-16
2025
510~520
約12
4032
505~520
6151
510~525
6061
515~530
6-10
7075
460~490
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)
<
0.5
10
20
5
0.5~0.8
15
25
7
0.8~1.6
30
1.6~2.3
35
2.3~3.2
40
3.2~6.4
55
6.4~13
45
65
13~25
60
90
每再增13
+20
+30
圖4:
Al-4%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【6~8】
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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