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1、精选优质文档-倾情为你奉上铝合金综合热处理 高革编译高云震校 736一、提高强度到目前为止，强化铝合金的热处理是一般的热处理，同时也是很重要的。这里主要从生产的观点出发，介绍有关提高变形铝合金材料强度的热处理方案。通常，在时效硬化处理方面，铝-铜系的杜拉铝等首先出现并进行固溶热处理和淬火热处理。其次，铝-镁-硅系合金(6063)和铝-锌-镁系合金(7N01)利用它们的良好的“淬火性”，在热加工后直接进行淬火处理，在很多情况下不特意重新进行固溶热处理。特别是，挤压制品这种倾向较强，也有挤压热处理的说法。如果前者是正规的热处理，而后者就是合理化的简易热处理，在提高生产率上大量使用。因此，作为综合热
2、处理方案，首先按次序说明提高强度的正规热处理过程，然后介绍在合理化热处理过程中根据合金种类可能强化的适当程度。 1.固溶热处理和淬火处理固溶热处理是把作为硬化的主要合金成分固溶在基体中，然后用淬火、回火(时效)进行硬化的必要热处理。图1示出以铝-铜合金为例的平衡状态图。在溶解度线以上的高温(A)下溶质原子铜大体完全固溶，而在溶解度线以下的温度(B)或(C)之下铜原子析出。当从(A)点开始快速冷却时能获得(A)的状态，不是(B)、(C)的状态，可使铜过饱和固溶。在这种场合下为了形成(A)的状态进行加热使溶质固溶，这种处理称为固溶热处理。然后进行快速冷却，使(A)的状态在常温也保持下来，这种处理称
3、为淬火。固溶热处理成为淬火的前提，因而通常也是包括淬火的热处理。图1铝-铜合金的部分状态图代表性的时效硬化铝合金的固溶热处理温度和熔化温度范围列于表1。由表1中可看出固溶热处理温度的上限接近于熔化温度范围的下限，由此对固溶热处理温度的控制必须充分的注意。固溶热处理以在固相间元素扩散为基础，因此只有温度高时有利，但是，如果超过规定的最高温度，共晶体就溶化，从而合金物理性能下降。此外，过度的加热能使金属表面剧烈地产生气孔。如果温度比规定的最小值还低，就不能达到完全固溶化，也不能获得最大的机械性能。图2示出固溶热处理温度对2014-T4及2014-T6材料机械性能的影响，由图2可知，获得稳定强度的温
4、度范围小。表2列出变形材料固溶热处理时必须保持的加热时间。最短的保持时间取决于能获得对材料要求的机械性能，因此断面的厚度增加，保持时间就要增长。图2固溶热处理温度对2014-T4，2014-T6机械性能的影响当用空气炉加热时，保持时间过长，就会有增加高温氧化的危险。当用盐浴炉或用气体介质调整适当的空气炉时，保持时间为表2中示出的数量的几倍也是安全的。对包复金属的制品在保证获得所要求的机械性能前提下，保持时间要求在最短限度内。如果保持时间比此限度长，基体合金成分就向包复的金属层扩散，抗腐性受到损失。为了使固溶热处理状态在室温下固定下来，必须由固溶热处理温度开始快速冷却，在冷却过程中不使合金元素产
5、生析出。由于材料不同，在冷却过程中，有的容易产生析出，有的不容易，这样的性质称为淬火性。例如，图3示出7075，6061及7N01合金的淬火速度与获得的强度的关系。图37075，6061及7N01合金的淬火速度与获得的强度的关系对7075，2014，2017，2024及7178等高强度合金来说，由于淬火性不良，因此实际淬火的操作要快，并且必须在水量充分或循环的水中进行全浸淬火。当淬火结束取出被处理的材料时水温最好不超过38。浸渍淬火的最慢时间示于表3。淬火转移时间就是从炉门打开时或淬火料的前端从盐浴里出现时开始，到该料的末端浸渍在淬火水糟内终了时为止。7N01合金或淬火性比6061合金更优越的
6、6063合金在空气中冷却时强度下降较少，即能进行挤压热处理。图4硬化成分的固溶限度控制这些处理的重要性在于固溶热处理温度，保持时间及在淬火的情况下从(A)开始冷却的速度。如果固溶热处理温度(A)在溶解度线和固相线之间，则要适当地加以区别，但是很多情况下溶质原子也具有固溶以外的意义，一般采用比固相线大约低50的温度。各种成分的溶解度曲线示于图4，从图中可知，有很大的差别。淬火的冷却速度根据淬火敏感性在工业上也分别采用水中淬火、加入应变防止剂的水淬火、温水淬火、油淬火、喷雾淬火及空气淬火等。淬火用快速冷却法上面已经介绍，而淬火敏感性迟钝的材料用相当缓慢的冷却方法也有效。按照淬火的敏感性有相对的方法
7、，一般快速冷却采用水冷。 2.时效和析出的处理众所周知，固溶热处理过的材料，以时间和温度为主要因素，从过饱和固溶状态产生析出，在此过程中材料的强度增加。这种现象称为时效现象，它是继固溶热处理的重要的过程。一般在室温下引起的时效叫做自然时效，在高温下引起的时效叫做人工时效。前者也称为低温时效，后者也称为高温时效。在室温时效时，时效速度缓慢不能达到最终值，而在高温时效时，时效速度达到最大值后引起软化。这种现象称为过时效。图52014，6061合金板材的人工时效条件与强度的关系图5是2014，6061合金板材的高温时效曲线，根据时间和温度的因素来了解淬火时的强度变化。表4是实用合金的析出处理条件的一
8、个例子。用日本工业标准标号表示，T4状态为低温时效，T6为高温时效。某些合金在热加工时就呈固溶状态，不用淬火处理，而只用析出处理也能获得强度。6063挤压的材料的T5处理是其代表性的处理。在生产过程中，时效处理时的生产技术上的问题，不比固溶处理时少。因此更详细些就涉及到时效处理的机理。如上所述，固溶热处理室温过饱和固溶时效硬化发生性质上的变化，这是由于在过饱和固溶体的分解过程中合金结构发生了变化，因此关于形成什么样的析出相，过去就进行了大量的研究。现在，对研究最多的了解详细的铝-4%铜合金的强化机理为例加以说明。图6示出在两种时效条件下铝-4%铜合金析出硬化的区域、中间相的范围与硬度的关系，由
9、此形成过饱和固溶体G.P(1)G.P(2)CuAl2的序列。图6铝-4%铜合金在2种时效条件下时效硬化时组织对硬度的影响由于在室温那样比较低的温度下形成G.P区，因而在一定的临界温度以上加热时变为不稳定和再固溶。由于这样原因，在时效硬化时强化的机械性能可以返回到固溶处理后(沾火当时)的软质状态。这种现象称为回归。例如，铝-4%铜合金进行常温时效，产生G.P区，如果再把它在200下加热1分钟左右，就恢复到淬火后的状态。时效硬化的机理从位错理论来说，由于存在上述那样的析出质点，可根据位错运动妨害的程度情况来说明。表5示出了主要形成G.P区的低温时效和主要形成中间迁移相的高温时效的区别、它们的机理及
10、与它们有关的事项。为了获得最高的强度，只要使位错不剪断的刚性率大的中间相能够均匀细化，它就会大量的分散。在实用的时效合金中，尤其是在低温即室温下时效硬化的合金中，低温时效成为第一阶段时效，继续进行高温时效时，高温时效成为第二阶段时效。在一般的时效过程中，第一阶段时效温度和第二阶段的时效温度有差别时，称为两阶段时效。如果所有的材料用两阶段时效的方法能够改善机械性能，那么利用时效的优点也可显著地减少工时，但是从用两阶段时效改善性能来看，由于这种方法不平常，因而变成了麻烦。实用时效铝合金中易受这样影响的有铝-锌-镁系合金及铝-镁-硅系合金。铝-锌-镁系合金固溶热处理温度低，不但淬火时的冷却速度对强度
11、影响小，而且在室温下强度恢复的效果也良好，因此作为焊接结构材料得到广泛应用。然而在比室温还高的温度下进行时效时，固溶热处理淬火后立即进行高温时效莫如在室温下放置3-7日后进行时效获得的强度更高。图7示出7N01合金的一个例子。图77N01合金在室温下预备时效的效果此外，铝-镁-硅合金如图8所示，Mg2Si含量在某些程度以上时淬火后立即在高温下时效比淬火后在室温下放置，然后又在高温下时效的强度高，但是Mg2Si含量0.9%以下的合金进行预时效，强度良好。6061合金不在室温下进行预处理较好，而对6063合金最近考虑其挤压性，Mg2Si含量比较少时，与铝-锌-镁系合金相同，挤压后在室温下时效比其后
12、在高温下时效有着较高硬化。图8铝-镁-硅系合金的组成和预时效的作用(160，16小时时效)热处理后经过淬火的材料由于存在过饱和固溶体所以呈不稳定状态，在常温或比常温稍高的温度下溶质原子析出，向平衡状态变化。伴随这过程，可热处理合金时效产生硬化，所以称为时效硬化处理。在常温或常温以上的温度区分自然时效和人工时效，后者也称为回火。一般在析出过程的初期(G.P区析出)或中间(中间相析出)时期强度最高。析出进一步进行时到强度下降变成过时效为止。时效处理温度根据合金而不同，2017，2024等在常温下放置能充分硬化(进行充分时相当于T4状态)。2014，6061，6063合金等在150200下加热，可使
13、硬化达到充分(相当于T6状态)。7074合金和新日本工业标准的7 N01等铝-锌-镁合金全采用T4，T6。 3.挤压热处理占现有挤压型材大部分的6063合金和近几年出现的7N01合金等多数用挤压热处理。由于挤压时合金元素固溶化，因此挤压热处理变为可能，其成否取决于合金的种类和铸块的热处理等。图9示出挤压加工中温度分布的情况。一般挤压温度比合金固溶温度低，由于在加工中产生变形热，材料在靠近模子时温度上升，因此析出物也能再固溶。为了进行这样过程，在挤压前一定要进行均匀化热处理，但是不好的是在其冷却过程中析出物变得太大。此外必须迅速加热到挤压温度。表6列出6063铸块在560下均匀化热处理后以不同速
14、度冷却到室温，又经过感应加热后在480下所挤压的棒材经过时效后的机械性能。均匀化热处理后用炉子冷却的铸锭的析出物变大，挤压时不能充分再固溶，因此时效后的强度不良。图9挤压热处理和温度的分布表7列出7N01合金挤压型材的抗张性能与铸块均匀化热处理的关系。铸块在465下经过8小时的均匀热处理后，在430下挤压，在室温下时效一个月，或者挤压和用空气冷却之后在120下回火24小时的型材强度比没有经过铸块均匀化热处理的型材强度要大10公斤/毫米2左右。把挤压制品在465下固溶热处理后，也同样进行时效处理，这种倾向没有发生变化。这是由于7N01合金中含有的铬、锰、锆等过渡元素在铸块均匀化热处理过程中微细地
15、析出，促进挤压纤维组织的形成而造成强化的缘故，一般都把这作为挤压效应来了解。此外，6063合金或7 N01合金由于经过挤压后在静止空气或流动空气中(吹风冷却)冷却，淬火充分，从而可省略挤压后固溶热处理过程，不用说，这在经济上很有利。为此，合金的淬火性成为注意的问题。6061合金和淬火性不良的2017，2024合金等挤压型材从模子挤出后应立即浇水，即骤冷处理。图106063合金挤压热处理循环周期这种处理的材料与正规固溶热处理的材料相比，其晶粒度细，有很多的挤压纤维组织，如果淬火处理完成得均匀充分，则强度良好。对6063合金和6061合金挤压热处理的周期加以比较，示于图10和图11。6063合金在
16、500下挤压后在450200之间以1/秒的冷却速度冷却，可获得相当高的强度，而6061合金冷却速度不大于10/秒时，强度显著降低，因此一般的型材要进行骤冷处理。图116061合金挤压热处理的周期这样一来，在由高温开始以较快的速度冷却的状态下主要硬化因素Mg2Si呈固溶状态，所以它对更大的强化没有作用，但是在接近200的温度下进行回火处理，就产生微细的析出物，达到最高强度。如果在450200间冷却速度缓慢，则在冷却过程中Mg2Si变大，疏散地析出，对其后的时效硬化没有作用。主要硬化的因素Mg2Si越多，特别铬、锰、锆等过渡元素的添加量越多，在冷却过程中Mg2Si的粗大析出物就越多，即淬火性变坏。
17、二、均匀化和加工性改善 1.铸块的非均匀性一般，加工用的铝合金铸块是用连续铸造法铸成。采用连续铸造法时冷却速度比用其他铸造法的快，易引起过冷却，并且因相间的扩散比用缓慢冷却铸造法的慢，这种倾向很强，因此具有易引起宏观组织偏析和显微组织偏析的倾向。图12及图13示出其一例。图12连续铸造铸锭时液穴形状、凝固速度及晶粒尺寸的变化图13在A、B、C的位置上晶粒显微组织图12示出了用连续铸造法铸造扁锭时液穴的形状、凝固速度及晶粒尺寸在扁锭厚度方向的变化。而图13示出了图12中(A)(C)各位置的晶粒组织。这样，在大型铸块中不可避免地产生宏观组织及显微组织的偏析。而这种偏析使热加工性能下降，同时在铸造时
18、过饱和固溶元素的析出和再固溶对最终制品有很大影响，因此，一般在热加工时对铸块预先进行均匀化热处理。下面就铸块的均匀化热处理对产品的影响加以梗概的介绍。 2.铸块的热处理当由铸块制取变形合金材料时首先要进行热加工，因为铝的变形阻力在热状态比冷状态下的低得很多，在热状态下容易进行变形。为了改善热加工性和制品质量，进行均匀化热处理，在表8中载出各种各样合金铸块的标准均匀化热处理的加热条件(也包括热加工前的再加热)。下面对有代表性的工业纯铝、铝-锰系合金、铝-镁系合金、时效性的铝-镁-硅系合金等加以说明。(1)工业用纯铝在工业用纯铝板的各种性能之中特别重要的是深拉时产生制耳的比率和临界深拉比等的成形加
19、工性。铸块的热处理及其随后的热轧对这些成形加工性都有很大的影响，这是由于铸块中含有的杂质铁和硅的固溶和析出对以后的加工和再结晶的行为有影响。图14示出铸块的预热对最终制品的深拉制耳产生的比率和极限深拉比的影响，它是对含0.6%铁，0.15%硅的工业纯铝试验的结果。从导电率来看，在350450下析出，在500640下固溶，照此深拉产生的制耳比率和临界深拉比有变动。这样对最终制品的质量起主要影响的因素铁和硅的行为有很多地方弄不清楚。成形加工性的差别起源于在加热条件变化的情况下铁和硅的固溶析出状态的差别，因而在铝板的制取过程中当铸块加热和热轧时的条件(加热条件)也是最重要的。图14铸块的预热对工业用
20、纯铝退火板的深拉制耳比率和临界深拉比的影响。因此，为了成形加工性稳定化，必须在热轧前后适当地进行温度控制，而关于铸块的温度后面介绍，因此这里省略。(2)铝-锰系合金铝-锰系中代表性合金3001的晶粒容易粗大化，这样，在加工过程中每个阶段上和最终加工的板材上产生条纹，当受深拉的塑性变形时出现伤痕缺陷。此外，在最终退火时再结晶晶粒粗大的板材也出现疙瘩状的表面缺陷。为了改善这种缺陷，通常对铸块进行长时间加热。首先，在第一阶段均匀化热处理时550625高温下保持724小时以求铸块组织均匀化，然后在第二阶段于400500下保持748小时，最好使固溶的锰大部分析出。另外为了再结晶晶粒的细化用快速加热法进行
21、最终退火有效，关于这一点后面介绍。(3)铝-镁系合金铝-镁系合金大多数分为两类。一类是以最终制品的光亮性和成形性为重点的合金，另一类是以强度为主的结构用合金。前者代表性的是5 N01合金，后者代表性的是5052、5083合金。一般对光亮性合金必须严格控制铁、硅等杂质的含量，并且为了使这些元素固溶，通常在520580下进行均匀化热处理。另外以强度为主的5083合金为了改善热加工性最好在520540下充分加热。图15示出了5083合金铸块的热处理对临界挤压速度的影响。图155083合金铸块热处理对临界挤压速度的影响此外，当含镁量多的合金进行均匀化处理时，如果进行快速加热就会有引起共晶溶解的危险。但
22、是，当快速加热不可避免时，必须进行二阶段均匀化处理。即第一阶段在450的低*含有0.10.2%锆。温下，而第二阶段在所定的高温下进行热处理。表9示出了加热速度对各种合金共晶溶解的影响。(4)析出硬化型合金在析出硬化型合金中6063合金是特别重要的，对其挤压加工性的改善也成为重要的问题，由此对铸块进行HO热处理。在这方面，铸块的加热温度高，时间长，效果就好，但是，莫如控制其后的冷却速度，这对挤压性的改善有作用。如铝-0.5%镁-0.4%硅合金铸块在560下加热后以不同的速度冷却到室温，在480下再加热后进行挤压，挤压的结果示于图16。冷却的速度越缓慢，挤压性越高，但是，由于时效后的强度下降，因此
23、必须把冷却速度控制在200500/小时范围内。图166063合金的均匀化热处理后的冷却速度与挤压速度和时效后的强度的关系此外，不仅对铝-镁-硅系合金，而且对其它析出硬化型高强度铝合金也都用铸块均匀化热处理的方法使其热加工性得到很大的改善。 3.加热时铸块温度的分布当铝合金铸块进行均匀化热处理时和热加工前加热时成问题的是铸块温度分布的差别。这种加热时的铸块温度的差别根据加热形式而大小不同，因此下面关于代表性的加热炉和铸块温度的分布加以介绍。(1)铸块加热炉在铸块加热方面有组织均匀化加热和热加工加热，最好根据不同的目的变换加热炉，但是也有完成二种目的的情况。大量大型铸块在高温下长时间保持的炉子有坑
24、式炉、间歇式炉及卧式连续加热炉。均匀化热处理用的最好是坑式炉和间歇式炉，实际也作为板坯毛料加热炉来用。表面经过铣削的铸块由于表面光泽的作用而不能良好地吸收辐射热，因此加热主要靠传导和对流。因此，为了在高温下保持温度均匀，必须使炉内的空气保证良好地流动。另外为了热轧，气流也必须保证良好地流动。再有，作为热轧预热用卧式连续加热炉非常便利，在工业上广泛使用。这种炉子由于铸块连续地出入，因此适用于同种合金的大量生产。此炉的炉身较长，如果在加热区域保持时间长，则可利用它作为某些程度的均匀化热处理炉，另外，挤压毛坯的加热一般采用感应加热的方式，但是由于加热速度快，毛坯易产生过热，从而成为共晶溶解和晶粒粗大
25、化的原因，对此要注意。(2)铸块的温度分布铸块加热时加热方式对温度分布有很大的影响，这里对铝合金铸块的温度分布举例说明。作为铸块的温度分布必须考虑在铸块的厚度方向、宽度方向及长度方向的温度差，而图1820示出了根据传热计算得出的铸块加热冷却时温度分布的情况。图17中示出了厚度(A)30-60厘米的铸块在坑式炉中于500下加热时铸块表面与中心的温差随时间的变化。在此例中明显看出铸块表面与中心的温度差较小，几乎不成问题。厚度方向的温度差和宽度方向的温度差同样也比较小，也不太成问题。图17铸块厚度对铸块厚度方向温度差随时间变化的影响但是在热风从炉床上方吹的坑式炉中，铸块长度方向上产生很大温度差。图1
26、8示出了厚为3060厘米，长为2.5米的铸块在坑式炉中于500下加热时在铸块的头部和尾部上产生的温度差随时间的变化，以铸块厚度为参数，而在铸块长方向上存在很大的温度差。图18用坑式炉加热时铸块长方向产生的温度差随时间的变化图19热轧前铸块温度下降的情况在卧式连续加热炉中几乎不产生在铸块长方向上的温度差，因此认为卧式连续加热炉比坑式炉更适用于热轧前的加热。此外图19中示出了厚为50厘米的铸块在500下加热出炉后的自然冷却曲线，而出炉后温度下降得相当显著。因此，为了达到产品质量的稳定化，要适当地控制均匀化温度、再加热温度及热轧温度，很好地考虑图1718示出的条件，极其重要的是对炉子的操纵。 4.最
27、终热处理时的问题一般，铝合金变形材料进行热加工、冷加工后退火、淬火及回火等热处理，这是普通的事情，关于其最终热处理条件决定其制品性能方面不加多说。在本节关于热处理只提出二、三个问题。(1)最终退火当铝板进行成形加工时，成问题的是表面粗糙，这种现象成为在退火过程中产生粗大晶粒的原因。决定这种晶粒大小的条件是合金组分和加工过程等软化条件，比如最高加热温度、保持时间及加热速度认为也是主要原因之一。其中关于加热速度的影响是众所周知，除非常高纯度铝之外，一般加热速度越快，晶粒越细。为了用快速加热方法达到晶粒细化，采用反射加热方式，从而近来发展了更大规模的和自动化的热处理装置，已经供给实际应用。图20示出
28、一个例子，称为快速连续热处理，其中用薄板开卷装置、转环型坑式加热装置、水冷却装置、干燥机、矫直机、完工设备、检查设备及卷卷装置等。图20快速连续热处理装置加热的方式是：从炉顶和炉床喷射热风，在加热介质中使铝板浮游，即用空气缓冲器夹持，连续地移动。使用这种装置进行热处理时不仅比用间歇式炉进行软化时能获得更细的再结晶组织，而具有表面质量提高、应变或弯曲减少及能稍微调正一个卷质量的优点。这种热处理装置在日本也处在普及阶段。图21加工过的金属退火时引起的变化冷加工过的材料由于晶体排列不规则，因而具有较高的应变能，但是进行加热时如图22所示，引起晶体再次排列，减少应变能，向稳定状态移动，达到再结晶完了为
29、止。这样变成最软化的状态称为退火。对变形材料实行退火，就相当于O状态。此外，根据加工状态可选择适当程度的退火加热条件。从图21的强度图中可了解这种情况。这种处理处在强度对温度的敏感性的虚线范围内，因而温度不严格控制时误差就增大。这种处理可用在不可热处理合金上(相当于H2n状态)，在相同的程度上与H2n相对应，而采用这种处理时具有延伸率大及深拉加工性良好的优点。软化曲线很大程度上取决于合金种类和加工过程，特别取决于最终加工率，因此最好每次要求达到正确。此外，由于退火在冷加工中间进行，因此更多地用最终冷加工率调整状态(相当于H1n状态)，根据目的组成不同的配合。(2)稳定化处理铝-镁系合金在加工硬
30、化状态下于常温下长时间放置时拉伸强度及屈服点以及抗腐性都有些下降，而延伸率增大。这种现象称为时效软化现象。为防止出现这种现象进行稳定化处理，即H3处理。一般在150以上的温度下进行1-6小时的热处理。图22示出了以不同的最终冷加工率(84.5%，78.2%及69.1%)加工的5082合金板材(厚0.37毫米)在140-220之间的各温度下进行5小时稳定化处理时的拉伸强度变化和它们在205下加热10分钟时的拉伸强度。图23示出了图22示出的试料深拉制耳率及埃里克森值。在这稳定化处理的范围内深拉制耳率的变化几乎没有看出，但是埃里克森值随着处理温度的上升而提高。图22稳定化处理温度和空气加热处理对5
31、082合金板拉伸强度的影响图23稳定化处理温度和空气加热处理对6082合金板深拉性的影响图24中示出铝-6%镁合金长期放置时机械性能的变化。按此图加工率越高，特别屈服点越下降。由于对此种材料多数重视强度，因此为了防止屈服点下降，在多数情况下冷加工后在150下进行1-4小时的低温加热，完成稳定化放置。这种处理称为稳定化处理，状态标号用H3表示。适用这种处理的合金有：5005，5154，5052，5083及5056等，而特别需要这种稳定化处理的是后二种，除此之外强度下降的量少。此外，适应于H2处理的合金当然不必要这种处理，其实用的也较多。图24铝-6%镁合金冷加工后在常温下放置时机械性能的变化三、
32、减少变形 1.有残余应力(应变)的材料的问题重点在介绍减少应变的各种方法之前，举例介绍有关残余应力大的材料能发生什么样的事故？图25示出了厚为126毫米，宽为290毫米，长为3500毫米的7079合金自由锻件经过固溶热处理和人工时效后，对T6锻件进行非对称性切削时产生的弯曲量(大约63.5毫米)的例子。这样形状的锻件在实用上有问题，其解决方法后面再作介绍，考虑其原因是由于固溶热处理后急冷(水冷)时产生很大的残余应力(表面压缩，中心拉伸)的缘故。这样，当残余应力大的锻件进行机械加工时不可避免地产生很大的弯曲。图25对7079T6自由锻件进行非对称机械加工时产生的弯曲量此外，不进行这样机械加工时又
33、怎样呢？还是有问题。对抗应力腐蚀裂纹阻力小的7075合金T6材料，如果不特别注意，则经过热处理时材料具有的残余应力导致出现应力腐蚀裂纹，这样的事例是有的。把断面积大的锻件在处理前钻孔放置，如果固溶热处理后水冷时孔内和孔外的冷却速度相同，则表面受压缩，厚度中心部分受拉伸，实际不是这样，由于孔内冷却速度一定缓慢，因此外面产生压缩残余应力，而孔内产生拉伸残余应力，孔内面与大气接触，长时间放置时产生应力腐蚀裂纹，裂纹从孔内向外侧沿晶界发展(见图26)。孔内外两面冷却速度相等时，内外层都有压缩残余应力，而在厚度中心部分存在拉伸残余应力。孔内冷却速度比外面缓慢时，外面存在残余压缩应力，孔内存在拉伸残余应力
34、，特别冷却方法不受控制时，在圆筒内一般表现出这样的分布。图26厚圆筒(孔径较小时)的冷却速度与残余应力分布的关系这样一来，热处理产生的残余应力引起机械加工时在被加工件上产生挠曲、弯曲和椭圆等不良的变形，就是不机械加工时也出现应力腐蚀裂纹和疲劳强度下降的难以预料的状态。由此，残余应力的大小决定制品的成本高低，同时也对材料的性能有决定性的影响，这种情况不加多谈。 2.热处理时产生残余应力及其防止方法热处理后产生的残余应力称为热处理残余应力，在热处理型铝合金上由于固溶热处理后的急冷(多数用水冷)产生残余应力。例如，图27所示，该图示出了对热处理型铝合金的圆锭急冷时经过的时间、温度和残余应力分布的变化
35、过程。圆锭的表面和中心的冷却速度必然不同，如图27(A)示出的曲线。冷却开始时首先只在表面冷却，进行收缩，表面受拉伸应力作用，而中心受压缩应力作用。然后这种应力(见图27(B)随着表面和中心的温度差的增加而增大，随温度差减少而减少，如图27(C)前半图的变化。但是，由于铝合金在高温下具有塑性，因此这种应力使表面产生拉伸，中心产生压缩的塑性变形，这样材料产生的残余应力由此变为缓和。同时如图2(A)示出那样，由于存在温度差，因此进一步进行冷却就会消除温度差，如图27(B)后一半那样，残余应力返回，在表面和中心完全冷却状态下一般表面受压缩，中心受拉伸。图27对圆锭急冷时，时间、温度及应力的变化过程因
36、此，消除热处理残余应力，要从固溶热处理后的冷却速度的不均怎样地变为均匀来着手，但是直径大的棒材或复杂形状的型材完全均匀化，在理论上是不可能的。而用选择适当的冷却条件的方法减少残余应力，向这方面过去作过努力，并作了许多的试验。图28示出了当控制2014合金圆锭(76毫米长227毫米)的固溶化热处理温度和冷却条件时在290400的冷却过程范围内的冷却速度与最大残余应力(拉伸十压缩)的关系，冷却速度越快，最大残余应力越大。由此，用变化冷却介质的温度或组成的方法能减少残余应力。图29示出7075-T6厚板(板厚为50.8毫米)的冷却水温度对残余应力的影响，应力分布都是表面压缩，中心拉伸，而温度越高，残
37、余应力绝对值越小。为此，断面形状复杂的锻件采用温水淬火。但是，冷却速度过于缓慢时由于在冷却过程中可热处理合金里容易溶入的合金元素析出，强度显著下降，引起晶间腐蚀，因此一般最好在82以下的水中淬火。图282014-T4圆锭(76毫米227毫米)的冷却速度和长方向残余应力范围图297075-T6厚板(50.8毫米)淬火时冷却水温对残余应力的影响例如：用7079-T6锻件制造飞机的起落架(孔径100毫米长约760毫米)进行固溶热处理时变换各种条件进行了试验，试验的结果列于表10。用大约60的温水淬火存在的残余应力比用室温水淬火的小。但是，架装材料的位置，是否使用淬火工具及是否安装水管的影响也很大，为
38、了极力防止残余应力的发生还必须作出相当的努力。注：(1)孔径为100毫米，长为760毫米的型锻件(带孔的)。(2)在冷却水中浸渍时同时使用淬火工具。(3)从孔的开口部分通入水管。全部试样在闭口中心钻个直径为25毫米的孔。(4)1.离开口部分63毫米；2.-360毫米；3.-700毫米；4.闭口部靠上应变计测定应力。以上介绍了用水作冷却介质，但是某些铝合金铸件用油作冷却介质，确实在防止残余应力及变形上具有很大的效果，然而强度随冷却温度的下降而下降，冷却后在被热处理的表面上附着的油必须除掉。因此不能说是万能的。为此最近水溶性淬火油受到注重。这种水溶性淬火油主要成分是聚二醇，往其内添加微量的添加剂。
39、这种冷却介质是水溶性的，因此在淬火材料的表面上附着时容易除掉，它是非燃性的，因而不能发生火灾、烟及尘土等，使工厂有洁净的良好环境。图30示出了聚二醇与过去用的冷却介质所冷却的速度比较的结果。图302024合金板(厚为1毫米)从495开始在各种冷却介质中淬火时的冷却速度(425260之间的平均值)在容量上11%聚二醇水溶液与水相同也显示出相同的冷却速度。图31示出了7075合金板(1150200毫米)测定应变量的结果，用水冷却时应变量约为13%，与此相反，用11%聚二醇水溶液时降低到约4%以下。但是对淬火敏感性高的2024合金，如果用浓度过高的聚二醇溶液固然能防止应变，但是有的报告提出会引起晶间
40、腐蚀，因此不能说是万能的。图317075合金板(1150200毫米)在各种冷却介质中淬火时发生的应变量适合淬火材料的水溶性淬火油的选定是重要的，由此必须掌握根据浓度、液温及搅拌速度等的变化获得的冷却能力。以上介绍的是在固溶热处理后冷却过程中有效地防止残余应力或应变出现的方法。但是也有的提到，在采用这种方法还不能充分地防止残余应力发生的情况下或者在生产上不能组成那样过程的情况下，消除残余应力的方法下面再予以介绍。 3.消除残余应力的方法图32示出了2014-T6合金厚板(50.8152305毫米)的各种热处理条件和残余应力范围。一般2014合金在496507下进行固溶化热处理，然后进行水冷回火(
41、152166，1720小时)完成T6处理，但是如已介绍的那样在水冷结束的状态下产生表面压缩、中心拉伸的残余应力，然后借助回火处理稍微消除些，但还残留相当量的应力。图32冷却温度对2014-T6合金厚板(50.8152305毫米)残余应力的影响在这种状态下残余应力值示为16.7公斤/毫米2。然而要采用下列的方法，如图32所示，能消除相当量的残余应力。由于快速冷却产生残余应力，接着用快速加热方法可消除以前产生的残余应力，按照这样考虑的方案固溶热处理后的水冷材料，在尽可能低温的冷却介质中保持，从介质中取出后，用高速蒸气喷射，用这样的方法能消除实质的残余应力。比如，在-196的液体氮中保持，然后用高速
42、蒸气喷射，这样状态的在152166下保持1720小时进行人工时效的2014-T6材料的残余应力值也降低到上述的普通热处理材料具有的16.7公斤/毫米2的六分之一。这种方法称回升淬火处理。此外，不可热处理材料由于冷加工也产生残余应力，这种应力在适当的温度下加热就可消除，这种方法也是热处理消除法，但是在这种场合下不可避免地强度下降。图33示出5056合金管的加热条件对残余应力的影响。从图中不仅看出，5056合金管冷加工后由于加热残余应力怎样地减少，而且也看出机械性能怎样发生变化，残余应力随加热温度上升而减少。残余应力为零时温度是完全软化的温度。机械性能当然显示出软化状态。因此，有效地利用这种不可热
43、处理材料时使用条件可选为在实用上残余应力不成问题，并且机械性能没有比它还低的那样温度，无用地把残余应力变为零也是无意义的。图335056拉伸管(65厚7.5毫米)的加热条件对残余应力(圆周方向)的影响图34示出各种处理合金在沸水中淬火后，在250下加热，进行消除应力处理时的应力消除率，根据合金种类消除的倾向不同，但是应力消除率都随时间的增长而增大，2025合金大约保持1小时能消除100%。然而实际问题是：可热处理合金在沸水中淬火后又在250的高温下保持加热时不能获得理想的强度，因此不太实用。图34各种铝合金结构材料(1.56.3300毫米)固溶热处理后在沸水中淬火，在250下以不同时间加热时的
44、应力消除率(最初的应力为2.8，4.9，7.0，7.8公斤/毫米2)表11列出了具有代表性的可热处理合金2014及7075固溶化热处理后的残余应力值和对它们经过人工时效处理时的残余应力值加以比较的结果，根据人工时效处理的结果，残余应力值降低1020%。以上所述的是用某些热处理消除应力的方法，此外还有对被热处理材料给予一定量塑性变形消除应力的方法。一般，固溶热处理后，利用压缩加工消除内应力，然后回火，这种方法称为T652，利用拉伸加工消除内应力的称为T651。图35示出7079型锻件经过固溶热处理后进行约3%的压缩加工，然后再回火的材料和没有经过3%压缩加工的材料锯切后的应变量，从图可看出，利用
45、固溶热处理后进行压缩加工的方法可显著减少应变量。图357079合金锻件在T6及T652(固溶热处理后3%压缩加工回火)状态下的应变量图36是用拉伸加工求得的结果。在永久拉伸和残余应力值的关系上，如果根据此图在拉伸机上给予1%的永久拉伸变形，则残余应力值急剧变小，在1%以上的加工时没有形成更大的效果。因此在T651状态下约13%，在T652状态下约15%的加工量为宜。以上介绍了防止和消除残余应力的方法，然而各种方法都有其优缺点，目前没有发现决定性的万能的防止应变的处理方法。采用温水及沸水作冷却介质在成本上低廉，但是具有引起机械性能下降和晶间腐蚀的缺点，然而又受冷却介质成本高的限制。“回升淬火”花
46、费许多工时和大量的液体氮，因此不能达到广泛的应用。总的说来，固溶化热处理时的冷却方法还有改革的余地，这是事实，考虑今后要朝这个方向积极地研究，而通过厚度使冷却速度相等的方法，实际上也就是降低冷却速度的操作，因此在改革上也是有限的。此外，用机械拉伸及压缩(%)的方法消除材料上的应力，在方向上对均称形状的材料很适合。最近，在美国等的标准中可看到这种处理的状态记号。但是在复杂形状的锻件上不可能通过整体均匀地消除应力，并且断面积大的挤压制品或厚板当拉伸机能力不大时不能给予永久变形，这就遗留下了问题。因此不用说，使应力至少达到最低限度的方法是对铝合金材料的各种特性充分掌握之后，把上述的各种消除应力的处理方法适当地联合起来加以应用。图362014-T6，7075-T6厚板(44毫米)的拉伸效果冷加工过的材料和淬火处理的材料在内部残留应力。这些残余应力用矫直和热处理方法都不能适当地消除或完成均匀化。然而铸件不采用矫直方法，而在厚度差别大的铸件内，内应力特别大，如果部分地切除，则应力均衡遭到破坏，至使变形。对铸件在比再结晶温度低的温度下加热。根据厚板的淬火条件