形变热处理对合金力学性能影响机理分析

形变热处理对合金力学性能影响机理分析

裴剑

钢研纳克检测技术股份有限公司 北京市 10081

摘要：随着我国经济的持续快速健康发展，电力行业作为国民经济的保障发展十分迅速，同时远距离、大容量输电线路的改造也势在必行。提高导线综合性能的方法有很多，例如热处理工艺、变形工艺以及合金元素成分的优化。本文以适于作为铝合金导线的 Al-Cu-Mg 合金为研究对象，在确定合金成分后，主要探讨了形变热处理对合金组织性能的影响，确定较佳的形变热处理工艺。

关键词：形变热处理；合金；力学性能

形变热处理是对金属材料有效地综合利用形变强化及相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法。塑性变形增加了金属中的缺陷(如位错、空位、堆垛层错、小角度和大角度晶界等)密度和改变了各种晶体缺陷的分布。由于晶格缺陷对相转变时组织的形成有强烈的影响，所以相转变前或相转变时的塑性变形能用来使经受热处理的合金形成最佳组织。目前形变热处理工艺很多，主要有低温形变热处理、高温形变热处理、综合形变热处理及预形变热处理等。低温形变热处理主要的目的是通过冷变形获得亚结构组织，使析出硬化作用增强，提高合金强度。低温形变热处理广泛应用于铝、镁、铜合金及铁基奥氏体合金半成品与制品的生产中。

本文研究了低温形变热处理工艺过程，主要包括均匀化处理、热轧、固溶处理、冷轧及人工时效等工序。在这个工艺过程中，又主要研究了冷变形量工艺参数对合金组织与性能的影响及机理，通过分析对比不同冷变形量的效果，确定最佳的冷变形量。

一、均匀化热处理工艺

铝合金铸造凝固过程所产生的缺陷主要包括宏观偏析、缩孔及疏松等。对于变形铝合金，铸锭的组织状态即会影响铸锭的变形性能，也会对后续的加工以及最终制品性能产生非常稳定的遗传效应。因此，必须对合金铸锭进行均匀化处理。均匀化处理时，主要的组织变化是枝晶偏析消除、非平衡相溶解，同时可能伴有过饱和固溶体的分解、球化及晶粒长大等现象[58]。一般来说，合金的理论均匀化温度为0.90-0.95TM(TM为实际的铸锭开始熔化的温度)，但由于合金中都存在一定量的杂质元素，造成其多为多元系合金，因此应该通过改变均匀化处理温度以及保温时间，观察不同均匀化制度下的合金微观组织，重新制定相对较佳的均匀化处理制度，从而保证经过均匀化处理后铸锭具有良好的组织形态。

将(见表1)试样采用不同温度、时间进行均匀化退火处理，如表3.1所示。具体研究方法：首先在保持均匀化退火时间为8h时，探讨不同温度(500°C、530°C、560°C、590°C)下合金金相组织变化，确定最佳均匀化温度；然后在最佳均匀化温度下保温分别10h、12h、14h、16h，研究不同时间对合金金相组织的影响，继而确定最佳的均匀化时间。

表1不同均匀化制度

二、形变热处理对合金力学性能影响机理分析

通过对比T6处理对合金力学性能的影响，分析了形变热处理对力学性能的影响机理。图3.13为合金经过T6处理与形变时效处理的时效硬度曲线，从中可以发现，经过T6处理后的峰值硬度出现在7~8h左右，且峰值硬度仅有30HB；而经过形变热处理的合金峰值硬度在2h左右出现，峰值硬度有很大程度的提高，相对于T6处理的合金硬度峰值增加了约30HB；同时在形变热处理时，合金硬度时效3~5h后有一个下降的趋势。表3.3为合金分别经过T6处理与形变热处理后的力学性能，由表可知，与T6处理后的合金抗拉强度相比，形变热处理后的合金抗拉强度提高了近一倍，从90MPa增加到175MPa以上；与此同时合金的导电率下降幅度较小，经过形变热处理后，合金的导电率仍保持在59.5%IACS以上；但合金的塑性在经过形变热处理后发生大幅度下降，合金延伸率从T6处理时的35%以上下降到8%左右。

图1 5#与 8#合金经过 T6 与 T8 处理的时效硬度曲线

在本实验形变热处理中，当时效时间小于2h时，合金的强化主要是依靠G.P.区的作用，根据沉淀强化理论，合金在变形时位错与粒子之间的交互作用方式有切割和绕过两种机制，因此此时的强化机制主要是位错切割G.P.区。而在T6处理中，由于变形后进行固溶处理，位错大量减少，其切割G.P.区作用减弱，没有体现出明显的强化作用。当时效时间为3~5h时，形变热处理合金G.P.区开始达到临界状态，S′′相开始形核长大；在相对较高温度时效时，原子扩散速率相对较高，过饱和溶质原子没有足够的时间形成原子团簇并开始长大，且由于Cu、Mg原子含量较少，G.P.区平均尺寸较小，因此会发生一定的G.P.区重新回熔，导致合金硬度值出现降低的现象。当时效时间继续延长时，G.P.区完全溶解成S′′相与S相，此时合金的强化主要依靠S′′相与S相共同作用，强化机制表现为位错绕过析出强化相粒子。

图2 5#合金显微组织(a)T6态合金的SEM像；(b)T8态合金的SEM像；

(c)、(d)为T8态合金的TEM像

三、结论

本文主要研究了形变热处理制度对合金组织与性能的影响，重点研究了形变热处理过程中冷变形工艺，得出结论如下：

形变热处理过程中主要的强化效应包括位错强化、亚结构强化以及析出相强化等强化作用，相比于T6态，它们综合作用使得合金强度大幅度提高。随着强度的提高，合金的塑性大幅度下降，这主要是因为形变热处理后的合金组织位错密度较高，与组织中析出的第二相粒子相互作用，引起合金部分组织应力集中，在拉伸过程中就容易在应力集中处发生剪切断裂，使塑性降低。虽然形变热处理过程引入了大量的位错等缺陷，但它们对导电率的影响作用不大[13]，相反正是因为存在大量的位错等缺陷，时效处理时过饱和固溶原子更容易析出，使得由固溶引起的晶格畸变对导电率的影响减弱，因此合金在经过形变热处理工艺后，其导电率下降较少。

参考文献：

[1]许晓嫦，刘志文，张坤等．强变形诱导析出相回归后的再时效行为．中国有色金属学报，2004，14(5)：759-769

[2]许晓嫦，刘志文，党朋等．室温强塑性变形下回溶和再析出的机理研究．材料科学与工艺，2005，13(2)：178-181

[3] 有色金属及热处理编写组．有色金属及热处理．北京：国防工业出版社，1981，62

[4] 孙伟成，张淑荣．稀土在铝合金中的行为．北京：兵器工业出版社， 1992，75-317

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