分享：预时效对2A12铝合金形变热处理工艺的影响

高强铝合金广泛用于飞机制造等航空航天领域。2xxx系列铝合金具有强度较高、低密度、热加工性能好等优点，是航空航天领域的主要结构材料，也是目前世界各国结构材料开发的热点之一。T4状态的2A12铝合金轧制板材，通过固溶处理+预时效+高温塑性变形+终时效的工艺，将预时效的温度和时间两个因素设为变量，设定7个温度变量和4个时间变量，分析研究经过形变热处理之后2A12铝合金试样的显微硬度及其金相显微组织，并通过对实验结果的分析确定出最优的预时效工艺参数。本次实验得出的最佳预时效工艺参数为180℃/30min。

2xxx系列铝合金作为高强铝合金广泛用于飞机制造等方面。目前研究人员已就该系合金进行了大量的研究，开发出了许多牌号的铝合金，并通过不同的热出理工艺不断提高现有合金的综合性能。刘黎明等通过将形变热处理工艺与旋压成形工艺相结合，发现2A12铝合金热挤压管材经过旋压形变热处理后，材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了13.2%、38.9%和27.5%，特别是材料的屈服强度比由原来的0.6提高为0.85，材料的综合性能明显提高[1]。刘春燕等对2A12铝合金热处理工艺的研究表明固溶处理和自然时效后合金的强度和断后伸长率均比人工时效后的提高了36%，固溶处理并分级时效后合金的强度提高了50%[3]。2xxx系列铝合金具有强度较高、低密度、热加工性能好等优点，是航空航天领域的主要结构材料，也是目前世界各国结构材料开发的热点之一。通过制定合理的实验规程，并控制相关实验因素，确定最佳工艺参数，对进一步了解和研究2xxx铝合金的工艺规程具有重要的意义。

实验方案

实验原理

实验采用T4状态的2A12铝合金轧制板材，其成分如下表1所示，制作成尺寸为15mm×15mm×25mm的六面体试样。通过固溶处理，然后进行短时预时效，将预时效的温度和时间设为两个变量，来控制固溶试样晶体内第二相析出的分布、大小以及位置，分析研究形变热处理后，2A12铝合金试样的显微硬度及金相显微组织的变化，确定最优的预失效工艺参数[4]。实验采用的T4状态的2A12铝合金轧制板材，其初始硬度值如表2所示，硬度总平均值为71.3 HRB。

实验参数确定

本次实验的工艺参数为：固溶处理，(495±5)℃/30min；预时效，设定7个温度变量为100、120、140、160、180、200、220℃，4个时间变量为20、30、50、60 min，共28组；高温形变，450℃高温变形，变形量30%；终时效：150℃/12h。

实验结果分析

硬度测试结果

T4状态原始2A12铝合金试样，其硬度总平均值为71.3 HRB，在经过(495±5)℃/30 min固溶处理之后，其总平均硬度降为46.4 HRB。在经过固溶处理之后，试样发生软化，硬度降低约24.9 HRB。预时效后试样硬度-预时效温度的对应关系曲线如下图1所示，实验所选的预时效温度区间为100~220℃，随着预时效温度的增加，预时效后试样的硬度先变大，然后有所降低，在180℃时，试样硬度达到峰值。预时效后硬度-预时效时间的对应关系曲线如下图2所示，本次试验的预时效时间区间为20~60 min，且随着预时效时间的增加，试样硬度先增加后略有降低，图中预时效时间为30 min对应的试样硬度等力学性能达到最佳。180℃/30min预时效处理后，高温变形后硬度-预时效时间的对应关系曲线如图3所示，试样在经过高温变形后仍然具有最佳的综合力学性能，且试样经过高温形变处理之后，与预时效后相比，其硬度出现较大程度的增加。这表明试样在时效强化和形变强化的交互作用下，其力学性能比其中任何单一工序处理后的都要优异。终时效后硬度-预时效时间的对应关系曲线如图4所示，变形后试样硬度与终时效后试样硬度的对比，发现每组试样的硬度大约增加3~5 HB，这表明在高温形变之后试样的综合力学性能仍然有提升的空间。

金相显微组织

T4状态的原始铝合金试样，其显微组织如图5所示，经过(495±5)℃/30 min固溶处理之后的显微组织如图6所示。T4状态的原始试样在经过(495±5)℃/30min固溶处理之后，细小的第二相颗粒大量溶入到基体中，并且晶粒尺寸变大。这是由于晶体内的位错等缺陷在运动时受到第二相粒子的强烈阻碍，位错需要绕过或切过第二相粒子才能继续运动，这些都导致了位错运动的阻力增大，从而强化金属。而在固溶之后，第二相粒子大量溶入基体，基体和晶界处分布很少量的第二相粒子，使得位错运动的阻力大大减小从而使金属发生软化[5]。试样180℃/30 min预时效处理后的金相显微组织、450℃变形处理后的金相显微组织、150℃/12 h终时效处理后的金相显微组织分别如图7~9所示。

试样在经过高温变形处理后，其金相显微组织也表现出特有形态，如晶粒表现出多边形结构。而且试样在450℃进行高温变形，此时变形温度完全处于再结晶温度以上，因此试样将发生动态再结晶。在这一过程中，由于变形的持续进行，不断产生新的位错，发生位错的运动、增殖，并在晶界处大量聚集，这些位置的储存能较高，故现存晶界往往是动态再结晶的形核之处。经动态再结晶形成的晶粒是等轴的，晶界呈锯齿状，且在晶核长大的同时变形还在继续进行，因而形成的新晶粒内有一定的应变[6]。

试样在高温变形之后，晶粒呈现出等轴的多边形结构，且在晶界处第二相粒子大量析出。第二相粒子的存在同样可以阻碍晶界的运动，有利于获得细小晶粒，使试样具有良好的综合力学性能[7]。由此可得试样经过时效强化和形变强化相互作用下，其微观组织和综合力学性能都达到了较好的状态。

试样经终时效处理后第二相粒子已经大量析出，其分布相对均匀，晶粒比试样原始状态稍有长大，但仍然相当细小。这些都说明了T4态的2A12铝合金经形变热处理后，其力学性能得到提高，同时仍然保持较好的微观组织，这也保障了其具有良好的塑性、韧性等性能[8，9]。

结束语

随着预时效温度的增加，预时效后试样的硬度先变大，然后有所降低，在180℃时试样硬度达到峰值。随着预时效时间的增加，试样硬度先增加后略有降低，30 min预时效时间对应的试样硬度等力学性能达到最佳。经过180℃/30 min预时效处理的试样在终时效后具有最高的硬度，其显微组织中第二相粒子较为细小且分布均匀，从而具有最佳的综合力学性能。2A12铝合金最佳的预时效工艺参数可选取180℃/30 min。

文章来源——金属世界