CN112226707A - 一种室温强化铝合金的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室温强化铝合金的加工方法，包括以下步骤：对铝合金试样进行固溶处理，冷却至室温，然后在室温下对固溶后的试样进行机械加载，得到所述室温强化铝合金。本发明基于固溶处理后的铝合金基体，以往复塑性变形的方式对铝合金试样进行循环强化，通过塑性变形激发基体中空位的产生，大幅促进了原子团簇的形成，产生由大量细小而均匀分布在铝基体中的原子团簇，从而发挥团簇强化的作用。由于无需升温热处理，因此该方式能耗低、耗时短，且不产生对力学和腐蚀性能有损害的“无沉淀析出区”，是一种可以替代时效热处理的新型强化方式。

Description

一种室温强化铝合金的加工方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金的加工方法，尤其涉及一种室温强化铝合金的加工方法。
背景技术
铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，如密度小、比强度和比钢度高、弹性好、抗冲击性能优良、耐腐蚀、高导电和导热性、加工成形性良好以及可回收利用等，因此成为轻量化首选的金属材料。铝材已经成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料，已部分代替钢铁而成为工业和社会的基础材料。
2xxx系(Al-Cu基)铝合金经热处理后可生成弥散分布的时效强化相，对基体产生强化作用，属于可热处理强化型铝合金，该系列铝合金主要靠时效过程中从过饱和固溶体中析出沉淀相来达到强化。其热处理制度主要包括400-500℃固溶处理、淬火至室温、100-200℃人工时效7-24h并空冷至室温，Al2Cu是主要强化相，使合金强化。
由于人工时效热处理时间较长，能耗较大；且时效热处理过程会在组织的晶界附近形成“无沉淀析出区”，此区域处溶质原子贫瘠，且强度较晶内基体弱，可对铝合金的疲劳、拉伸和腐蚀性能造成不良影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种无需升温热处理就能够大幅度促进析出相形核的室温强化铝合金的加工方法。
技术方案：本发明的室温强化铝合金的加工方法，包括以下步骤：对铝合金试样进行固溶处理，冷却至室温，然后在室温下对固溶后的试样进行机械加载，得到所述室温强化铝合金。
优选地，所述机械加载为循环往复加载。
优选地，控制加载在试样上的应力，所述应力大小从固溶状态试样的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态试样的屈服强度。
优选地，所述机械加载的应力为100-600MPa。
优选地，所述加载频率为0.02Hz-20Hz。
优选地，所述加载周期为300-1500周。
优选地，所述固溶处理的步骤为：从挤压或冷轧后的铝合金型材中取样进行拉伸，利用加热炉对试样进行固溶处理，并水冷至室温，得到单一基体相的试样。
优选地，所述固溶处理的温度为400-550℃，时间为10min-1h。
优选地，所述使用盐浴炉或管式炉进行加热。
优选地，所述铝合金为铝铜合金。
通过时效热处理的方式产生析出相的方法的本质是通过升高温度来增加基体中的空位浓度，以加快溶质原子的扩散，从而促进析出相的形核和长大。除热处理外，塑性变形也是增加空位浓度的另一种有效方式。本发明利用在疲劳机上循环变形的加工方法，经过一定周期数的循环变形后，获得由纳米级原子团簇发挥析出强化作用的高强度铝合金。由于往复变形，位错的移动距离将大大增加，从而提升空位的增加量，更大幅度地促进析出相的形核过程。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)基于固溶处理后的铝合金基体，以往复塑性变形的方式对铝合金试样进行循环强化，通过塑性变形激发基体中空位的产生，大幅促进了原子团簇的形成，产生由大量细小而均匀分布在铝基体中的原子团簇，从而发挥团簇强化的作用。由于无需升温热处理，因此该方式能耗低、耗时短，且不产生对力学和腐蚀性能有损害的“无沉淀析出区”，是一种可以替代时效热处理的新型强化方式。(2)本发明为制备高强度铝合金提供了新思路。(3)本发明中的通过循环强化的铝铜合金可作为汽车工业、航空航天等领域的低成本、轻量化替代材料。
附图说明
图1为本发明铝合金循环强化的加载图谱示意图；
图2为实施例1的铝合金循环强化后产生的原子团簇透射电镜图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
采用牌号为2024的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Cu：3.8-4.9，Mn：0.3-1，Mg：1.2-1.8，Cr：0.1，Zn：0.25，其余为Al。上述铝合金的循环强化方法如下：
(1)固溶处理：从挤压或冷轧后的2024铝合金棒材或板材的中部取样，加工成圆棒状拉伸试样，利用盐浴炉对试样进行493℃、1h的固溶处理，并水冷至室温，以得到成分均匀的单一基体相；
(2)循环变形加工：
采用英国Instron 8801液压疲劳试验机对固溶-淬火后的铝合金试样进行疲劳加载，实验温度是室温，加载的应力为200-390MPa，频率为0.2Hz，加载周期为300周期，应力大小从固溶状态试样的屈服强度经300周期加载逐渐攀升至峰时效状态试样的屈服强度后，将加载力归零并取下试样，最终获得由大量纳米级原子团簇发挥析出强化作用的2024铝合金。
依据标准GB-T 228.1-2010，采用CMT5105型电子万能试验机进行室温轴向准静态拉伸试验，拉伸速率选择1.2mm/min，测试样品为非标圆棒状件，标距段直径为6mm。
图1为2xxx系铝合金循环强化的强化图谱，加载在样品上的应力从循环最开始的最低应力，随循环次数的增多和试样强度的上升而逐渐增加。
采用美国FEI Tecnai T20透射电镜表征循环变形前及变形后铝合金基体、位错及原子团簇的分布情况，工作电压为200kV，得到的透射电镜图如图2所示，从图2可以看到循环强化组织的TEM明场像及选区衍射斑点，从明场像可以看出铝合金基体在循环强化后形成了位错环以纳米析出相，同时从衍射斑也可以证实析出相的产生。
实施例2
采用牌号为2219的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Cu：5.8-6.8，Mn：0.2-0.4，V：0.05-0.15，Zr：0.1-0.25，Ti：0.02-0.1，其余为Al。该铝合金的循环强化方法基本步骤与实施例1相同，不同的是：
(1)固溶处理：管式炉对试样进行535℃、20min的固溶处理；
(2)循环变形加工：加载的应力为170-250MPa，加载频率为0.2Hz，加载1000周期。
实施例3
采用牌号为2139的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Cu：4.5-5.5，Mg：0.2-0.8，Ag：0.15-0.6，Mn：0.2-0.6，Fe：0.1，Si：0.15，其余为Al。该铝合金的循环强化方法基本步骤与实施例1相同，不同的是：
(1)固溶处理：利用盐浴炉进行520℃、1h的固溶处理；
(2)循环变形加工：加载的应力为200-430MPa，加载频率为1Hz，加载周期为800周期。
实施例4
采用牌号为2139的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Cu：4.5-5.5，Mg：0.2-0.8，Ag：0.15-0.6，Mn：0.2-0.6，Fe：0.1，Si：0.15，其余为Al。该铝合金的循环强化方法基本步骤与实施例1相同，不同的是：
(1)固溶处理：利用盐浴炉进行525℃、2h的固溶处理；
(2)循环变形加工：加载的应力为200-430MPa，加载频率为5Hz，加载周期为500周。
实施例5
采用牌号为2139的铝合金，该合金的成分及质量百分比如下：Cu：4.5-5.5，Mg：0.2-0.8，Ag：0.15-0.6，Mn：0.2-0.6，Fe：0.1，Si：0.15，其余为Al。该铝合金的循环强化方法基本步骤与实施例1相同，不同的是：
(1)固溶处理：利用盐浴炉进行525℃、2h的固溶处理；
(2)循环变形加工：加载的应力为200-430MPa，加载频率为5Hz，加载周期为1500周。

Claims (10)

1.一种室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：对铝合金试样进行固溶处理，冷却至室温，然后在室温下对固溶后的试样进行机械加载，得到所述室温强化铝合金。
2.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述机械加载为循环往复加载。
3.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，控制加载在试样上的应力，所述应力大小从固溶状态试样的屈服强度经循环加载增加至峰时效状态试样的屈服强度。
4.根据权利要求5所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述机械加载的应力为100-600MPa。
5.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述加载频率为0.02Hz-20Hz。
6.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述加载周期为300-1500周。
7.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述固溶处理的步骤为：从挤压或冷轧后的铝合金型材中取样进行拉伸，利用加热炉对试样进行固溶处理，并水冷至室温，得到单一基体相的试样。
8.根据权利要求6所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为400-550℃，时间为10min-1h。
9.根据权利要求6所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述使用盐浴炉或管式炉进行加热。
10.根据权利要求1所述的室温强化铝合金的加工方法，其特征在于，所述铝合金为铝铜基合金。
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