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【摘 要】 从Al-Cu-Mn基合金可以通过热处理来改善其力学性能和工艺性能的角度出发，本文通过试验方式分析不同时效时间对Al-Cu-Mn基合金析出相的影响，从而可以得出时效时间为2h时，可以使Al-Cu-Mn基合金的析出相更细小，分布更均匀，为Al-Cu-Mn基合金在热处理制度确立的过程中提供一些参考数据。
【关键词】 Al-Cu-Mn基合金 热处理 析出相
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.01.017
1 引言
热处理是改善合金力学性能和工艺性能并能使材料潜力充分发挥的一种重要处理工艺，是决定合金性能的关键因素之一。适合的热处理制度能最大程度地挖掘材料潜力，提高材料的性能。
Al-Cu-Mn基合金为可热处理强化合金，因此可以通过热处理来提高其综合性能。本文将对不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金的凝固组织进行考察，来分析不同时效时间对Al-Cu-Mn基合金析出相的影响，确立Al-Cu-Mn基合金的最佳时效时间。
2 Al-Cu-Mn基合金时效处理的目的
Al-Cu-Mn基合金在铸态下的力学性能要想满足使用要求，必须通过热处理进一步提高其力学性能和其他使用性能。Al-Cu-Mn基合金的热处理包括固溶处理和时效处理。该合金中的第二相CuAl2、T（Cu2Mn3Al20）在其基体中的溶解度会随温度的降低而显著减小，因此可以选择合适的固溶温度使第二相全部或最大限度地溶入固溶体温度，并保温一定时间，再选择合适的冷却速度进行淬火，可以使第二相从固溶体中析出，即可得到过饱和固溶体。这种过程称为固溶处理。该处理方式为Al-Cu-Mn基合金强化的第一步。固溶处理后，随即进行第二步时效，合金可以得到显著的强化。
经固溶处理后，Al-Cu-Mn基合金的强化相能够充分溶解在合金基体中，形成亚稳定组织，该组织极其不稳定，并且这种不稳定的组织会导致力学性能显著降低，但该组织是进行时效处理的前提条件，因此为得到更稳定的组织而进行固溶体分解和析出过剩溶质原子。该合金在室温条件下所进行的过饱和固溶体分解过程为自然时效。自然时效过程的速度非常缓慢，效率极低，仅能完成析出的初步阶段，在工业生产中的应用十分罕见。为了提高热处理效率，使固溶体的分解速度加快，可将合金加热到远低于淬火温度的某一温度，过饱和固溶体会加快分解。这种过程称为人工时效[1]。
3 不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金相关试验结果
3.1 时效时间对Al-Cu-Mn基合金凝固组织的影响
本试验是将铸锭在炉中进行固溶处理，加热温度为520℃±5℃，保温时间为8h。到温放入，到时取出，在60℃～100℃水中淬火。然后在165℃±5℃下进行人工时效处理，保温时间分别为1h、2h、3h、4h，出炉空冷。最后制成金相试样，用0.5%HF溶液进行侵蚀，观察各试样的金相组织。
图1为不同时效时间对Al-Cu-Mn基合金析出相的影响。图1（a-d）分别是经时效时间为1h、2h、3h、4h处理后合金的显微组织。从图中可以看出析出相的数量和分布随时效时间的不同有明显的变化。经过时效1h处理后，析出相数量少且分布不够均匀；经过时效2h、3h处理后，达到时效峰值，析出相数量增多，而且组织变得细小、均匀；继续延长时效时间，当时效时间达4h，析出相数量虽然增多，但出现长大现象且分布不够均匀。
图1 不同时效时间Al-Cu-Mn基合金显微组织 （a）1h （b）2h （c）3h （d）4h
3.2 时效时间对Al-Cu-Mn基合金显微硬度的影响
表1为不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金的显微硬度值，可以看出，该合金的显微硬度在2h时达到最大值，为86.2304。还可以看出，Al-Cu-Mn基合金的显微硬度值随时效时间增加，试样的硬度先升高，然后保持相对稳定后又下降，其中硬度峰值出现在2h左右。因此可以推测，时效时间为2h时，析出相从过饱和固溶体中析出的数量最多，并且更加细小均匀。
表1 Al-Cu-Mn基合金热处理后的显微硬度
3.3 机理分析
时效过程实质上是溶质原子聚集区及亚稳定过渡相形成或第二相从过饱和固溶体中析出的过程，过饱和固溶体在室温或较高温度保温一定时间，产生的脱溶现象，即是通过形核和长大方式进行的，这是一种固态相变，也是一种扩散型相变。但是第二相的沉淀析出并不能立即形成稳定相，而是按一定的时效序列进行的。随时效条件的不同，此过程进行的情况也不同。Al-Cu-Mn基合金在时效过程中，过饱和固溶体的各个析出阶段概括如下[2]：Α（过饱和）→G.P.区→过渡相→过渡相→（Al2Cu）稳定相。
在时效初期即时效1h时，从图1（a）可见，晶界析出了少量的（或）相，晶内看不到明显的析出相，这是由于过饱和的固溶体是不稳定的，在一定的温度和时间条件下，发生分解。随着时效的进行即时效2h时，合金达到峰值时效阶段，晶界、晶内普遍脱溶，晶界析出的（或）相呈链状连续分布，晶内析出了大量弥散的相，并细小弥散地分布在基体中，如图1（b）所示。当时效时间为4h时，随着时效过程的进一步进行，Cu原子会继续偏聚，形成相。随着相数量的逐渐增多，相数量会明显减少，质点长大。时效后期，晶界的（或）相呈离散分布，相完全从固溶体中脱溶，形成稳定的相。相与基体为不共格关系，时效继续进行，相会进一步聚集并长大，晶内的析出物也变粗，如图1（d）所示。因此，在时效时间为2h时，Al-Cu-Mn基合金析出相更细小、分布更均匀，从而会获得更加优良的力学性能。
4 结论
（1）时效时间为2h时，凝固组织中析出相最为细小，分布更加均匀、弥散。
（2）时效时间为2h时，显微硬度值最高。可以推断，时效时间为2h时，析出相从过饱和固溶体中析出的数量最多，并且更加细小均匀。
参考文献
[1]刘晓涛，董杰，崔建忠，赵刚.高强铝合金均匀化热处理[J].中国有色金属学报，2003，13（4）：909-913.
[2]Kissinger H E.Reaction kinetics in differential analysis[J].Anal Chem，1957，29（10）：1702-1.
作者简介
李佳，工程师，毕业于辽宁工业大学材料学专业，硕士研究生，现在铁岭市特种设备监督检验所从事特种设备检验工作。
韩雪东，工程师，毕业于辽宁工业大学材料学专业，硕士研究生，现在北方重工集团有限公司从事焊接工作。
（责任编辑：张晓明）
【关键词】 Al-Cu-Mn基合金 热处理 析出相
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.01.017
1 引言
热处理是改善合金力学性能和工艺性能并能使材料潜力充分发挥的一种重要处理工艺，是决定合金性能的关键因素之一。适合的热处理制度能最大程度地挖掘材料潜力，提高材料的性能。
Al-Cu-Mn基合金为可热处理强化合金，因此可以通过热处理来提高其综合性能。本文将对不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金的凝固组织进行考察，来分析不同时效时间对Al-Cu-Mn基合金析出相的影响，确立Al-Cu-Mn基合金的最佳时效时间。
2 Al-Cu-Mn基合金时效处理的目的
Al-Cu-Mn基合金在铸态下的力学性能要想满足使用要求，必须通过热处理进一步提高其力学性能和其他使用性能。Al-Cu-Mn基合金的热处理包括固溶处理和时效处理。该合金中的第二相CuAl2、T（Cu2Mn3Al20）在其基体中的溶解度会随温度的降低而显著减小，因此可以选择合适的固溶温度使第二相全部或最大限度地溶入固溶体温度，并保温一定时间，再选择合适的冷却速度进行淬火，可以使第二相从固溶体中析出，即可得到过饱和固溶体。这种过程称为固溶处理。该处理方式为Al-Cu-Mn基合金强化的第一步。固溶处理后，随即进行第二步时效，合金可以得到显著的强化。
经固溶处理后，Al-Cu-Mn基合金的强化相能够充分溶解在合金基体中，形成亚稳定组织，该组织极其不稳定，并且这种不稳定的组织会导致力学性能显著降低，但该组织是进行时效处理的前提条件，因此为得到更稳定的组织而进行固溶体分解和析出过剩溶质原子。该合金在室温条件下所进行的过饱和固溶体分解过程为自然时效。自然时效过程的速度非常缓慢，效率极低，仅能完成析出的初步阶段，在工业生产中的应用十分罕见。为了提高热处理效率，使固溶体的分解速度加快，可将合金加热到远低于淬火温度的某一温度，过饱和固溶体会加快分解。这种过程称为人工时效[1]。
3 不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金相关试验结果
3.1 时效时间对Al-Cu-Mn基合金凝固组织的影响
本试验是将铸锭在炉中进行固溶处理，加热温度为520℃±5℃，保温时间为8h。到温放入，到时取出，在60℃～100℃水中淬火。然后在165℃±5℃下进行人工时效处理，保温时间分别为1h、2h、3h、4h，出炉空冷。最后制成金相试样，用0.5%HF溶液进行侵蚀，观察各试样的金相组织。
图1为不同时效时间对Al-Cu-Mn基合金析出相的影响。图1（a-d）分别是经时效时间为1h、2h、3h、4h处理后合金的显微组织。从图中可以看出析出相的数量和分布随时效时间的不同有明显的变化。经过时效1h处理后，析出相数量少且分布不够均匀；经过时效2h、3h处理后，达到时效峰值，析出相数量增多，而且组织变得细小、均匀；继续延长时效时间，当时效时间达4h，析出相数量虽然增多，但出现长大现象且分布不够均匀。
图1 不同时效时间Al-Cu-Mn基合金显微组织 （a）1h （b）2h （c）3h （d）4h
3.2 时效时间对Al-Cu-Mn基合金显微硬度的影响
表1为不同时效时间下Al-Cu-Mn基合金的显微硬度值，可以看出，该合金的显微硬度在2h时达到最大值，为86.2304。还可以看出，Al-Cu-Mn基合金的显微硬度值随时效时间增加，试样的硬度先升高，然后保持相对稳定后又下降，其中硬度峰值出现在2h左右。因此可以推测，时效时间为2h时，析出相从过饱和固溶体中析出的数量最多，并且更加细小均匀。
表1 Al-Cu-Mn基合金热处理后的显微硬度
3.3 机理分析
时效过程实质上是溶质原子聚集区及亚稳定过渡相形成或第二相从过饱和固溶体中析出的过程，过饱和固溶体在室温或较高温度保温一定时间，产生的脱溶现象，即是通过形核和长大方式进行的，这是一种固态相变，也是一种扩散型相变。但是第二相的沉淀析出并不能立即形成稳定相，而是按一定的时效序列进行的。随时效条件的不同，此过程进行的情况也不同。Al-Cu-Mn基合金在时效过程中，过饱和固溶体的各个析出阶段概括如下[2]：Α（过饱和）→G.P.区→过渡相→过渡相→（Al2Cu）稳定相。
在时效初期即时效1h时，从图1（a）可见，晶界析出了少量的（或）相，晶内看不到明显的析出相，这是由于过饱和的固溶体是不稳定的，在一定的温度和时间条件下，发生分解。随着时效的进行即时效2h时，合金达到峰值时效阶段，晶界、晶内普遍脱溶，晶界析出的（或）相呈链状连续分布，晶内析出了大量弥散的相，并细小弥散地分布在基体中，如图1（b）所示。当时效时间为4h时，随着时效过程的进一步进行，Cu原子会继续偏聚，形成相。随着相数量的逐渐增多，相数量会明显减少，质点长大。时效后期，晶界的（或）相呈离散分布，相完全从固溶体中脱溶，形成稳定的相。相与基体为不共格关系，时效继续进行，相会进一步聚集并长大，晶内的析出物也变粗，如图1（d）所示。因此，在时效时间为2h时，Al-Cu-Mn基合金析出相更细小、分布更均匀，从而会获得更加优良的力学性能。
4 结论
（1）时效时间为2h时，凝固组织中析出相最为细小，分布更加均匀、弥散。
（2）时效时间为2h时，显微硬度值最高。可以推断，时效时间为2h时，析出相从过饱和固溶体中析出的数量最多，并且更加细小均匀。
参考文献
[1]刘晓涛，董杰，崔建忠，赵刚.高强铝合金均匀化热处理[J].中国有色金属学报，2003，13（4）：909-913.
[2]Kissinger H E.Reaction kinetics in differential analysis[J].Anal Chem，1957，29（10）：1702-1.
作者简介
李佳，工程师，毕业于辽宁工业大学材料学专业，硕士研究生，现在铁岭市特种设备监督检验所从事特种设备检验工作。
韩雪东，工程师，毕业于辽宁工业大学材料学专业，硕士研究生，现在北方重工集团有限公司从事焊接工作。
（责任编辑：张晓明）