時效溫度對Al-10Si-Mg-Re鋁合金組織和性能的影響題目時效溫度對Al-10Si-Mg-Re鋁合金組織和性能的影響II1緒論隨著現代化工業的飛速發展，生活中被人們所需求的各種機械的材質性能也發生了巨大變化，例如人們出行的交通工具飛機，汽車等綜合性能不斷向著優良發展。比如汽車的設計中，其中各部分不斷的在追求輕量化的設計，這也使其在汽車的生產工業中占有非常重要地位。所以在如今的汽車生產過程中，鋁合金的應用是越來越廣泛，通過用鋁合金來代替比較重的結構件，在汽車生產中，汽車擺臂、輪轂的生產則占有重要地位。汽車的擺臂在汽車本身上有著極其重要的作用，它在汽車中起著非常關鍵的連接作用，汽車擺臂的質量對汽車使用的壽命以及在行駛安全起到非常重要的作用，而現在用于汽車擺臂生產的零件中，鋁合金材料占有非常大的比例。同樣汽車的輪轂的生產中，鋁合金材料的使用也是占有非常大的比例，輪轂主要有兩種，一種是由鋼材料制成的，一種是由合金材料制成的，二者是有很大不同的，無論是生產上，還是在性能方面都是有一定差距的，鋼輪轂在生產時制造的工藝很簡單，所以在生產過程中成本也比較低，然而鋼輪轂的強度是很高的，這就是我們通常的不僅便宜還耐用。但是鋼輪轂也是有很多缺點的，首先最明顯的就是鋼輪轂的外觀不夠美觀，而且質量很大，比較沉，這也就造成了其慣性的阻力比較大，同時鋼輪轂的散熱性也較差，最直接的缺點就是容易生銹。通過了解鋼輪轂的這些缺點的原因，合金材質輪轂恰好能夠彌補這些缺陷，首先合金材料具有質量小，慣性的阻力不大，制作的精度高，在強烈的機械運動下不易變形，能過大幅度改善合金的駕駛效果，使汽車的損傷度會更小。在導熱性方面，合金材質大約是鋼的三倍，合金材質的散熱性非常好，當車輛制動時，對輪胎等都有一定的保護作用。鋁合金輪轂和鋼合金輪轂相比，優點如下：1、在耗能方面，如果把一輛汽車輪轂的材質用鋁合金材質，那么這輛車是很節能的。兩個相同體積大小的鋼輪轂和鋁輪轂進行質量對比，鋼輪轂比鋁輪轂大約重兩千克，一臺轎車用四個鋁合金輪轂，那么它的質量和用鋼的相比會減輕八千克。根據當前國際研究，一臺轎車每減輕兩千克，那么在能源消耗方面，一年大約能減少40L汽油的使用。2、在零部件使用壽命發面，使用鋁合金輪轂能夠增加發動機的使用壽命。發動機的使用壽命是和它所受的載荷密切相關的，發動機所受的負荷越大，那么對它的損害也就越大，這樣發動機的使用壽命也就會變短。相反的具有鋁輪轂的汽車的發動機更耐用。3、在熱流失的方面，由于摩擦時會產生大量的熱，鋁合金輪轂回會流失更多熱。汽車在行駛時，由于車輪進行強烈的機械轉動，進而由于摩擦會生很多熱，由于鋁合金輪轂散熱性能好，所以車輪會保持合適溫度，包括汽車在制動時，輪胎都能得到保護。4、在現實生產中，鋁合金輪轂的工藝會比鋼輪轂更精致。所以汽車在行駛過程中能夠保持很好的平衡性，不會出現方向盤抖動的現象。5、在受到外界因素干擾時，鋁合金輪轂抗損害能力更好。在受到物理破壞時，鋁輪轂比鋼輪轂更能經受的住損害。因為這一優良性能，鋁合金在我國工業發展中的應用極其廣泛。6、在表面方面，鋁合金輪轂的表面比鋼輪轂的表面更為容易被人喜歡。在現實生產上鋁合金輪轂有著很多不同種類的設計，鋁的顏色也是更容易讓人接受，所以汽車自然受到人們喜歡。因此鋁合金材料在機械零部件的生產中占據了非常大的比例。鋁合金的概述鋁與鋁合金的發展歷史在當今世界科學技術飛速發展，而材料的發展是科學技術發展的重要組成部分，而且人類對材料的依賴性是非常強的，上世紀六十年代，材料、信息還有能源是當時的三大支柱，到了上世紀七十年代，新材料、信息技術還有生物技術成為當時的主要標志，世界是不斷發展的，進而人們的生活水平也是不斷提高的，工業也是不斷地在進步，所以材料性能的好壞也是越來越得到人們的重視，這樣材料也就不斷的向高強度，高硬度，高韌性等性能方向飛速發展，所以原始材料性能的改進和新型材料的開發研究已經成為材料研究的兩個重要方面。鋁合金是非常原始的金屬材料，它的優點有很多，比如導熱性，熱膨脹系數小等，各行各業都離不開鋁合金的生產與使用，并且鑄造技術也是不斷發展的，那么鑄造合金的需求量也自然多了起來，在上世紀八十年代，世界上鋁鑄件的總產量大約在二百七十萬噸，到了上世紀九十年代世界上鋁鑄件的總產值大約達到了四百二十萬噸，占鑄件總產量的百分之八，現如今鋁的產量與需求還在不斷的增加，在我們國家，上世紀九十年代的鋁鑄件產量到達二十五萬噸，占鑄件產量的百分之三，當到達二十世紀初的時候，我國鋁鑄件的總產量比之前增加了百分之五，即便我國鋁的產量與需求在不斷增加，但是和一些國家相比還相差甚遠，但是隨著我國工業的發展，鋁的需求和生產也是不斷發展的。在現代的工業發展中，對傳統的鑄鋁需求比較大，但是鋁合金的開發也是必然的，研究出高強度高韌性等優良性能的鋁合金去代替那些性能較差的鑄鋁，也是必然趨勢。在鋁合金成分研究方面，國內以及世界各國都以出現了很多研究成果，在性能研究方面，首先要注意研究微量元素，以及元素的作用和影響以及價格，美國Alcoa公司研發出了Al-8Fe-4Ce鋁合金，這一合金的研制主要就是在純鋁當中添加一些錳、銫、鈷、鉻等金屬與元素；Allied-Signal公司開發出了Al-Fe-V-Si系鋁合金，這一合金是該公司在Al-Fe-V基礎上研發出可用于汽車飛機等交通工具的高性能鋁合金，并且日本也研究出了高性能鋁合金，這一鋁合金使用溫度能夠高達四百度，這一合金的研制是通過加入稀土元素去實現提高合金性能的，并且，歐洲也是成功的研發出了鋁硅鎂系高性能耐熱鋁合金，這種鋁合金的性能優良表現在沒有損失熱膨脹，熱傳導的情況下強度發生顯著提高，同樣我國在鋁合金的研究方面也是取得了較大成果，肖代紅等人通過研究并發現了在鋁硅鎂銅系鋁合金中添加一定質量的的Ce元素可使合金組織細化，性能得到提高。桂滿昌通過實驗發現在鋁硅鎂銅系鋁合金中銅元素的影響作用是最大的，硅的作用是最小的，在合金性能中延伸率這一方面，銅的影響作用是比較小的，鎂和硅元素的影響作用是最大的，La元素能使合金強度提高，但會使延伸率下降。在鋁合金的熱處理方面，蘇聯的研究者對ZAlSi7Mg和ZAlSi9Mg這兩種合金進行時效熱處理后研究發現當對ZAlSi7Mg合金時效處理溫度條件為150℃到170℃時，合金的硬度是呈現上升的趨勢，并且當時效溫度大約為150℃、170℃、1700℃時合金的硬度值是最大的。美國著名大學幾位研究人員對319鋁合金進行了熱處理對材料本身影響是如何的鉆研，，他們通過實驗結論得出材料性能和熱處理密切相關。印度研究人員對鋁硅鎂系鋁合金的性能與熱處理的關系進行了研究，并且通過研究發現，當固溶溫度和時效溫度到達一定值時是可以提高合金的力學性能的。北歐挪威科學和技術大學的L.PEDERSEN,L.教授對鋁硅鎂合金的性能和熱處理加工之間的聯系進行了鉆研，并且通過實驗研究的結果分析合金性能和硅元素與鎂元素密切相關。鋁與鋁合金的特點鋁是輕金屬并且它的顏色為銀白色，有良好的延展性。鋁不是以單質的形式存在的，而是與其他元素結合在一起，鋁的晶體結構是面心立方結構[1]，鋁因為有不錯的塑性，所以可以使其加工成多種類型的零部件[2]。鋁由于本身的特性，所以鋁的商品可以被制成很多不同形狀的物品。并且由于本身所具有的特性，所以鋁本身很容易披上一層氧化膜，這一層氧化物可以保護鋁。當把鋁用酸簡單處理過后，在一定的環境下，它很容易被點燃，而且火焰顏色比較特別，火焰為白色。鋁雖然是不溶于水的，但它可以和很多不同種類的酸反應，然而它與水在一起的時候，當溫度變高時，會有氫氧化鋁生成。被人們稱作鋼精和鋼種的鋁被通常用來制作生活器具。鋁在常溫條件下有大約為0.0000236mm/℃或23.6ppm*k-1的熱膨脹系數。通常把鋁作為基體的合金被人們統稱為鋁合金，意思也就是說通過在純鋁當中加入或多或少的金屬、非金屬等元素進而形成的合金。鋁合金可分為工業純鋁、變形鋁合金還有鑄造鋁合金[3,4]。由于其他不同種類的合金的元素的加入，從而使鋁合金的本身不僅僅具有純鋁的基本的特性，還具有一部分其他的優良的特性。鋁合金和其他金屬相比密度比別的金屬小，但他的性能并不比別的差，甚至在某些性能方面還要比別的優質金屬強，而且鋁合金不像鋼那樣脆，它的韌性很好，所以在板材的生產時，鋁合金無疑是最合適的材料之一，而且它還和其他金屬一樣，能夠很好的導電，導熱。熱處理工藝是鋁合金提高力學性能最常用的方法[5,6]。由于具有很多綜合的優良性能使它在工業生產中被廣泛應用。在生產的時候，可以對一些合金進行熱處理加工，從而使這些合金有較好力學性能。Al—Cu—Mg—Zn系鋁合金的硬度則更硬于鋁銅鎂系鋁合金，但它的性能也還是可以通過熱加工工藝去提高的，這種鋁合金在一般的條件下和其他的鋁合金相比，強度是高于其他合金的，但是這樣強度的合金也定會有缺點，例如在一定條件下非常容易被腐蝕，并且如果將該合金放在高溫環境中，那么它軟化的會很快。Al—Zn—Mg—Si系合金則是鍛造鋁合金，由于是鍛造合金，那么加入的元素種類也是不少的，但是在加入的元素中，各元素的含量較少，那么這樣的合金自然也就擁有較好的熱塑性，并且也就比較適和鍛造，所以人們又習慣稱之為鍛造鋁合金。

純鋁具有低密度（ρ=2.7g/cm3），約為鐵密度的1/3，并且具有低熔點（660℃）。鋁的塑性很高，并且加工起來也是非常方便的，它通常能被制成各式各樣的板材，并且它是不容易被腐蝕的。然而，純鋁本身是比較軟的，它在退火情況下的抗拉強度值約為7，所以它并不適合作為結構材料而使用。通過長時間的生產得實踐和科學的實驗，人們發現可以通過對其添加一些合金元素并且進行熱處理的方法逐步去強化鋁，從而就形成了一系列的鋁合金。在現實應用中，若想要合金保證鋁金屬本身的特性，然后還想提高其強度，那么就可以通過在合金的鑄造過程中，向其中加入一定的金屬元素來實現，這樣它的抗拉強度會提高非常多。這使它和其他的合金相比，比強度會高于其他合金鋼，所以在使用中，它的應用非常受人們的認可，廣泛被應用于各種機械生產上，飛機的機身，表面，壓縮機等部位通常也是由鋁合金材料制成，為了減輕飛機自身重量。1.1.3鋁與鋁合金的制造工藝（1）制成工藝：在生產上，合金的制成方法及途徑是非常多的，就像熔煉鋁合金的方式就是非常多的。要想熔煉鋁合金，那么好的工具當然也是必不可少的，一般熔煉的時候，可以選擇無芯感應爐或槽式感應爐或坩堝爐或反射式平爐（用天然氣也可以用燃料油進行燃燒），還可選擇電阻爐或電熱輻射爐等工具。但是在熔煉過程中，即便在最適合熔煉的澆注的環境下，熔化的鋁同樣會受三種不同類型的不良影響：1.在高溫的環境下，伴隨著時間的變化，H2的吸附將造成溶解進熔液中的氫氣會增加。2.在高溫環境下，伴隨著時間的變化，熔液會發生氧化的現象。3.合金的元素的丟失。當鋁被熔化的時候，氫氣很容易進入其中。但是，在熔融鋁合金當中，H2的溶解度一般情況高于它在固態的鋁當中的溶解度。當鋁合金發生凝固的時候，H2會從熔液里流出，而且緊縮的孔的間隙會變大，同樣力學性能也會發生不好的變化。當爐料與熔化所用的工具比較潮濕的時候就會有氫氣的出現，但是這并不會產生大量的氫氣，主要還是來自于空氣當中。因為熔煉金屬時是根本不可能阻止氫氣的進入的，所以去除氫氣的流程是必不可少的。由于氮氣和氬氣本身的特性，二者可以被送進溶液中進而去除氫氣。其中使用氯氣去除氫氣這一方法是特別的有效。但是，考慮到環境和安全等問題基本不會使用這種方法去排除氫氣。在過去人們通常使用減壓測試法去測量溶液中氫氣的含量，這一方法就是把鋁熔化，然后放在剛杯中，并且保持其在真空環境中，并讓其在真空環境下凝固，仔細觀看凝固的過程，在這個過程中能夠看氣泡會發生變化，氣泡的變化量也就是氫氣的含量。與此同時取出凝固后的樣品，把樣品切成片狀，能夠看出氫氣泡的體積大小。然而，這一種方法是不夠準確的，因為這種方法會被氧化物顆粒造成極大的影響。測試氫氣的最或好方法還是用專門的儀器最為準確。鋁是比較容易發生氧化的，由于這一特點，其溶液表面也是非常容易出現氧化物的。并且氧化物形成的快慢與熔煉過程中的條件有非常大的關系。如果鋁溶液的表面并沒有受到外界干擾，那么他表面所形成的氧化膜會自我控制的，一旦受到干擾氧化膜就會被攪到溶液中，這樣便會形成新的氧化膜。這些新的氧化膜對鋁件有著非常大的副作用。但是，在熔融金屬冶澆注等過程中都會受到紊流的干擾。在溶液中的氧化物顆粒會對形成氣孔等提供條件。當在現實生產時，在鑄鋁件的時候，要盡可能的去減少雜質。因為一般情況下它們的相圖上的液相線與固相線二者之間會有很大的幅差，而在多孔的情況下冷卻凝固，就很難提供補充給孔。非常容易失效的比較脆弱的面會在鑄件的氧化膜上出現，同時氧化膜的存在也是鑄件力學性能不均勻的重要因素，所以要使鑄件的力學性能的均勻性增加就要減少氧化膜的存在，鑄鋁合金力學性能就會強于鍛件，在檢測氧化物的時候，X射線幾乎是沒有作用的，所以要做到事先防止。在熔融的條件下，要想控制氧化物可以使用溶劑的覆蓋的方法。氯化鎂鹽這一溶液將會起到非常好的作用。它的作用是使溶液和空氣發生隔離。即便這樣還是要定時清除溶液表層的氧化物，可以采用過濾床，讓溶液通過它的辦法在大熔爐中去除那些漂浮的氧化物雜質。如果想要鑄造成的試件中沒有氧化物出現，那么澆注液體金屬的速度就要平均且平穩．過濾器對熔融金屬會有一定的阻礙作用，那么熔融金屬通過過濾器時它的速度就會變慢，由于這個原因氧化物就不會出現了。澆注時將金屬從模具下面注進去，那么熔融金屬上面的氧化物也會上到上砂箱層的頂部并且會流進冒口的頂部，這樣的過程就避免了鑄件的損壞。在鑄鋁合金中，會含有許多不同的金屬元素，這些元素中，會有一些元素可能會與氧氣發生反應。當金屬被熔融后，當被放置的時間較長時，那些元素也就會發生氧化的現象，如果這樣鑄件應有的成分也就會發生改變，這種改變是不合格的，然而其他的一些合金元素，還會出現蒸發的現象。加工工藝一般情況下，若鋁合金中硅的含量超過百分之十二就會稱之為高含量硅的鋁合金，這種情況下一般使用金剛石材質的刀具，但這也不是肯定的，硅的含量對刀具是有影響的，如果合金中硅過多時，在加工的時候，刀具必然會受到一定的損壞。所以金剛石刀具會被推薦使用在硅含量超過百分之八的合金上。鋁合金的一個過渡區間是硅含量大約在百分之八到百分之十二之間。這樣既能用金剛石材質的刀具，也可用普通的硬質合金刀具。Al-Si-Mg系鋁合金的材料概述合金元素對Al-Si-Mg系鋁合金性能的影響該文中所提到的Al-Si-Mg系的鋁合金，若要使它的性能提高，是可以通過熱處理加工實現的，它的塑性不僅很好，而且它的強度還有焊接的性能也是非常好的，也正是因為它優異的力學性能，可以被廣泛的應用于機械零部件的生產上。Si、Mg兩種元素在Al-Si-Mg系的鋁合金中占有主要地位，其次合金中還有Fe、Mn、Cu等元素。目前Al-Si-Mg系鋁合金的種類已經達到了幾十種。1.鎂元素的影響鎂在鋁中是有很好的固溶強化的效果的，它是能夠使鋁的強度得到提高的，同時它也可以使鋁的密度降低，鎂含量較低的鋁合金在加工和熱處理后是非常容易保有單相固溶體組織的，所以沉淀強化是不會取得較好的效果的，但是它的疲勞強度和韌性是非常好的，而且還有很好的抗蝕性，所以它是可以被當做抗腐蝕合金使用的，當合金中鎂的質量分數高于百分之八時，沉淀強化的效果在鋁合金中才會變得明顯，但是它的塑性是非常的低的，所以鎂是不能單獨作為主要的添加元素對于高強度鋁合金來說，必須和其他的元素一起加入其中。硅元素的影響根據工程材料學所學內容，我們很容易知道硅在鋁中的固溶度是非常低的，所以固溶強化能力也是非常有限的，而且它的強化效果也是非常小的，因此，主要依賴于過剩相強化，二元鋁硅系合金的固溶點非常低，容易進行鑄造，它是鑄造用鋁合金的基礎合金系列，并且一般選擇硅的質量分數為百分之十到百分之十三。Mg2Si沉淀相是硅與鎂在鋁中共同形成的，這是一種強化相，所以鎂鋁合金性能需要增強時可以加入一定量的硅，但是硅的質量分數一般不高于百分之一到百分之一點二。硅在合金材料中的作用是非常明顯的，首先它可以使合金中晶粒發生細化的現象，這樣當合金被熔融時，并且進行鑄造，那么此時它的流動效果是非常好的，這樣鑄造后的試件也就很好，在后期時效處理等過程中材料能夠因此得到好的強化現象，那么合金的性能自然也就得到了很大的改善[7]。但是高含量的硅也會造成一定的影響，首先硅的含量增高，那么對合金材料產生好的作用的同時，必然也會對合金材料產生不好的作用，例如好的作用是合金材料中硅的元素比較多時，從而后期對合金材料進行時效處理時，合金中能夠強化作用的相就會很容易析出，進而能夠獲得很好的強化作用。相反，不好的作用是當合金材料中硅的含量比較多的時候，合金晶體的晶界出會有硅的堆積，這樣合金的性能受到了嚴重的影響，比如更容易被腐蝕[8]。錳元素的影響根據工程材料學所學內容，我們也了解到錳在鋁中的固溶度是較低的，所以固溶強化效果也是非常有限的，錳在鋁中的溶解度雖然是有變化的，但是有鐵雜質的存在，那么就會形成錳鐵鋁的化合物，這一化合物是不溶于鋁的，所以不能固溶強化，鋁錳系的第二相MnAl6與鋁的電化學性質相似，并且抗蝕性也是非常好的，所以錳常常被加在防銹鋁合金中，它的質量分數一般不超過百分之二。當在鋁基體當中有錳元素溶解時，合金的再結晶溫度將會得到很大的提高。這種作用現象和鋁的純度、錳的含量有著密切的關系，二者越高，現象越顯著。鋁合金在再結晶過程中晶粒的細化也就是錳的作用造成的，這種現象的機理是在鋁中加入錳元素后形成MnAl6相，合金在再結晶過程中晶粒的長大受到了阻礙[9,10]。合金中呈顆粒狀的彌散相就是由錳形成的，合金在擠壓過程中的再結晶程度可以被這種顆粒狀的相所阻礙，這一過程會有強化相析出，并且這一相的析出也會得到促進[11,12,13,14]。所以，要想提高該合金的強度等性能，可以選擇在該合金中加入一定量的錳元素，這樣能夠使合金的性能得到一定的提高。銅元素的影響根據工程材料學所學內容，我們也了解到合金室溫強度的提高是可以通過銅在鋁中的固溶強化和沉淀強化來實現的，而且這樣還可以使鋁銅的耐熱性得到增加，所以，銅是耐熱鋁合金及高強度鋁合金的主要的合金元素，銅在合金中形成的亞穩平衡及平衡相是鋁合金中重要的沉淀強化相。晶間腐蝕是銅元素加入后帶來的主要害處[15,16]。時效滯后現象是在Al-Si-Mg系合金中經常出現的現象，這一現象也就是停放效應，各元素的固溶度在合金中的差異是造成這一現象的主要原因，鎂的固溶度大于硅，所以硅會先偏聚析出，小尺寸的聚集區可能又會發生溶解在后面的人工時效。因此，若鋁合金中強化相含量較高時，銅元素能改變時效，進而能夠很好地解決時效滯后過程的不好影響，所以加工時人們會加入銅元素。在合金中加入銅元素，這樣能夠改善合金的性能，比如能夠改善合金材料的通電能力，并且銅元素的加入也是對材料的機械的性能是有益的，但在有的合金中加入過多銅元素時，會對合金的某些性能產生不好的影響。[17,18]。鐵元素的影響在Al-Si-Mg材料當中，會有一些雜質元素，其中就包括鐵，合金的顯微組織與硬度強度等都與鐵元素的存在有著密切的關系。在該材料中加入少量鐵可以使該材料晶粒細化，但是鋁可以和鐵形成使合金性能受到危害的相，從而合金的抗腐蝕性會被降低[19，20]。當該材料中鐵元素含量較高的時候，會因為化學作用產生原材料中沒有的相，這些相會對材料的性能造成不好的影響[21]。所以要想生產出耐蝕性較好的鋁合金材料時，一定要控制好鐵元素的含量。鋅元素的影響同樣我們也能在工程材料學中了解到鋅在鋁中的溶解度是非常大的，而且固溶強化能力也是非常強的，少量的鋅不僅能夠提高合金的強度，也會使合金的抗蝕性得到很大的提高，在多元鋁合金中要想提高其沉淀強化效果可通過加入一定量的鋅來實現。Al-Si-Mg系鋁合金熱處理工藝均勻化處理對于該合金材料而言，材料中溶質原子的擴散能力對合金材料本身的的性能是有很大影響的，熱處理的目的就是改變合金的性能，那么均勻化熱處理也就是為了改善原子擴散能力，如果擴散能力得到改善，那么合金中組織分布也就自然變得均勻，此時合金的性能也自然得到提高[22,23,24]。所謂均勻化熱處理也就是先對合金進行加熱，當加熱到一定的溫度后，然后再把合金材料保溫一定的時間，保溫后立即冷卻，這樣做的目的是為了讓可溶相充分的溶解，從而形成一種強化相。在均勻化過程中，像鐵、錳、鉻等元素會與鋁元素結合，所以要想改變合金的性能，用一定的方法去改變這種元素之間的結合作用就可以實現。劉靜安[25]等人對6063鋁合金做了這種熱處理加工工藝，并且通過實驗結果發現合金中針狀相會在這一處理過程中轉變為球狀的顆粒，這樣合金的某些性能也就得到了改善。張中可[26]等人對Mg2Si這一強化相做了這個處理加工工藝，并且通過研究發現了當這一處理工藝的時間發生改變時，這一強化相也就會慢慢的溶解，那么這樣合金的某些性能也就得到了很大的改善。在現實生產該實驗材料過程中，這一處理加工工藝是非常重要的，但是用這一處理工藝去改善合金性能是有限的，所以，對于需要處理的實驗材料來說，工藝參數的準確性是非常重要的，只有這樣才能取得較好的結果。固溶處理首先在一個較高溫度環境下把鋁加熱并且保溫一定時間后，立刻就拿出來對其進行淬火冷卻，這通常被稱為固溶處理。因為合金中有一定量能溶的相，那么這樣做也就是為了當材料在高溫度的條件下，使這些能溶的相盡量都能融到基體中，接著會得到固溶體[27]。那么我們也了解到固溶處理是有好處的，首先它能使材料中組織發生變化，使材料中非平衡相轉變成單相的固溶體，由于我們還要對材料進行時效處理，那么在時效處理過程中，合金材料的性能就能夠得到很好的改進。1.固溶溫度當對實驗材料進行固處理時，那么固溶溫度是不能隨意選取的，可以通過合金相圖進行參考，進而選取合適的固溶加熱溫度。如果出現低熔點共晶熔化那么說明固溶加熱溫度超過共晶轉變溫度，也就是實驗中所說的過燒。在理論上認為共晶轉變溫度就是過燒溫度，但是在實驗中由于金屬元素在合金中的分布的是有不均勻現象的，這樣就導致理論上的共晶轉變溫度比實際中合金的過燒溫度高一些。所以對合金材料進行固溶處理時，溫度的差值要控制好，不能太小，也不能太大。2.保溫時間經研究表明[28]，對材料進行固溶處理加工時，如果加熱的溫度比較高，那么保溫的時間就要相應的減小。材料在經受較大變形加工過程中，對其保溫的時間應該短一些。介質是非常容易影響合金的固溶處理保溫時間的，熱空氣和鹽浴這兩種介質的影響效果是有很大不同的。當合金材料在鹽浴中加熱的時候，加熱效果會比較好，所以和在空氣中加熱相比加熱時間要短得比較多。因為在固溶處理后，要對合金進行時效處理，并且要想在這個過程中讓合金材料得到較好的強化作用，要盡可能的讓第二相粒子熔解。但保溫時間變長的時候，對一些合金材料來說將會產生不好的影響效果，所以一定要選取最佳的條件。3.淬火轉移時間淬火轉移時間也是鋁合金淬火熱處理工藝中一個非常重要的影響因素，所謂的淬火轉移時間,也就是從固溶處理爐的爐門打開或者是鍛件從鹽浴槽開始露出到鍛件全部浸入淬火介質中所經歷的時間。合金的體積，應用的器材等因素都會對淬火轉移時間產生一定的影響，所以這也就是影響淬火轉移時間的因素。時效熱處理工藝時效主要是去改變Al-Si-Mg系鋁合金的組織結構以及分布，從而使材料的力學性能得到提高[29]。在鋁合金的熱處理上主要有單級時效、二次時效和雙級時效三種時效熱處理工藝。1.單級時效單級時效是指一級時效，也就是時效溫度單一，時效時間的固定是一種時效工藝，該工藝的目的是為了達到高強度，其優點是使合金的強度在很短的時間內得到提高，但是它的缺點是使合金強度提高的同時會使合金的塑性和抗蝕性降低。一級時效熱處理工藝通常由兩部分組成，先固溶淬火后立刻就進行完全的人工時效。為了能使合金能夠析出強化相，從而使合金的某些力學性能得到提高，完全人工時效是非常好的方法。比如潘貽輝[30]等人對該合金材料進行了人工的時效處理工藝，經過實驗結果觀察發現了合金的組織發生了變化，出現了細化現象，并且合金的某些力學性能得到了提高。2.二次時效鋁合金的二次時效和一級時效的差別就是，二次時效會有一個事先的欠時效，這一過程的要求是溫度要高，保持溫度不變一段時間后，然后再繼續進行時效處理，這一過程的要求是溫度要低一些。將合金放到較低的溫度環境下，讓之前殘留的溶質原子慢慢的析出，強化相密度發生改變，這樣合金的力學性能也就得到了提高。和一級時效相比較，二次時效的好處就是合金中強化相的密度發生了改變，進而合金的力學性能得到了提高[31]。3.雙級時效時效熱處理工藝中除了單級時效，二次時效，還有雙級時效，雙級時效熱處理工藝就是先對合金進行欠時效在較低的溫度環境下，接著對其進行最后的時效處理在比較高的溫度條件下，這一工藝的好處就是使合金的抗腐蝕性和力學性能一起得到提高。穩定態的G.P.區到過渡的強化相再到穩定的析出相這一過程就是合金在雙級時效處理過程中組織的析出順序。4.形變熱處理形變熱處理是把塑性變形與熱處理很好的結合在一起，這樣就會得到形變強化與相邊強化，從而使合金的力學性能得到提高。當金屬在塑性加工的過程中會發生大量的塑性變形，那么合金中就會增加很多缺陷，例如位錯密度這一缺陷，進而合金組織的分布就會發生改變。接著對合金進行下一步的熱處理，使合金當中強化相時效析出得到提高，進而使合金的多種力學性能得到提高[32,33,34]。鋁合金可以通過形變熱處理工藝使其晶粒細化、合金在實際加工的流程當中的塑性與韌性也能通過此工藝得到很大的提高。

2試驗材料制備與試驗方法本次實驗中研究的材料為Al-10Si-Mg-0.1Re鋁合金，其主要制備過程是根據事先制定的參數進行合金的熔煉、澆鑄成形，然后再通過擠壓進行變形等加工工藝得到的材料。2.1合金熔煉首先根據事先制定的合金的成分進行配料、熔煉熔煉等工藝。在熔煉的過程中，合金的質量可能會受到外界其他一些因素的影響，所以要采取一定的措施去降低外界因素的干擾，要盡最大能力把可能會形成的缺陷減少到最低，從而保證合金熔煉的質量。所以在熔煉過程中以下幾點是我們要注意的：1.我們要把事先準備好的材料認真的進行清洗，使材料干凈、然后再將其吹干，使其保持干燥，堅決不能讓泥、砂殘留在材料表面，并且也不能使其他金屬和非金屬雜質夾入材料中。2.使用熔煉爐時，要對熔煉爐進行冷爐、烘爐，這一操作的時間最好是二到六個小時以上。3.在熔煉的過程中可以把熔煉的溫度設置為七百二十到七百七十度，而且還要通過氮氣進行排氣，排氣的次數為兩次。4在熔煉過程中，金屬元素的加入順序也是有一定要求的，所以要事先規定好金屬元素的加入順序，也就是最先加入鋁接著加入錳等金屬元素，最后再加入鋁鈦硼細化劑，因為這樣才能保證金屬元屬很好的溶解到鋁中。通過對熔解的金屬進行多次的排氣、去渣操作，然后進行澆鑄選擇陶瓷模具去進行，把澆鑄的溫度設置為七百二十到七百四十度左右，將合金澆鑄成塊狀后，再把澆鑄后的塊狀的多余部分切掉。重力鑄造的Al-Si-Mg系鋁合金的具體化學成分量(wt%)如下。鎂元素含量約為0.987硅元素含量約為1.04鐵元素含量約為0.213錳元素含量約為0.61銅元素含量約為0.022鉻元素含量約為0.008鋅元素含量約為0.018其他元素含量約為0.06剩余量為鋁元素。2.2試驗設備本次試驗使用的所有機器設備有：管式電阻爐SK2-1-10鉬絲線切割機掃描電子顯微鏡蔡司GeminiSupra40型顯微硬度計FM-700拉伸機YJ-3007..金相顯微鏡DM13000M8.金相試樣拋光機9.能譜儀EDAX-Falcon除此之外本次實驗中所使用的輔助物品有：拋光布200#砂紙400#砂紙600#砂紙800#砂紙1000#砂紙拋光劑洗潔精酒精吹風機2.3熱處理工藝制定這次實驗對材料進行的是固溶加時效的熱處理工藝。對材料進行固溶處理工藝用的器械是Sk2-1-1管式電阻爐，并利用熱電偶觀察溫度變化，控制溫度波動幅度不超過十度。淬火的介質使用常溫水，淬火轉移時間不要超過二十秒，淬火停放時間不能超過十二小時；對材料時效處理工藝是在電熱鼓風干燥箱中進行的，控制溫度波動幅度不超過2℃。2.3.1固溶處理首先在一個較高溫度環境下把鋁加熱并且保溫一定時間后，立刻就拿出來對其進行淬火冷卻，這通常被稱為固溶處理。它能使材料中組織發生變化，使材料中非平衡相轉變成單相的固溶體，為時效處理做準備，改善合金性能。固溶處理的兩個主要因素是固溶溫度和固溶時間。固溶溫度的確定：溫度是非常容易對Al-Si-Mg系鋁合金造成影響的，Al-Si-Mg系鋁合金的固溶溫度范圍較小，所以本次試驗的固溶溫度的確定，對鋁合金熱處理也是提供了一個準確的工藝參數。根據分析把固溶溫度定為五百三十度對材料進行研究。2：固溶時間的確定：Al-Si-Mg系鋁合金的固溶時間范圍是比較大的，因此本試驗所采用的固溶保溫時間分別為6.5h。2.3.2人工時效對試樣通過固溶處理后得出固溶處理參數為530℃×6.5h。那么這個參數可以作為對人工時效研究的基礎，人工時效溫度分別為150、160、170、180、190℃，時效時間為3小時。目的是通過研究時效參數的不同從而對合金組織和性能造成不同的影響，從而選取最合適的時效處理工藝參數。2.4力學性能試驗2.4.1顯微硬度試驗事先準備的試樣的尺寸為10mm×10mm×11mm,所要進行測試試樣的表面上下要保持光滑平整并且要相互平行，在測試開始要把試樣的待測表面用砂紙打磨光滑，然后再用拋光機對試件進行拋光，拋掉劃痕。然后在顯微硬度計上對試件進行顯微硬度測試，加載力為100gf,保載時間為15s。每個試樣大約測量二十個硬度值。2.4.2拉伸試驗根據標準的數據去設置拉伸試件的形狀尺寸大小，把試驗材料進行按下圖所示的形狀尺寸在線切割機上進行切割。把切成的拉伸試件進行簡單的打磨，打磨掉鉬絲在切割時在試件上殘留的棱角，然后把試件放在拉伸試驗機上做拉伸實驗，拉伸速率為2mm/min，每個熱處理條件下有四個拉伸件，依次對其進拉伸測試，記下準確數值，然后計算出相應的抗拉強度和延伸率等。我們計算抗拉強度和延伸率采用的公式為：σb=P/(b*h)(2.1)這個公式中：σb表示的是抗拉強度，單位是MPaP表示的是最大破壞載荷，單位是KNb表示的是試樣寬度，單位是mmh表示的是試樣厚度，單位是mmδ=（L0-L)/L0(2.2)這個公式中：δ表示的是延伸率，單位是%L0表示的原始標距，單位是mmL表示的是拉斷后標距，單位是mm2.5組織觀察2.5.1金相組織觀察把已經鑄成的塊狀合金材料使用線切割機分別截取10mm×10mm×11mm的樣品，首先我們把切下來并且經過處理的試件用200#砂紙選擇一平面進行打磨，打磨掉鑄造和熱處理以及線切割所殘留下的痕跡，當表面光滑后，我們選擇400#砂紙進行打磨，打磨掉200#砂紙所留下的深大的劃痕，接著我們依次使用600#，800#對試樣進行打磨，最后我們把磨好的試樣在拋光機上進行拋光，直到試樣表面光亮平滑，然后用清水清洗試件表面，然后再用酒精沖洗試件表面，然后用吹風機迅速將試樣表面吹干，最后用金相顯微鏡進行觀察，若無明顯劃痕就拍照采集圖像。2.5.2掃描電鏡及能譜分析把之前拋光好的試用掃描電子顯微鏡進行顯微組織的觀察和能譜分析。目的是為了分析合金的不同相分布情況以及第二相粒子形貌特征等。

3時效處理對組織和力學性能的影響Al-10Si-Mg-Re鋁合金經過固溶處理后，由于晶界處第二相向晶內的擴散分解、以及α-Al晶內的成分均勻化，將導致Al-10Si-Mg-Re合金的強度、硬度等力學性能降低。為進一步提高鋁合金的綜合力學性能，可以對其進行時效處理。時效處理有自然時效和人工時效之分，也可分為單級時效、二次時效、雙級時效等。本試驗在對Al-10Si-Mg-Re鋁合金進行固溶處理的基礎上，主要利用單級人工時效對Al-10Si-Mg-Re鋁合金材料進行處理，重點研究人工時效工藝對Al-10Si-Mg-Re鋁合金材料組織及性能的影響。本論文設定的固溶處理參數為：固溶處理溫度530℃、固溶處理時間6.5小時。在這一固溶處理工藝條件下，分別對Al-10Si-Mg-Re鋁合金進行150℃、160℃、170℃、180℃、190℃的人工時效，時效時間均為3h。本章重點研究人工時效處理工藝對Al-10Si-Mg-Re鋁合金顯微組織及性能的影響，并對人工時效處理工藝進行優化。3.1時效處理對力學性能的影響3.1.1人工時效對力學性能的影響把準備的鋁合金材料經過530℃×6.5h固溶處理以后，把事先分好組的試件放在管式電阻爐分別進行150℃、160℃、170℃、180℃、190℃時效，無時效處理時的實驗合金材料的顯微硬度為108.9，鋁合金材料經過不同時效處理后的顯微硬度值如下。表3.1不同時效溫度下的硬度值時效溫度/℃150160170180190硬度值/HV110.6127.5141.9128.3122.9如圖3.1所示，時效溫度參數的不同對合金顯微硬度的影響曲線。從圖中可以明顯的看出，時效溫度的不同，合金的顯微硬度平均值是不同的，當不對試件進行時效處理時，該合金材料的平均顯微硬度值為108.9，當在時效時間都為3h的時候，時效溫度為150℃時，該合金材料的平均顯微硬度值為110.6。從沒有時效到時效溫度為150℃這一區間，合金的顯微硬度是緩慢增加的，當合金的時效溫度依次為160℃、170℃時，該合金材料的平均顯微硬度值依次為127.5、141.9，我們可以明顯的看出時效溫度為150℃到170℃這一區間，該合金材料的顯微硬度是大幅度增加的，并且在時效溫度為170℃時，該合金材料的顯微硬度值達到了一個峰值，當我們繼續對該合金材料依次進行180℃、190℃時效處理時，該合金材料的平均顯微硬度值為128.3、122.9，我們也可以明顯的看出170℃到190℃這一區間，該合金材料的顯微硬度值就開始呈現了下降的態勢，所以當時效處理時間為3h時,該合金材料的顯微硬度最大值是在時效溫度為170℃時出現的。根據工程材料學可知時效溫度是GP區數量和大小的決定性因素。當時效溫度升高時，那么基體中空位數量就會增多，與此同時合金中溶質原子的擴散能力也相應的得到了提高，這樣也就會促進GP區長大，那么GP區尺寸也就會變大，其密度出現了降低。當時效溫度為170℃時，那么GP區會均勻的變大，因此就可以獲得高密度的強化相，所以這個時效溫度下該合金材料的顯微硬度值最高。3.2時效處理對微觀組織的影響3.2.1時效溫度對微觀組織的影響如下圖所示為試樣經過530℃×6.5h固溶處理以后，分別在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃下時效處理3h后所采集的金相照片以及無時效處理的金相照片。((a)Al-Si-Mg系的鋁合金是極其容易通過時效處理來強化的合金，通過工程材料學所介紹的鋁合金內容上了解到，在Al-Si-Mg系鋁合金中，Mg2Si是該鋁合金中的主要的強化相，把該實驗材料進行固溶處理后，我們會發現這一實驗材料會呈現出過飽和固溶狀態，并且這種狀態是不穩定的，然而后期我們對實驗材料采用的時效處理就是讓這種狀態不穩定的過飽和固溶體發生分解。合金在時效處理時，會出現相析出的現象，而且也是有一定的析出過程，這個過程主要是α過飽和固溶體→GP區→針狀亞穩相→桿棒狀亞穩相→Mg2Si平衡相。通過上面的金相照片可以看出，合金試件經過530℃×6.5h固溶處理后，分別在150℃、160、170℃、180℃、190℃時效處理3h后，我們會發現材料的顯微組織會發生非常明顯的變化。當經過150℃，160℃時效處理后，從上面的圖片可以看出合金的基體表面析出的強化相的分布是較均勻的，但是強化相的數量比較少。這是因為當時效開始時，因為合金中的GP區與基體共晶格，而且晶界界能和形核功是很小的，所以在溫度比較低的情況下GP區首先形核析出，但是因為時效處理溫度條件較低，所以析出的亞穩相比較少，而且還不能長大，所以最后生成的β相的數量不多，這樣的情況下位錯運動所受的阻礙會比較小，所以合金的硬度值比較小。當我們對實驗試件時效處理溫度為170℃時，從上面采集不同倍數下的金相照片可以清楚的看出我們的處理后的試樣的組織中有很多β相顆粒，這說明我們采取的170℃這一時效溫度是非常合適的，使GP區轉向β＇過渡相數量比較多，體積也較大，轉化成β相較多，因為析出β相顆粒的數量很多，那么這樣位錯運動就會受到非常大的阻礙，從而合金硬度能夠得到很大的提高。當在溫度高于170℃的180℃、190℃的溫度下時效時，和溫度為170℃的條件相比，由采集的金相照片能夠看出試樣的組織中有很多的β相顆粒，而且這些顆粒呈現出聚集長大現象。β相顆粒本身尺寸較粗大，由于這個原因位錯運動所受的阻礙會被減弱，那么合金的硬度也是較低的。所以根據上面分析可以得到對于Al-Si-Mg系鋁合金，當時效溫度比較低時，那么強化相析出數量會較少，當時效溫度較高時，那么強化相顆粒的尺寸會較粗大，所以無論溫度較高還是溫度較低時，合金材料的力學性能都不是最好的，所以我們很容易得出，當溫度為170℃時效處理時，合金材料的硬度值最大，力學性能最好。3.3不同時效溫度下掃描分析下圖為合金材料在530℃×6.5h條件下固溶后，然后分別在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃下時效處理3h的掃描形貌照片。從上面的掃描圖片可以清楚的看出，在對實驗試件進行不同溫度的時效處理后，那么實驗合金的組織中有兩種特征不同的第二相。其中一種是尺寸不大的、并且經過擠壓所出現的長條狀的類似于針狀的α-(AlMnFeSi)夾雜相，這一夾雜相是不溶相，所以會被一直保留。然而另一種是尺寸較小并且是時效過程中所析出的相，這一相是彌散分布著的。從掃描圖片中能過大致了解到，時效處理的溫度升高時，那么第二相的數量也會變多，當溫度在180℃時，晶粒慢慢的變大，這樣析出相和時效溫度為170℃條件下的相比較粗大。3.4時效溫度對抗拉強度及延伸率的影響把實驗材料在530℃×6.5h的條件下固溶處理后，然后接著在150℃、160℃、170℃、180℃、190℃溫度條件下對實驗材料進行時效處理3h，然后我們把熱處理好的試件切成事先制定好尺寸大小的拉伸試件，然后用砂紙簡單打磨試件，接著對試件進行拉伸實驗，得到如下數據，無時效的試件的抗拉強度與延伸率為422.88MPa、2.53%，時效處理如下表3.2表3.2不同時效溫度下的抗拉強度、延伸率時效溫度/℃150160170180190抗拉強度/MPa402.86464.37428.69387333.67延伸率/%2.682.482.11.81.87根據數據畫的圖像如圖3.13：從上面兩個圖片中我們可以清楚的看到，隨著時效溫度升高，該實驗材料的抗拉強度呈現出先升高后降低的趨勢，然而延伸率則呈現出先下降后升高的趨勢。合金的抗拉強度的峰值出現在時效溫度為160℃的時候，在該溫度下，合金的抗拉強度、延伸率依次為464.37MPa、2.48%。實驗材料在相同的固溶條件下處理后，隨著時效溫度升高，合金的抗拉強度呈現出先升高后降低的趨勢，然而合金的延伸率變化趨勢是相反的，呈現出先降低后升高的趨勢，這也反映出合金的塑性是隨著時效溫度的升高而呈現出先降低后升高的趨勢。3.5掃描以及能譜分析把實驗材料進行掃描觀察和能譜分析，深一步的去探索實驗材料也就是Al-Si-Mg鋁合金還存有其他哪些相，而且其中含有的強化相和其他不溶相的種類和成分是什么，根據這些確定該Al-Si-Mg系鋁合金材料中第二相的種類和成分，以及確定該合金材料中元素的種類，成分，含量等。如下是掃描及能譜分析數據。把合金材料不同位置的組織進行了SEM觀察以及EDS分析。從掃描圖片以及能譜分析得到的數據中可以了解到，在該實驗材料合金組織中相主要大約有兩種：（1）其中之一是主要由Al、Fe、Si、Mn元素組成的相，該相形狀類似于針狀。（2）另一種則是由Mg、Si組成的相，尺寸比較粗大，形狀類似于球狀。并且我們根據能譜分析以及合金含量表能夠知道我們的實驗材料中富含Fe、Mn、Si元素且形狀類似于針狀的相為α-(AlMnFeSi)。而另一種含有Mg、Si元素，尺寸較大，形狀類似于球狀顆粒的相為Mg2Si。3.6分析根據工程材料學我們了解到，所謂的時效，可認為是淬火后所得到的鋁合金過飽和固溶體在一定的溫度條件下隨著時間的延長而發生分解的現象，從而使合金的強度和硬度等力學性能得到提高。鋁合金時效強化的實質為，沉淀強化相從過飽和固溶體中析出和長大，從而使合金性能得到提高。所以，沉淀強化相的大小還有其與基體界面關系是決定合金力學性能的非常重要因素。在室溫條件下合金自發的強化過程叫做自然時效，在人為的加熱條件下進行的時效過程叫做人工時效。在時效過程中合金的性能是和組織的變化密切相關，最大的時效強化效果對應于過