铝合金制备综合实验

目录

摘要 (1)

引言 (2)

一、实验目的 (3)

二、实验设备 (4)

2.1、熔炼设备 (5)

2.2、固溶处理、时效处理设备 (6)

2.3、硬度测试设备 (7)

2.4、金相试样制备及观察记录设备 (8)

三、实验原理 (9)

3.1、铝合金熔炼 (10)

3.2、固溶处理和时效处理 (11)

3.3、硬度测定 (12)

四、工艺制定 (13)

4.1、铝合金制备工艺 (14)

4.2、铝合金固溶处理、时效处理工艺 (15)

五、实验步骤 (16)

5.1铝合金制备 (17)

5.2热处理 (18)

5..3硬度测试 (19)

5.4金相试样制备及组织拍照 (20)

六、实验数据及现象分析、处理 (21)

七、实验结论 (22)

参考文献 (23)

（可以根据自己写的删减）

摘要: 铝合金具有密度小、导热性好、易于成形和价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。目前铝材的用量与范围仅次于钢铁，是第二大金属材料。航空工业中虽然钛合金及复合材料亦逐渐受到重视，但铝合金仍为目前使用最广泛的飞机结构用材。通过对铝合金的时效处理，来增强铝合金的强度、硬度，是一种常用的铝合金强化方法。同时探索铝合金的时效强化与温度、时间之间的关系。

引言：Al-Cu合金是常见的二元合金。在Al-Cu二元合金相图中，当Cu含量低于5.65%时，随着温度的降低，会从初相中析出第二相。正是因为这个特点的存在使得铝合金的弥散强化特点比较明显，所以可以通过人工时效的方法，设计方案来达到强化铝合金的目的。实验就是通过设计不同温度、不同时效时间来测定铝合金的时效强化的特点。同时对于铝基合金的制备有初步的了解，能够分析铝合金的组织和性能特点。

摘要和引言是你自己对这个实验的理解，到目前为止，我也不知道这里怎么写才好

一、实验目的

（1）铝基合金材料成分及组织设计，满足工件的基本要求。（2）设计铝合金熔炼制备工艺。

（3）设计铝合金固溶+时效的工艺。

（4）测试铝合金的性能以及铝合金金相组织分析。

（5）通过实验，掌握铝合金熔炼的基本方法，铝合金热处理的工艺参数，以及性能测试与金相组织分析技术。

（我不是很明确是否根据任务书上面的“工件要求”。。这里要自己理解一下）

2.1熔炼设备

SG2-5-12坩埚电阻炉

浇铸模（可自由脱模式）

热电偶及控温仪表

铝块50%Al-Cu合金

天平坩埚扒灰棒抱钳

2.2 固溶处理、时效处理设备

箱式电阻炉

控温设备

UJ33D-2型数字电位差计

细铁丝

水桶

2.3硬度测试设备

HB-3000C布氏硬度机

读数显微镜

2.4金相试样制备及观察记录设备

砂纸（120# 180# 240# 320# 400# 600# 800#）

预磨机抛光机玻璃板锉刀

Cr2O3抛光液5%HF溶液无水乙醇脱脂棉热吹风金相显微镜外接数码成像系统计算机

（遗漏的可以自己添上）

3.1铝合金熔炼

铝合金熔炼其工艺参数和规程如下：

（1）熔炼温度

熔炼温度越高，合金化程度越完全，但熔体氧化吸氢倾向化越大，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性越大。通常，路合金的熔炼温度都控制在合金液相线温度以上50~100℃的范围内。从图3.1的Al-Cu相图可知，Al-5%Cu的液相线温度大致为660~670℃，因此，他的熔炼温度应定在710~760℃之间。浇筑温度为730℃左右。

图3.1 铝铜二元相图

（2）熔炼时间

熔炼时间是指从装炉升温开始到熔体出炉为止，炉料以固体和液体形式停留于熔炉中的总时间。熔炼时间越长，则熔炉生产率越低，炉料

氧化吸气程度越严重，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向化越大。精炼后的熔体，在炉中停留的时间越久，则熔体重新污染，成分发生变化，质量降低的可能性越大。因此，作为一条总的原则，在保证一系列的工艺操作所必须要的时间的前提下，应尽量缩短熔炼时间。

(3)合金元素的加入方式

与铝相比，铜的比重大，熔点虽高（1083℃），但在铝中的溶解度大，熔解热也很大，无需预热即可溶解，因此，可以以纯金属板的形式直接加如熔体，也可与纯铝一同加入。

（4）要注意覆盖

众所周知，铝在高温熔融状态，极易形成Al2O3氧化膜，因此要对铝熔体进行保护。就铝铜合金而言，所用的覆盖剂为：40%KCl+40%NaCl+20%冰晶石的粉末物。它们的比重约为2.3g/cm3,熔点约为670℃，这种覆盖剂不仅能防止熔体氧化和吸氢，同时还具有排氢的作用。这是因为它的熔点比熔体低，比重比熔体小，还具有良好的润湿性能，在熔体表面能够形成一层连续的液体覆盖膜，将熔体和炉料隔开，且具有一定的精炼能力，因而，这种覆盖剂具有良好的覆盖、分离、精炼的综合工艺性能。加入量一般为熔体的2~5%。（5）精炼

当熔体完全溶解时，稳定炉温，将Ar通过管道通入炉内，并且搅动熔液，可以看见熔体有气泡冒出。通过Ar搅动熔液，使杂质上浮。通完气体后，使熔体静置放置一段时间，最终完成精炼过程。

（6）要注意扒渣

当炉料全部融化后，在熔体表面会形成一层由有机溶剂、金属氧化物和其他非金属夹杂物所组成的熔渣。在进行浇注之前，必须将这层渣除去。其目的是：1）防止熔体夹渣；2）减少熔体吸气机会；3）加强传热。扒渣时，工具要干净，要预热，操作要平稳不起波浪。(7)金属模要涂上涂料并加热到300℃左右。

3.2固溶处理和时效处理

固溶处理

把铸件加热到尽可能高的温度，接近于共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度地溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理。固溶处理可提高铸件强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能。但对高温下晶粒长大倾向性大的合金（如6A02等），应限制最高淬火加热温度。

当加热温度高于低熔点共晶的熔点，使低熔点共晶和晶界复熔的现象叫过烧。固溶体脱溶是热处理可强化铝合金进行强化热处理(淬火和时效)的基础。

热处理可强化铝合金含有较大量的能溶入铝中的合金元素，如铜、镁、锌、硅等，它们的含量超过室温下的平衡固溶度极限，甚至可超过共晶温度的最大溶解度。室温平衡组织为α+β。α为基体固溶体，β为第二相。合金加热到接近共晶体的熔点温度时，β相将溶入基体而得到单相的α固溶体，这种处理称之为固溶处理。若快速降低至一

定温度以下（淬火），固溶体成为过饱和状态，超过平衡溶入量的溶质就有析出的倾向，在一定的条件下，多余的溶质就以β相的形式析出，这种现象称为脱溶或沉淀。

大多数铝合金在室温下就可产生脱溶过程，这种现象称为自然时效。若将淬火得到的基体为过饱和固溶体的合金在高于室温的温度下加热，则脱溶过程可能加速，这种操作称为人工时效。

时效处理

将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。时效强化也叫沉淀强化,它是通过热处理来实现的，它仅适用于固溶度随温度降低而减少的合金。时效理论：

时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果，它不仅决定于合金的组成、时效工艺、以及取决于合金在生产过程中所造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。

铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却速度快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和是处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。

硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就增多，硬化区的尺寸减小。

淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减少硬化区的尺寸。淬火冷却速度与合金中强化相的质量分数成正比。大多数可热处理强化的铝合金都符合随温度增加固溶度增加。

淬火前合金元素的固溶→淬火后的任意、无序分布→时效初期的在铝基体的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，→时效温度升高和时间延长，合金元素继续偏聚并发生有序化，它与基体仍保持共格关系，但尺寸较前为大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，达最大强化阶段。→随时效过程进一步发展，原子继续偏聚，当与铝形成一定比例（原子数比）时，形成过渡相，与基体共格关系开始破坏，完全共格变成局部共格，硬度开始下降→过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立稳定相（如铜铝合金中的CuAl2相），共格关系被破坏，并有自己独立的晶格，质点聚集长大，合金强度、硬度进一步降低，合金就软化并称作过时效。

影响时效的因素：

1）．从淬火到人工时效之间停留时间的影响。

2）．合金的化学成分的影响。

3）．固溶处理工艺的影响。

4）．时效温度的影响

3.3硬度测定

布氏硬度计原理：用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。

测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。布氏硬度计的特点。

布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。

规则一：要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即。这个规则来源于相似律。根据相似律，不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球

直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2。在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/D2。

规则二：试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24D < d < 0.6D。否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。

四、工艺制定

4.1铝铜合金熔炼工艺流程

4.2固溶处理和时效处理工艺

（1）固溶处理

（2）时效处理

（没有想到怎么画）

五、实验步骤

5.1铝合金制备

（1）用太平称取铝锭和50%Al-Cu的质量，配制所需比例的铝合金。（2）将原料加入坩埚电阻炉内（提前预热），盖好盖子，并且调节温度，使铝合金熔融。

（3）给模具刷上涂料，并放入炉子中预热。

（4）当炉料全部溶解后，稳定温度，通入氩气3min，并且搅动溶液。然后静置8min。

（5）使用工具进行扒渣，等待浇注。

（6）用勺子将熔液浇入模具内，等待冷却后，自动脱模。

（7）将脱模的铝锭用冷水冷至室温，并切成统一规格的小试样。（8）将没有浇注完的铝液倒在空置的大模具里，待定。

5.2固溶处理和时效处理

1）固溶处理

（1）清理热处理炉内，使炉内保持干净，关闭炉门。检查完毕后接通电源。

（2）设定需要的温度（525℃），调节加热速率，让电阻炉升温。（3）对每一台热处理的炉子采用UJ33D-2型数字电位差计校正炉温，并记录炉温的差值，调节电阻炉使炉内的温度达到理论设计值。（4）当炉内的温度达到设定值，并保持恒定时，放入需热处理的试样。待炉内温度再次达到恒定时，开始记录保温时间。

（5）将试样保温9h，取出后放入冷水中，一段时间后取出，完成固溶处理。

2）时效处理

（1）清理热处理炉内，使炉内保持干净，关闭炉门。检查完毕后接通电源。

（2）设定需要的温度（120℃140℃160℃180℃200℃）调节节加热速率，让电阻炉升温。

（3）对每一台热处理的炉子采用UJ33D-2型数字电位差计校正炉温，并记录炉温的差值，调节电阻炉使炉内的温度达到理论设计值。（4）当炉内的温度达到设定值，并保持恒定时，将固溶处理过后的试样放入炉中。待炉内温度再次达到恒定时，开始记录保温时间。（5）依次从炉子中按3 、4 、5、6、7、8、9小时各取出一个试样。取出的样品空冷。

（6）将试样贴好标签，完成时效处理。

5.3硬度测试

（1）检查布氏硬度机，确保正常后打开电源。

（2）保持试样表面光滑平整，并放在载物台上。

（3）旋转罗盘使压头与试样表面接触，再旋转一圈。

（4）按“开始测试”键，对试样进行加载、保荷、卸载过程。（5）完成后取下试样，重复操作，得到三个压痕。

（6）用显微读数器读出压痕的直径，并且查表得到硬度值。

5.4、金相试样制备及组织拍照

5.4.1样品的制备

（1）试样磨制。

用一套金相砂纸（包括120# 180# 240#，320# ，400#，600# 800#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90°，以便于观察原磨痕的消除情况。

最后，将样品在预磨机上用120#砂纸磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。

（2）试样抛光。

样品在金相样品抛光机上细抛，抛光液采用Cr2O3水溶液，使样品表面达到光亮如镜的光洁度。

1)显微组织的腐蚀

将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（5%HF溶液）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。

2)显微组织的观察与记录

制备好的样品用显微镜在40～400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。选择合适的放大倍数利用数码照相系统对样品进行数码照相。

六、实验数据及现象分析、处理

贴图，，分析硬度值要画图

七、实验结论

参考文献

致谢是什么玩意我也没搞懂