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铝合金力学性能的测定

一、实验原理
将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤，在初试验力F0 和主试验力F1 先后作用下，压入试样表面，保持一定时间，卸除主试验力，保留初试验力，此时的压入深度为h2，在初试验力作用下的压入深度为 h0，它们之差e(h2—h0)来表示压痕深度的永久增量。每压入0.002mm为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度试验原理图如图1所示。

图1 洛氏硬度试验原理图

图2 洛氏硬度—试样最小厚度关系图（用球压头试验（B、E、F、G、H和K标尺））

二、实验要求
1、样品测试面需要经过200号水砂纸磨光，以满足测试得粗糙度要求[6]。背面平整，测试面与背面没有明显歪斜；
2、本次实验所用洛氏硬度仪为八分之一英寸的钢头压球（3.175mm），载荷为60kg，在压力的作用下保持5秒后，读出显示的数值，即为材料的洛氏硬度；
3、两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍，并且不应小于2mm；
4、任一压痕中心距离试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍，并且不应小于1mm

三、实验仪器
1、TH320全洛氏硬度计
2、经不同工艺处理的铝合金试样

四、实验数据及处理
实验数据见下表：
表 不同工艺处理过的合金的硬度：（单位HRH）
工艺
硬度1
硬度2
硬度3
平均值
铸态
59.8
56.2
52.1
58.9
固溶处理
100.6
100.8
103.1
104.8
轧制
100.9
102.7
101.4
102.1
180℃时效处理
109.5
110.5
106.8
112.2
数据处理：
第一点不计，测得每个试样的硬度平均值为：（单位HRH）
工艺
硬度
铸态
55.7
固溶处理
102.9
轧制
102.1
180℃时效处理
109.8

五、思考题
1、请结合力学性能测试结果，分析各种工艺组织的力学性能表现的原因。
答：
1、通过第1行和第2行的对比可发现，固溶处理后合金的硬度高于铸态试样的硬度。原因是固溶处理产生了固溶强化作用。固溶强化作用的实质是溶质原子（团）一定程度上阻止位错运动。Cu原子在Al中以置换固溶体形式存在，结合成CuAl2聚集在晶界或相界上，位错的通过是需要绕过或切过原子团，需要较大的能量。结合金相观察发现材料晶粒尺寸明显比铸态时大，且晶粒更加紧密有规则，而晶粒尺寸越大其硬度强度也越高，排列越紧密，形状越规则硬度越大。
2、通过第2行和第3行的对比可发现，轧制状态的组织的硬度高于未经轧制的固溶处理组织的硬度。这是由加工硬化造成的。轧制使金属产生塑性变形，使内部钉扎，位错密度增加，位错间相互作用大，阻碍位错间相互运动。表现为强度、硬度增大。而在高倍镜下观察试样时也看到了明显的位错抬头，晶粒被轧制成纤维状，在与轧制相垂直方向上的硬度提高最大。
3、通过第3行和第4行的对比可发现，时效状态的组织的硬度高于未经时效处理的轧制组织的硬度。时效过程中，铝铜合金逐渐由GP区过度到区，在此过程中分别会析出硬度越来越大的Cu(GP)和CuAl2。产生间隙固溶强化作用。但是本试样是经过180°C的时效处理，时间不长，析出的相尺寸很小，所以在金相显微镜下观察不到。

2、分析各工艺是否有可以改进的地方。
答：铸态条件下，铝合金的硬度最低，经过轧制、固溶处理后，硬度显著提高，硬度最高的是经过时效处理后的铝合金。如果延长固溶处理或时效处理的时间，则铝合金的硬度应该还会增加。在轧制方面，如果增加轧制的道次，可以使晶粒之间进行充分的变形协调，改善轧件的性能。