鋁合金熱處理特點(diǎn)

　　眾所周知，對(duì)于含碳量較高的鋼，經(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對(duì)鋁合金并不然，鋁合金剛淬火后，強(qiáng)度與硬度并不立即升高，至于塑性非但沒有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時(shí)間（如4～6晝夜后），強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強(qiáng)度、硬度隨時(shí)間增長而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。時(shí)效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時(shí)效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內(nèi)發(fā)生，稱人工時(shí)效。

 　  鋁合金時(shí)效強(qiáng)化原理

　　鋁合金的時(shí)效硬化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時(shí)效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過程中縮造成的缺陷，特別是空位、位錯(cuò)的數(shù)量和分布等。目前普遍認(rèn)為時(shí)效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。

　　鋁合金在淬火加熱時(shí)，合金中形成了空位，在淬火時(shí)，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)。這些在過飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)原子結(jié)合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。

　　硬化區(qū)的大小和數(shù)量取決于淬火溫度與淬火冷卻速度。淬火溫度越高，空位濃度越大，硬化區(qū)的數(shù)量也就越多，硬化區(qū)的尺寸減小。淬火冷卻速度越大，固溶體內(nèi)所固定的空位越多，有利于增加硬化區(qū)的數(shù)量，減小硬化區(qū)的尺寸。

  　沉淀硬化合金系的一個(gè)基本特征是隨溫度而變化的平衡固溶度，即隨溫度增加固溶度增加，大多數(shù)可熱處理強(qiáng)化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度－溫度關(guān)系，可用鋁銅系的Al－4Cu合金說明合金時(shí)效的組成和結(jié)構(gòu)的變化。圖3－1鋁銅系富鋁部分的二元相圖，在548℃進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變L→α＋θ（Al2Cu）。銅在α相中的極限溶解度5.65％（548℃），隨著溫度的下降，固溶度急劇減小，室溫下約為0.05％。

　　在時(shí)效熱處理過程中，該合金組織有以下幾個(gè)變化過程：

　　形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)－G·P（Ⅰ）區(qū)

　　在新淬火狀態(tài)的過飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無序的。時(shí)效初期，即時(shí)效溫度低或時(shí)效時(shí)間短時(shí)，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，稱G·P（Ⅰ）區(qū)。G·P（Ⅰ）區(qū)與基體α保持共格關(guān)系，這些聚合體構(gòu)成了提高抗變形的共格應(yīng)變區(qū)，故使合金的強(qiáng)度、硬度升高。

　　G·P區(qū)有序化－形成G·P（Ⅱ）區(qū)

　　隨著時(shí)效溫度升高或時(shí)效時(shí)間延長，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)生有序化，即形成G·P（Ⅱ）區(qū)。它與基體α仍保持共格關(guān)系，但尺寸較G·P（Ⅰ）區(qū)大。它可視為中間過渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）區(qū)周圍的畸變更大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙進(jìn)一步增大，因此時(shí)效強(qiáng)化作用更大，θ”相析出階段為合金達(dá)到最大強(qiáng)化的階段。

　　形成過渡相θ′

　　隨著時(shí)效過程的進(jìn)一步發(fā)展，銅原子在G·P（Ⅱ）區(qū)繼續(xù)偏聚，當(dāng)銅原子與鋁原子比為1：2時(shí)，形成過渡相θ′。由于θ′的點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時(shí)與基體共格關(guān)系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，因?theta;′相周圍基體的共格畸變減弱，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用亦減小，表現(xiàn)在合金性能上硬度開始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時(shí)效強(qiáng)化的重要因素。

　　形成穩(wěn)定的θ相

　　過渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相Al2Cu，稱為θ相此時(shí)θ相與基體的共格關(guān)系完全破壞，并有自己獨(dú)立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時(shí)效溫度的提高或時(shí)間的延長，θ相的質(zhì)點(diǎn)聚集長大，合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步下降，合金就軟化并稱為“過時(shí)效”。θ相聚集長大而變得粗大。

　　鋁－銅二元合金的時(shí)效原理及其一般規(guī)律對(duì)于其他工業(yè)鋁合金也適用。但合金的種類不同，形成的G·P區(qū)、過渡相以及最后析出的穩(wěn)定性各不相同，時(shí)效強(qiáng)化效果也不一樣。幾種常見鋁合金系的時(shí)效過程及其析出的穩(wěn)定相列于表3－1。從表中可以看到，不同合金系時(shí)效過程亦不完全都經(jīng)歷了上述四個(gè)階段，有的合金不經(jīng)過G·P（Ⅱ）區(qū)，直接形成過渡相。就是同一合金因時(shí)效的溫度和時(shí)間不同，亦不完全依次經(jīng)歷時(shí)效全過程，例如有的合金在自然時(shí)效時(shí)只進(jìn)行到G·P（Ⅰ）區(qū)至G·P（Ⅱ）區(qū)即告終了。在人工時(shí)效，若時(shí)效溫度過高，則可以不經(jīng)過G·P區(qū)，而直接從過飽和固溶體中析出過渡相，合計(jì)時(shí)效進(jìn)行的程度，直接關(guān)系到時(shí)效后合金的結(jié)構(gòu)和性能。