鋁合金熱處理原理
鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時間并以一定 的速度冷卻，改變其合金的組織.其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工性能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。
鋁合金熱處理特點(diǎn)
眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對鋁合金則不然，鋁合金剛淬火后，強(qiáng)度與硬度并不會立即升高，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，放置一段時間（如4～6晝夜后），強(qiáng)度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強(qiáng)度、硬度隨時間增長而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效。時效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內(nèi)發(fā)生，稱人工時效。
鋁合金時效強(qiáng)化原理
鋁合金的時效硬化是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過程中萎縮造成的缺陷，特別是空位、位錯的數(shù)量和分布等。目前普遍認(rèn)為時效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。
鋁合金在淬火加熱時，合金中形成了空位，在淬火時，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。
在時效熱處理過程中，該合金組織有以下幾個變化過程：
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。時效初期，即時效溫度低或時效時間短時，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)，隨著時效溫度升高或時效時間延長，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，對位錯運(yùn)動的阻礙進(jìn)一步增大，因此時效強(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，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)其形成時與基體共格關(guān)系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺瘢虼甩取湎嘀車w的共格畸變減弱，對位錯運(yùn)動的阻礙作用亦減小，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，并隨時效溫度的提高或時間的延長，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“過時效”。θ相聚集長大而變得粗大。
鋁－銅二元合金的時效原理及其一般規(guī)律對于其他工業(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，時效強(qiáng)化效果也不一樣。幾種常見鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相列于表3－1。從表中可以看到，不同合金系時效過程亦不完全都經(jīng)歷了上述四個階段，有的合金不經(jīng)過G·P（Ⅱ）區(qū)，直接形成過渡相。就是同一合金因時效的溫度和時間不同，亦不完全依次經(jīng)歷時效全過程，例如有的合金在自然時效時只進(jìn)行到G·P（Ⅰ）區(qū)至G·P（Ⅱ）區(qū)即告終了。在人工時效，若時效溫度過高，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，合計時效進(jìn)行的程度，直接關(guān)系到時效后合金的結(jié)構(gòu)和性能。
影響時效的因素
從淬火到人工時效之間停留時間的影響
研究發(fā)現(xiàn)，某些鋁合金如Al－Mg－Si系合金在室溫停留后再進(jìn)行人工時效，合金的強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101鑄造鋁合金，淬火后在室溫下停留一天后再進(jìn)行人工時效，強(qiáng)度極限較淬火后立即時效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻進(jìn)行時效的鋁合金有所提高。
合金化學(xué)成分的影響
一種合金能否通過時效強(qiáng)化，首先取決于組成合金的元素能否溶解于固溶體以及固溶度隨溫度變化的程度。如硅、錳在鋁中的固溶度比較小，且隨溫度變化不大，而鎂、鋅雖然在鋁基固溶體中有較大的固溶度，但它們與鋁形成的化合物的結(jié)構(gòu)與基體差異不大，強(qiáng)化效果甚微。因此，二元鋁－硅、鋁－錳、鋁－鎂、鋁－鋅通常都不采用時效強(qiáng)化處理。而有些二元合金，如鋁－銅合金，及三元合金或多元合金，如鋁－鎂－硅、鋁－銅－鎂－硅合金等，它們在熱處理過程中有溶解度和固態(tài)相變，則可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。
合金的固溶處理工藝影響
為獲得良好的時效強(qiáng)化效果，在不發(fā)生過熱、過燒及晶粒長大的條件下，淬火加熱溫度高些，保溫時間長些，有利于獲得最大過飽和度的均勻固溶體。另外在淬火冷卻過程不析出第二相，否則在隨后時效處理時，已析出相將起晶核作用，造成局部不均勻析出而降低時效強(qiáng)化效果。
時效溫度的影響
在不同溫度時效時，析出相的臨界晶核大小、數(shù)量、成分以及聚集長大的速度不同，若溫度過低，由于擴(kuò)散困難，G·P區(qū)不易形成，時效后強(qiáng)度、硬度低，當(dāng)時效溫度過高時，擴(kuò)散易進(jìn)行，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸大，時效后強(qiáng)度、硬度偏低，即產(chǎn)生過時效。因此，各種合金都有最適宜的時效溫度。
鋁合金的回歸現(xiàn)象
經(jīng)淬火自然時效后的鋁合金（如鋁－銅）重新加熱到200～250℃，然后快冷到室溫，則合金強(qiáng)度下降，重新變軟，性能恢復(fù)到剛淬火狀態(tài)；如在室溫下放置，則與新淬火合金一樣，仍能進(jìn)行正常的自然時效，這種現(xiàn)象稱為回歸現(xiàn)象。關(guān)于回歸現(xiàn)象的解釋是合金在室溫自然時效時，形成G·P區(qū)尺寸較小，加熱到較高溫度時，這些小的G·P區(qū)不再穩(wěn)定而重新溶入固溶體中，此時將合金快冷到室溫，則合金又恢復(fù)到新淬火狀態(tài)，仍可重新自然時效。在理論上回歸處理不受處理次數(shù)的限制，但實(shí)際上，回歸處理時很難使析出相完全重溶，造成以后時效過程呈局部析出，使時效強(qiáng)化效果逐次減弱。同時在反復(fù)加熱過程中，固溶體晶粒有越來越大的趨勢，這對性能不利。因此回歸處理僅用于修理飛機(jī)用的鉚釘合金，即可利用這一現(xiàn)象，隨時進(jìn)行鉚接，而對其他鋁合金則沒有使用價值。
固溶處理與淬冷
為了利用沉淀硬化反應(yīng)，首先通過加熱及快速冷卻，形成一種過飽和的固溶體。形成固溶體的工藝過程稱固溶熱處理。其目的是把合金最大量實(shí)際可溶解的硬化元素溶于固溶體中。這一工藝過程包括把合金加熱到足夠高溫度下保溫足夠長時間然后水中快冷。
概括的說，提高鋁合金強(qiáng)度、硬度的熱處理，包括三個步驟的工藝過程：（1）固溶熱處理－可溶相的溶解。（2）淬火－過飽和固溶體的形成。（3）時效－在室溫下（自然時效）或高溫下（人工時效或沉淀熱處理）溶質(zhì)原子的沉淀析出。
鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時間并以一定 的速度冷卻，改變其合金的組織.其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工性能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。
鋁合金熱處理特點(diǎn)
眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對鋁合金則不然，鋁合金剛淬火后，強(qiáng)度與硬度并不會立即升高，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，放置一段時間（如4～6晝夜后），強(qiáng)度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強(qiáng)度、硬度隨時間增長而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效。時效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內(nèi)發(fā)生，稱人工時效。
鋁合金時效強(qiáng)化原理
鋁合金的時效硬化是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過程中萎縮造成的缺陷，特別是空位、位錯的數(shù)量和分布等。目前普遍認(rèn)為時效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。
鋁合金在淬火加熱時，合金中形成了空位，在淬火時，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。
在時效熱處理過程中，該合金組織有以下幾個變化過程：
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。時效初期，即時效溫度低或時效時間短時，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)，隨著時效溫度升高或時效時間延長，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，對位錯運(yùn)動的阻礙進(jìn)一步增大，因此時效強(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，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)其形成時與基體共格關(guān)系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺瘢虼甩取湎嘀車w的共格畸變減弱，對位錯運(yùn)動的阻礙作用亦減小，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，并隨時效溫度的提高或時間的延長，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“過時效”。θ相聚集長大而變得粗大。
鋁－銅二元合金的時效原理及其一般規(guī)律對于其他工業(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，時效強(qiáng)化效果也不一樣。幾種常見鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相列于表3－1。從表中可以看到，不同合金系時效過程亦不完全都經(jīng)歷了上述四個階段，有的合金不經(jīng)過G·P（Ⅱ）區(qū)，直接形成過渡相。就是同一合金因時效的溫度和時間不同，亦不完全依次經(jīng)歷時效全過程，例如有的合金在自然時效時只進(jìn)行到G·P（Ⅰ）區(qū)至G·P（Ⅱ）區(qū)即告終了。在人工時效，若時效溫度過高，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，合計時效進(jìn)行的程度，直接關(guān)系到時效后合金的結(jié)構(gòu)和性能。
影響時效的因素
從淬火到人工時效之間停留時間的影響
研究發(fā)現(xiàn)，某些鋁合金如Al－Mg－Si系合金在室溫停留后再進(jìn)行人工時效，合金的強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到最大值，而塑性有所上升。如ZL101鑄造鋁合金，淬火后在室溫下停留一天后再進(jìn)行人工時效，強(qiáng)度極限較淬火后立即時效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻進(jìn)行時效的鋁合金有所提高。
合金化學(xué)成分的影響
一種合金能否通過時效強(qiáng)化，首先取決于組成合金的元素能否溶解于固溶體以及固溶度隨溫度變化的程度。如硅、錳在鋁中的固溶度比較小，且隨溫度變化不大，而鎂、鋅雖然在鋁基固溶體中有較大的固溶度，但它們與鋁形成的化合物的結(jié)構(gòu)與基體差異不大，強(qiáng)化效果甚微。因此，二元鋁－硅、鋁－錳、鋁－鎂、鋁－鋅通常都不采用時效強(qiáng)化處理。而有些二元合金，如鋁－銅合金，及三元合金或多元合金，如鋁－鎂－硅、鋁－銅－鎂－硅合金等，它們在熱處理過程中有溶解度和固態(tài)相變，則可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。
合金的固溶處理工藝影響
為獲得良好的時效強(qiáng)化效果，在不發(fā)生過熱、過燒及晶粒長大的條件下，淬火加熱溫度高些，保溫時間長些，有利于獲得最大過飽和度的均勻固溶體。另外在淬火冷卻過程不析出第二相，否則在隨后時效處理時，已析出相將起晶核作用，造成局部不均勻析出而降低時效強(qiáng)化效果。
時效溫度的影響
在不同溫度時效時，析出相的臨界晶核大小、數(shù)量、成分以及聚集長大的速度不同，若溫度過低，由于擴(kuò)散困難，G·P區(qū)不易形成，時效后強(qiáng)度、硬度低，當(dāng)時效溫度過高時，擴(kuò)散易進(jìn)行，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸大，時效后強(qiáng)度、硬度偏低，即產(chǎn)生過時效。因此，各種合金都有最適宜的時效溫度。
鋁合金的回歸現(xiàn)象
經(jīng)淬火自然時效后的鋁合金（如鋁－銅）重新加熱到200～250℃，然后快冷到室溫，則合金強(qiáng)度下降，重新變軟，性能恢復(fù)到剛淬火狀態(tài)；如在室溫下放置，則與新淬火合金一樣，仍能進(jìn)行正常的自然時效，這種現(xiàn)象稱為回歸現(xiàn)象。關(guān)于回歸現(xiàn)象的解釋是合金在室溫自然時效時，形成G·P區(qū)尺寸較小，加熱到較高溫度時，這些小的G·P區(qū)不再穩(wěn)定而重新溶入固溶體中，此時將合金快冷到室溫，則合金又恢復(fù)到新淬火狀態(tài)，仍可重新自然時效。在理論上回歸處理不受處理次數(shù)的限制，但實(shí)際上，回歸處理時很難使析出相完全重溶，造成以后時效過程呈局部析出，使時效強(qiáng)化效果逐次減弱。同時在反復(fù)加熱過程中，固溶體晶粒有越來越大的趨勢，這對性能不利。因此回歸處理僅用于修理飛機(jī)用的鉚釘合金，即可利用這一現(xiàn)象，隨時進(jìn)行鉚接，而對其他鋁合金則沒有使用價值。
固溶處理與淬冷
為了利用沉淀硬化反應(yīng)，首先通過加熱及快速冷卻，形成一種過飽和的固溶體。形成固溶體的工藝過程稱固溶熱處理。其目的是把合金最大量實(shí)際可溶解的硬化元素溶于固溶體中。這一工藝過程包括把合金加熱到足夠高溫度下保溫足夠長時間然后水中快冷。
概括的說，提高鋁合金強(qiáng)度、硬度的熱處理，包括三個步驟的工藝過程：（1）固溶熱處理－可溶相的溶解。（2）淬火－過飽和固溶體的形成。（3）時效－在室溫下（自然時效）或高溫下（人工時效或沉淀熱處理）溶質(zhì)原子的沉淀析出。
