课时(9-12)铝合金的热处理及其发展

1、 固溶处理：固溶处理：如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的某一温度并保持足够长的时间，使溶质元素（元素B）充分溶入固溶体（相）中，然后予以快速冷却，以抑制这些元素重新析出，致使室温下获得一个过饱和固溶体，这种热处理称为固溶处理或固溶淬火。 析出：析出：指某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或将它加热到一定温度，溶质原子会在固溶体点阵中的一定区域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀。 时效：时效：在析出过程中，合金的机械性能、物理性能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。一、铝合金热处理原理一、铝合金热处理原理 时效硬化：时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度或强度会逐渐升高，这

2、种现象称为时效硬化或时效强化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。 时效合金：时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简称为时效合金。 成为时效合金的基本条件：一是能形成有限固溶体；二是其固溶度随着温度的降低而减小。时效处理如采用室温下放置的方法进行，则称为自然时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则称为人工时效。2、析出过程、析出过程 成核与长大型析出可分为两个小类：一是析出物的晶体结构与母相的相同，而析出物的成分则与母相的不同；二是析出物和母相在晶体结构和成分上都不相同。 1、基本概念、基本概念 对时效合金而言，析出物和母相的晶体结构和成分都不相同的系列的合金更有意义，由于析出物和母

3、相的晶体结构和成分都不相同，所以在析出时所产生的时效现象一般是较为显著的。 一般而言，在固溶体析出情况中，临界晶核尺寸和临界晶核形成功也是随着体积自由能差值的增加而减小的。在时效温度相等的条件下，随着溶质元素含量的增加，即随着固溶体过饱和度的增加，析出物的临界尺寸是减小的，在溶质元素含量相等的情况下，随着时效温度的降低，临界晶核尺寸是减小的，这是因为固溶体过饱和度增加的缘固。 过饱和固溶体发生析出变为饱和固溶体和析出物，而在实际析出过程中，在达到这个最终状态以前，往往要经过几个过渡阶段。最典型的Al-Cu合金的析出过程为：相（Al基固溶体）、G.P.区、相、相、相（平衡相CuAl2) G.P.

4、区是溶质原子聚集区。它的点阵结构与过饱和固溶体的点阵结构相同。换言之，当从过饱和固溶体形成G.P.区时，晶体结构并未发生变化，所以一般把它当作“区”，而不把它当作新的“相”看待。G.P.区与过饱和固溶体（基体）是完全共格的。这种共格关系是靠正应变维持的，属于第一类共格。 相和相都是亚平衡（亚稳定）的过渡相。相与过饱和固溶体也是完全共格的，而相与过饱和固溶体则变为部分共格的。它们的点阵结构与过饱和固溶体的不同。它们具有一定的化学成分，相当于CuAl2。过渡相具有一定的化学成分和晶体结构，这是它们与溶质原子集团的G.P.区主要区别。G.P.区的结构与形成：区的结构与形成： G.P.区的结构模型如图

5、所示。此图表示G.P.区的右半边（左半边与其对称）的横截面。图面平行于（100）（指Al原子点阵），而垂直（001）和（010）。Cu原子层（图中的黑点）是在（001）上形成的。由于Cu原子半径小于Al原子半径，所以Cu原子层附近的Al原子点阵必然要沿001方向发生收缩。 Cu原子半径为Al原子半径的87%左右，所以认为最近邻那两层Al原子层间距的收缩大约为10%，相邻各层原子间距的收缩逐渐减小。可以看出，在Cu原子层边缘的点阵畸变最为剧烈。由于Cu原子半径与Al原子半径之间的差值较大（-11.8%)，Cu原子层在形成时所发生的弹性应变能较大，所以Al-Cu合金中的G.P.区呈圆盘状。相的结构

6、与形成：相的结构与形成：相具有正方点阵，点阵常数为a=4.04，c=7.68.9。其晶胞中的原子分为五层，中央一层为100%的Cu原子，上、下两面系100%的Al原子，而中央一层与上、下两面之间的两个夹层则由Cu和Al原子混合组成，总的成分相当于Al2Cu 。 相一般是在G.P.区的基础上，向直径和厚度方向，但主要是向厚度方向成长。在厚度方向上，以一层Cu原子浓度较高，另一层Cu原子浓度较低，如此交替重叠而成。点阵常数与母相相比，在a、b方向上基本相同，在c方向上则稍为收缩。 相和基体仍保持完全共格的关系。随着的相成长，在相周围的基体相中不断产生应力和应变。如图示出相周围基体相的应变。相的结构

7、与形成相的结构与形成：相也具有正方点阵，成分相当于CuAl2。是通过形核长大方式形成的。与相不同，相是不均形核，通常是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保持部分共格联系。相的结构与形成：相的结构与形成：相是由长大而成。随着相的长大，相周围的相中的应力、应变和弹性应变能越来越大，相就越来越不稳定。当相长大到一定尺寸时， 相与相完全脱离，而以完全独立的平衡相-相出现。相也具有正方点阵，a=6.066，c=4.874。相与基体相之间为非共格关系。 G.P.区过渡相与平衡相的形成可以有两种情况：一是以G.P.区为基础逐渐演变为过渡相以至于平衡相，Al-Cu合金属于此类，二是通过非均匀形核长大方式。析出过

8、程中显微组织变化序列无析出区：无析出区：许多时效合金在发生晶界析出时，还会在晶界附近形成一个无析出区，一般认为无析出区是有害的，因为它的屈服强度很低，易于在该区发生塑性变形，结果导致晶间破坏。除此之外，相对于晶粒内部而言，无析出区是阳极，易于发生电化学腐蚀，从而使应力腐蚀加速。 无析出区形成的原因有两种看法，一是溶质贫化理论，另一是空位扩散理论。3、析出过程中性能的变化、析出过程中性能的变化（1）时效硬化机制）时效硬化机制 按照近代的强度理论，合金的强化是由于位错的运动受到阻碍后所产生的结果。对时效强化（硬化）而言，强化的原因主要有三种： 1）析出物周围的基体相中的弹性应力场对位错运动有阻碍作

9、用； 2）位错切过析出物，形成表面台阶，增加界面能所造成的强化，即化学强化； 3）位错绕过析出物所造成的强化，即Orowan机理而发生的强化。（2）硬度变化）硬度变化 时效硬化是时效处理时的主要性能变化。许多时效型合金，特别是铝基合金，时效处理时的硬度-时间关系曲线根据时效温度的不同，可以分两种类型，即所谓冷时效（自然时效）和温时效（人工时效） 。 4、影响析出过程的因素、影响析出过程的因素（1）溶质浓度的影响）溶质浓度的影响 一般来说，在不超过最大溶解度的条件下，随溶质浓度（即固溶体过饱和度）的增加，将发生两方面的影响：（1）析出过程加快。（2）时效处理时性能变化越来越显著。 当溶质浓度超过

10、最大固溶度时，时效后的性能变化越不显著。这是因为合金中出现了其他组织组成物，从而使析出产物所占的比值减小的缘故。所以时效型合金中的溶质浓度一般皆控制在最大固溶度附近。 （2）微量元素的影响）微量元素的影响 在时效型合金中，除了必不可少的溶质元素外，往往为了一定的目的而再加入一些其它合金元素，或者由于冶炼等方面的原因而残留下来一些元素。这些元素的含量虽然不多，但是却可对析出过程产生很大的影响。1）降低溶质原子的扩散速度：如在Al-Cu系合金中，当加入Cd、Sn或In后，由于Cd、Sn或In原子与空位的结合能大于Cu原子与空位的结合能，在固溶淬火时后大部分空位与Cd、Sn或In原子结合，Cu原子的

11、扩散缺乏空位的帮助而变得困难。 2）提高过渡相析出的速度：如在Al-Cu系合金中，当加入Cd、Sn或In以后，相的析出速度加快。有人认为这是由于这些合金元素被吸附在相-基体的界面上，使界面结构改变界面能减小，从而使相的临界晶核减小的缘故。3）增加析出相的弥散度：如在Al-Zn-Mg合金系中当加入Ag以后，可使析出物的弥散度显著增加，并使无析出区消失，这对合金性能提高是有利的。在Al-Cu系合金中加入Cd，也有类似的效果。 （3）固溶处理工艺的影响）固溶处理工艺的影响1）加热温度、保温时间的影响： 一般来说，固溶处理温度愈高，保温时间愈长，被溶解的物质愈多化学成分愈均匀，晶粒也愈粗，结果在随后的

12、时效处理时的性能变化就愈显著。同时有利于连续析出而不利于局部析出。还会使固溶处理后“冻结”下来的空位数目增加，缩短时效处理时间。但固溶处理温度受到合金熔点的限制，时间也不宜过长。合适的加热温度和保温时间必须根据具体情况而定。2）固溶处理冷却速度的影响： 许多合金当固溶处理冷却速度较慢时会发生部分析出，因而随后的时效处理的效果将受到影响。要注意：对于时效型合金的固溶处理，冷却速度愈大，所获得的硬度愈低；而对于钢的淬火，冷却速度愈大，则所得的硬度就愈高。两种情况正好相反。剧烈的淬火会产生很大的热应力，这种热应力的数值可能很大，甚至达到屈服极限水平，结果会使合金内部发生塑性变形，从而促进滑移面析出的

13、形成。另一方面，固溶淬火所产生的应力还会使零件发生变形甚至开裂。3）固溶处理后时效处理前的冷加工变形： 这个因素的影响是错综复杂的，并由于所用的实验方法不统一，因此所得结果，往往是矛盾的，甚至对于同一种合金，由于作者不同也会得出相反的结论。一般塑性变形能够诱发固态相变，对析出过程也是如此。固溶处理后时效处理前的的冷加工变形能加速时效过程并提高时效处理后的最高硬度 。另外冷加工变形还能促进平衡相的析出，部分甚至全部抑制无析出区的形成。（4）时效处理的温度与持续时间）时效处理的温度与持续时间 时效处理温度是个重要的影响因素，它对。析出过程的机理和动力学，以及合金在时效后的结构、组织和性能都有很大影

14、响。如冷时效与温时效多是以此来区分的。温度高原子活动能力强，析出速度加快，但是随温度升高，过饱和度及自由能之差也减小，当这一因素占主导作用时，析出速度又将降低，因此，在一定温度范围内，可以通过提高温度的办法来加速时效过程。另外，温度升高，时效的阶段数将减小。 与时效处理温度相比，时效处理时间是个次要的因素。虽然如此，如果采用人工时效，则要注意时间不能太长，以免发生过时效。（5）两段时效）两段时效 所谓两段时效就是行在某一等温温度进行第一次时效，接着在另一个温度进行第二次时效。一般情况下，第一次时效采用较低的温度，第二次时效采用较高的温度。 对于同一种合金，即在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度

15、的降低，由于固溶体过饱和度的增加，析出物晶核是增多的。第一次时效的目的即在于获得弥散度较大的析出物。第二次时效的目的则是使固溶体析出达到足够的程度，并使析出物长成一定的尺寸。这样，与常规的一段时效相比，两段时效可以获得分布较密且较为均匀的析出物。（6）时效后的回归）时效后的回归 许多时效型合金在发生时效（硬化）以后，通过在某一温度（该温度的位置处于平衡相甚至过渡相的固溶度曲线以下）加热，时效硬化现象会基本上消除，硬度会基本上恢复（回归）到刚经固溶处理的状态，这种现象称为回归。这些合金在发生回归后，当再次进行时效时，会重新发生硬化。5、 时效硬化型合金的显微组织参数时效硬化型合金的显微组织参数A

16、l-5Zn-1.5Mg合金，470水淬，200时效2小时（4）时效处理的温度与持续时间）时效处理的温度与持续时间 时效处理温度是个重要的影响因素，它对。析出过程的机理和动力学，以及合金在时效后的结构、组织和性能都有很大影响。如冷时效与温时效多是以此来区分的。温度高原子活动能力强，析出速度加快，但是随温度升高，过饱和度及自由能之差也减小，当这一因素占主导作用时，析出速度又将降低，因此，在一定温度范围内，可以通过提高温度的办法来加速时效过程。另外，温度升高，时效的阶段数将减小。 与时效处理温度相比，时效处理时间是个次要的因素。虽然如此，如果采用人工时效，则要注意时间不能太长，以免发生过时效。晶界沉

17、淀相(GBP) grain boundary precipitates基体沉淀相(MPt) matrix precipitates晶界无沉淀带(PFZ) precipitates free zone各种合金系G.P.区形态临界温度Tc与回归现象临界温度Tc GP区形成的最高温度； GP区存在的最高温度；过渡相均匀形核的最高温度。回归现象（Reversion） 自然时效合金，在溶解度曲线温度以下加热一短时间之后，返回到它时效前的状态（即回到刚刚固溶处理后的状态）的现象。 实际上时效硬化热处理通常包括: 在一个相对高温度的单相区内固溶处理；目的:使合金元素固溶。 急速冷却或淬火；目的:获得这些元素

18、在Al中的过饱和固溶体。 控制过饱和固溶体的分解；目的:获得细而弥散的沉淀相。6、 典型时效热处理工艺典型时效热处理工艺 自然时效TCt组织:GP区T人工时效 组织:GP区+过渡相TCtT人工时效 组织:过渡相 （弥散度小、尺寸不均匀）（1）单级时效）单级时效TtTCTc温度以下预成核处理 组织：过渡相 （弥散度大、尺寸均匀）TTct（2）双级时效）双级时效 TTCtTc温度以上预处理：回归再时效（3）开发和应用新的热处理工艺及技术）开发和应用新的热处理工艺及技术 1）研究和采用高温均匀化退火(在过烧温度以上)工艺；2）研究和采用铸锭阶段均匀化退火工艺；3）研究和采用多级淬火工艺 ；4）研究和采用RRA处理工艺和多级时效工艺； 5）研究和开发积分模拟时效处理技术；6）研究和开发大型件控制局部时效处理技术。 在今后相当长时间内，超高强铝合金在航空航天及民用领域的作用是其它材料无法替代的。超高强铝合金强韧化的研究任务艰巨，我国超高强铝合金强韧化之路任重道远，下面几个问题需要在以后重点研究：(1)调整主合金元素含量，开发新的微合金化元素及含量控制，并建立或优化相图，开发适应不同需要的新型铝合金；(2)降低Fe、Si等杂质含量，控制含Fe、Si难溶相的形态及晶界净化；(3)开发先进熔铸装备及工艺，实现超高强铝合金的大规格铸