鋁合金熱處理特點

鋁合金熱處理特點

眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對鋁合金并不然，鋁合金剛淬火后，強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，放置一段時間（如4～6晝夜后），強度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時間增長而顯著提高的現象，稱為時效。時效可以在常溫下發生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內發生，稱人工時效。
     鋁合金時效強化原理
     鋁合金的時效硬化是一個相當復雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時效工藝，還取決于合金在生產過程中縮造成的缺陷，特別是空位、位錯的數量和分布等。目前普遍認為時效硬化是溶質原子偏聚形成硬化區的結果。
     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。這些在過飽和固溶體內的空位大多與溶質原子結合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩定狀態，必然向平衡狀態轉變，空位的存在，加速了溶質原子的擴散速度，因而加速了溶質原子的偏聚。
     硬化區的大小和數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，硬化區的數量也就越多，硬化區的尺寸減小。淬火冷卻速度越大，固溶體內所固定的空位越多，有利于增加硬化區的數量，減小硬化區的尺寸。
     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，大多數可熱處理強化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度－溫度關系，可用鋁銅系的Al－4Cu合金說明合金時效的組成和結構的變化。圖3－1鋁銅系富鋁部分的二元相圖，在548℃進行共晶轉變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：
     形成溶質原子偏聚區－G·P（Ⅰ）區
     在新淬火狀態的過飽和固溶體中，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，形成溶質原子偏聚區，稱G·P（Ⅰ）區。G·P（Ⅰ）區與基體α保持共格關系，這些聚合體構成了提高抗變形的共格應變區，故使合金的強度、硬度升高。
     G·P區有序化－形成G·P（Ⅱ）區
隨著時效溫度升高或時效時間延長，銅原子繼續偏聚并發生有序化，即形成G·P（Ⅱ）區。它與基體α仍保持共格關系，但尺寸較G·P（Ⅰ）區大。它可視為中間過渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）區周圍的畸變更大，對位錯運動的阻礙進一步增大，因此時效強化作用更大，θ”相析出階段為合金達到最大強化的階段。
     形成過渡相θ′
     隨著時效過程的進一步發展，銅原子在G·P（Ⅱ）區繼續偏聚，當銅原子與鋁原子比為1：2時，形成過渡相θ′。由于θ′的點陣常數發生較大的變化，故當其形成時與基體共格關系開始破壞，即由完全共格變為局部共格，因此θ′相周圍基體的共格畸變減弱，對位錯運動的阻礙作用亦減小，表現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化的重要因素。
     形成穩定的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立的穩定相Al2Cu，稱為θ相此時θ相與基體的共格關系完全破壞，并有自己獨立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時效溫度的提高或時間的延長，θ相的質點聚集長大，合金的強度、硬度進一步下降，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律對于其他工業鋁合金也適用。但合金的種類不同，形成的G·P區、過渡相以及最后析出的穩定性各不相同，時效強化效果也不一樣。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歷了上述四個階段，有的合金不經過G·P（Ⅱ）區，直接形成過渡相。就是同一合金因時效的溫度和時間不同，亦不完全依次經歷時效全過程，例如有的合金在自然時效時只進行到G·P（Ⅰ）區至G·P（Ⅱ）區即告終了。在人工時效，若時效溫度過高，則可以不經過G·P區，而直接從過飽和固溶體中析出過渡相，合計時效進行的程度，直接關系到時效后合金的結構和性能。
表3－1幾種鋁合金系的時效過程及其析出穩定的強化相
     影響時效的因素
     從淬火到人工時效之間停留時間的影響
     研究發現，某些鋁合金如Al－Mg－Si系合金在室溫停留后再進行人工時效，合金的強度指標達不到最大值，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行人工時效，強度極限較淬火后立即時效的要低10～20Mpa，但塑性要比立刻進行時效的鋁合金有所提高。
     合金化學成分的影響
     一種合金能否通過時效強化，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構與基體差異不大，強化效果甚微。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相變，則可通過熱處理進行強化。
     合金的固溶處理工藝影響
     為獲得良好的時效強化效果，在不發生過熱、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、數量、成分以及聚集長大的速度不同，若溫度過低，由于擴散困難，G·P區不易形成，時效后強度、硬度低，當時效溫度過高時，擴散易進行，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸大，時效后強度、硬度偏低，即產生過時效。因此，各種合金都有最適宜的時效溫度。
     鋁合金的回歸現象
     經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，則合金強度下降，重新變軟，性能恢復到剛淬火狀態；如在室溫下放置，則與新淬火合金一樣，仍能進行正常的自然時效，這種現象稱為回歸現象。關于回歸現象的解釋是合金在室溫自然時效時，形成G·P區尺寸較小，加熱到較高溫度時，這些小的G·P區不再穩定而重新溶入固溶體中，此時將合金快冷到室溫，則合金又恢復到新淬火狀態，仍可重新自然時效。在理論上回歸處理不受處理次數的限制，但實際上，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，使時效強化效果逐次減弱。同時在反復加熱過程中，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用的鉚釘合金，即可利用這一現象，隨時進行鉚接，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，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）溶質原子的沉淀析出。
 

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