課時(shí)(9-12)鋁合金熱處理及其發(fā)展

1、 固溶處理：固溶處理：如果把這種合金加熱到固溶度曲線以上的某一溫度并保持足夠長的時(shí)間，使溶質(zhì)元素（元素B）充分溶入固溶體（相）中，然后予以快速冷卻，以抑制這些元素重新析出，致使室溫下獲得一個(gè)過飽和固溶體，這種熱處理稱為固溶處理或固溶淬火。 析出：析出：指某些合金的過飽和固溶體在室溫下放置或?qū)⑺訜岬揭欢囟?，溶質(zhì)原子會(huì)在固溶體點(diǎn)陣中的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相的現(xiàn)象。析出又稱為沉淀。 時(shí)效：時(shí)效：在析出過程中，合金的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效。一、鋁合金熱處理原理一、鋁合金熱處理原理 時(shí)效硬化：時(shí)效硬化：一般情況下，在析出過程中，合金的硬度或強(qiáng)度會(huì)逐漸升高，這

2、種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化或時(shí)效強(qiáng)化，也可稱為沉淀硬化或沉淀強(qiáng)化。 時(shí)效合金：時(shí)效合金：能夠發(fā)生時(shí)效現(xiàn)象的合金稱為時(shí)效型合金或簡稱為時(shí)效合金。 成為時(shí)效合金的基本條件：一是能形成有限固溶體；二是其固溶度隨著溫度的降低而減小。時(shí)效處理如采用室溫下放置的方法進(jìn)行，則稱為自然時(shí)效或室溫時(shí)效；如采用加熱到一定溫度的方式，則稱為人工時(shí)效。2、析出過程、析出過程 成核與長大型析出可分為兩個(gè)小類：一是析出物的晶體結(jié)構(gòu)與母相的相同，而析出物的成分則與母相的不同；二是析出物和母相在晶體結(jié)構(gòu)和成分上都不相同。 1、基本概念、基本概念 對(duì)時(shí)效合金而言，析出物和母相的晶體結(jié)構(gòu)和成分都不相同的系列的合金更有意義，由于析出物和母

3、相的晶體結(jié)構(gòu)和成分都不相同，所以在析出時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)效現(xiàn)象一般是較為顯著的。 一般而言，在固溶體析出情況中，臨界晶核尺寸和臨界晶核形成功也是隨著體積自由能差值的增加而減小的。在時(shí)效溫度相等的條件下，隨著溶質(zhì)元素含量的增加，即隨著固溶體過飽和度的增加，析出物的臨界尺寸是減小的，在溶質(zhì)元素含量相等的情況下，隨著時(shí)效溫度的降低，臨界晶核尺寸是減小的，這是因?yàn)楣倘荏w過飽和度增加的緣固。 過飽和固溶體發(fā)生析出變?yōu)轱柡凸倘荏w和析出物，而在實(shí)際析出過程中，在達(dá)到這個(gè)最終狀態(tài)以前，往往要經(jīng)過幾個(gè)過渡階段。最典型的Al-Cu合金的析出過程為：相（Al基固溶體）、G.P.區(qū)、相、相、相（平衡相CuAl2) G.P.

4、區(qū)是溶質(zhì)原子聚集區(qū)。它的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與過飽和固溶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同。換言之，當(dāng)從過飽和固溶體形成G.P.區(qū)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，所以一般把它當(dāng)作“區(qū)”，而不把它當(dāng)作新的“相”看待。G.P.區(qū)與過飽和固溶體（基體）是完全共格的。這種共格關(guān)系是靠正應(yīng)變維持的，屬于第一類共格。 相和相都是亞平衡（亞穩(wěn)定）的過渡相。相與過飽和固溶體也是完全共格的，而相與過飽和固溶體則變?yōu)椴糠止哺竦摹Ｋ鼈兊狞c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與過飽和固溶體的不同。它們具有一定的化學(xué)成分，相當(dāng)于CuAl2。過渡相具有一定的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，這是它們與溶質(zhì)原子集團(tuán)的G.P.區(qū)主要區(qū)別。G.P.區(qū)的結(jié)構(gòu)與形成：區(qū)的結(jié)構(gòu)與形成： G.P.區(qū)的結(jié)構(gòu)模型如圖

5、所示。此圖表示G.P.區(qū)的右半邊（左半邊與其對(duì)稱）的橫截面。圖面平行于（100）（指Al原子點(diǎn)陣），而垂直（001）和（010）。Cu原子層（圖中的黑點(diǎn)）是在（001）上形成的。由于Cu原子半徑小于Al原子半徑，所以Cu原子層附近的Al原子點(diǎn)陣必然要沿001方向發(fā)生收縮。 Cu原子半徑為Al原子半徑的87%左右，所以認(rèn)為最近鄰那兩層Al原子層間距的收縮大約為10%，相鄰各層原子間距的收縮逐漸減小?？梢钥闯?，在Cu原子層邊緣的點(diǎn)陣畸變最為劇烈。由于Cu原子半徑與Al原子半徑之間的差值較大（-11.8%)，Cu原子層在形成時(shí)所發(fā)生的彈性應(yīng)變能較大，所以Al-Cu合金中的G.P.區(qū)呈圓盤狀。相的結(jié)構(gòu)

6、與形成：相的結(jié)構(gòu)與形成：相具有正方點(diǎn)陣，點(diǎn)陣常數(shù)為a=4.04，c=7.68.9。其晶胞中的原子分為五層，中央一層為100%的Cu原子，上、下兩面系100%的Al原子，而中央一層與上、下兩面之間的兩個(gè)夾層則由Cu和Al原子混合組成，總的成分相當(dāng)于Al2Cu 。 相一般是在G.P.區(qū)的基礎(chǔ)上，向直徑和厚度方向，但主要是向厚度方向成長。在厚度方向上，以一層Cu原子濃度較高，另一層Cu原子濃度較低，如此交替重疊而成。點(diǎn)陣常數(shù)與母相相比，在a、b方向上基本相同，在c方向上則稍為收縮。 相和基體仍保持完全共格的關(guān)系。隨著的相成長，在相周圍的基體相中不斷產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。如圖示出相周圍基體相的應(yīng)變。相的結(jié)構(gòu)

7、與形成相的結(jié)構(gòu)與形成：相也具有正方點(diǎn)陣，成分相當(dāng)于CuAl2。是通過形核長大方式形成的。與相不同，相是不均形核，通常是在螺型位錯(cuò)及胞壁處形成。與基體相保持部分共格聯(lián)系。相的結(jié)構(gòu)與形成：相的結(jié)構(gòu)與形成：相是由長大而成。隨著相的長大，相周圍的相中的應(yīng)力、應(yīng)變和彈性應(yīng)變能越來越大，相就越來越不穩(wěn)定。當(dāng)相長大到一定尺寸時(shí)， 相與相完全脫離，而以完全獨(dú)立的平衡相-相出現(xiàn)。相也具有正方點(diǎn)陣，a=6.066，c=4.874。相與基體相之間為非共格關(guān)系。 G.P.區(qū)過渡相與平衡相的形成可以有兩種情況：一是以G.P.區(qū)為基礎(chǔ)逐漸演變?yōu)檫^渡相以至于平衡相，Al-Cu合金屬于此類，二是通過非均勻形核長大方式。析出過

8、程中顯微組織變化序列無析出區(qū)：無析出區(qū)：許多時(shí)效合金在發(fā)生晶界析出時(shí)，還會(huì)在晶界附近形成一個(gè)無析出區(qū)，一般認(rèn)為無析出區(qū)是有害的，因?yàn)樗那?qiáng)度很低，易于在該區(qū)發(fā)生塑性變形，結(jié)果導(dǎo)致晶間破壞。除此之外，相對(duì)于晶粒內(nèi)部而言，無析出區(qū)是陽極，易于發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從而使應(yīng)力腐蝕加速。 無析出區(qū)形成的原因有兩種看法，一是溶質(zhì)貧化理論，另一是空位擴(kuò)散理論。3、析出過程中性能的變化、析出過程中性能的變化（1）時(shí)效硬化機(jī)制）時(shí)效硬化機(jī)制 按照近代的強(qiáng)度理論，合金的強(qiáng)化是由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到阻礙后所產(chǎn)生的結(jié)果。對(duì)時(shí)效強(qiáng)化（硬化）而言，強(qiáng)化的原因主要有三種： 1）析出物周圍的基體相中的彈性應(yīng)力場對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作

9、用； 2）位錯(cuò)切過析出物，形成表面臺(tái)階，增加界面能所造成的強(qiáng)化，即化學(xué)強(qiáng)化； 3）位錯(cuò)繞過析出物所造成的強(qiáng)化，即Orowan機(jī)理而發(fā)生的強(qiáng)化。（2）硬度變化）硬度變化 時(shí)效硬化是時(shí)效處理時(shí)的主要性能變化。許多時(shí)效型合金，特別是鋁基合金，時(shí)效處理時(shí)的硬度-時(shí)間關(guān)系曲線根據(jù)時(shí)效溫度的不同，可以分兩種類型，即所謂冷時(shí)效（自然時(shí)效）和溫時(shí)效（人工時(shí)效） 。 4、影響析出過程的因素、影響析出過程的因素（1）溶質(zhì)濃度的影響）溶質(zhì)濃度的影響 一般來說，在不超過最大溶解度的條件下，隨溶質(zhì)濃度（即固溶體過飽和度）的增加，將發(fā)生兩方面的影響：（1）析出過程加快。（2）時(shí)效處理時(shí)性能變化越來越顯著。 當(dāng)溶質(zhì)濃度超過

10、最大固溶度時(shí)，時(shí)效后的性能變化越不顯著。這是因?yàn)楹辖鹬谐霈F(xiàn)了其他組織組成物，從而使析出產(chǎn)物所占的比值減小的緣故。所以時(shí)效型合金中的溶質(zhì)濃度一般皆控制在最大固溶度附近。 （2）微量元素的影響）微量元素的影響 在時(shí)效型合金中，除了必不可少的溶質(zhì)元素外，往往為了一定的目的而再加入一些其它合金元素，或者由于冶煉等方面的原因而殘留下來一些元素。這些元素的含量雖然不多，但是卻可對(duì)析出過程產(chǎn)生很大的影響。1）降低溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度：如在Al-Cu系合金中，當(dāng)加入Cd、Sn或In后，由于Cd、Sn或In原子與空位的結(jié)合能大于Cu原子與空位的結(jié)合能，在固溶淬火時(shí)后大部分空位與Cd、Sn或In原子結(jié)合，Cu原子的

11、擴(kuò)散缺乏空位的幫助而變得困難。 2）提高過渡相析出的速度：如在Al-Cu系合金中，當(dāng)加入Cd、Sn或In以后，相的析出速度加快。有人認(rèn)為這是由于這些合金元素被吸附在相-基體的界面上，使界面結(jié)構(gòu)改變界面能減小，從而使相的臨界晶核減小的緣故。3）增加析出相的彌散度：如在Al-Zn-Mg合金系中當(dāng)加入Ag以后，可使析出物的彌散度顯著增加，并使無析出區(qū)消失，這對(duì)合金性能提高是有利的。在Al-Cu系合金中加入Cd，也有類似的效果。 （3）固溶處理工藝的影響）固溶處理工藝的影響1）加熱溫度、保溫時(shí)間的影響： 一般來說，固溶處理溫度愈高，保溫時(shí)間愈長，被溶解的物質(zhì)愈多化學(xué)成分愈均勻，晶粒也愈粗，結(jié)果在隨后的

12、時(shí)效處理時(shí)的性能變化就愈顯著。同時(shí)有利于連續(xù)析出而不利于局部析出。還會(huì)使固溶處理后“凍結(jié)”下來的空位數(shù)目增加，縮短時(shí)效處理時(shí)間。但固溶處理溫度受到合金熔點(diǎn)的限制，時(shí)間也不宜過長。合適的加熱溫度和保溫時(shí)間必須根據(jù)具體情況而定。2）固溶處理冷卻速度的影響： 許多合金當(dāng)固溶處理冷卻速度較慢時(shí)會(huì)發(fā)生部分析出，因而隨后的時(shí)效處理的效果將受到影響。要注意：對(duì)于時(shí)效型合金的固溶處理，冷卻速度愈大，所獲得的硬度愈低；而對(duì)于鋼的淬火，冷卻速度愈大，則所得的硬度就愈高。兩種情況正好相反。劇烈的淬火會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力的數(shù)值可能很大，甚至達(dá)到屈服極限水平，結(jié)果會(huì)使合金內(nèi)部發(fā)生塑性變形，從而促進(jìn)滑移面析出的

13、形成。另一方面，固溶淬火所產(chǎn)生的應(yīng)力還會(huì)使零件發(fā)生變形甚至開裂。3）固溶處理后時(shí)效處理前的冷加工變形： 這個(gè)因素的影響是錯(cuò)綜復(fù)雜的，并由于所用的實(shí)驗(yàn)方法不統(tǒng)一，因此所得結(jié)果，往往是矛盾的，甚至對(duì)于同一種合金，由于作者不同也會(huì)得出相反的結(jié)論。一般塑性變形能夠誘發(fā)固態(tài)相變，對(duì)析出過程也是如此。固溶處理后時(shí)效處理前的的冷加工變形能加速時(shí)效過程并提高時(shí)效處理后的最高硬度 。另外冷加工變形還能促進(jìn)平衡相的析出，部分甚至全部抑制無析出區(qū)的形成。（4）時(shí)效處理的溫度與持續(xù)時(shí)間）時(shí)效處理的溫度與持續(xù)時(shí)間 時(shí)效處理溫度是個(gè)重要的影響因素，它對(duì)。析出過程的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)，以及合金在時(shí)效后的結(jié)構(gòu)、組織和性能都有很大影

14、響。如冷時(shí)效與溫時(shí)效多是以此來區(qū)分的。溫度高原子活動(dòng)能力強(qiáng)，析出速度加快，但是隨溫度升高，過飽和度及自由能之差也減小，當(dāng)這一因素占主導(dǎo)作用時(shí)，析出速度又將降低，因此，在一定溫度范圍內(nèi)，可以通過提高溫度的辦法來加速時(shí)效過程。另外，溫度升高，時(shí)效的階段數(shù)將減小。 與時(shí)效處理溫度相比，時(shí)效處理時(shí)間是個(gè)次要的因素。雖然如此，如果采用人工時(shí)效，則要注意時(shí)間不能太長，以免發(fā)生過時(shí)效。（5）兩段時(shí)效）兩段時(shí)效 所謂兩段時(shí)效就是行在某一等溫溫度進(jìn)行第一次時(shí)效，接著在另一個(gè)溫度進(jìn)行第二次時(shí)效。一般情況下，第一次時(shí)效采用較低的溫度，第二次時(shí)效采用較高的溫度。 對(duì)于同一種合金，即在溶質(zhì)濃度相同的情況下，隨著時(shí)效溫度

15、的降低，由于固溶體過飽和度的增加，析出物晶核是增多的。第一次時(shí)效的目的即在于獲得彌散度較大的析出物。第二次時(shí)效的目的則是使固溶體析出達(dá)到足夠的程度，并使析出物長成一定的尺寸。這樣，與常規(guī)的一段時(shí)效相比，兩段時(shí)效可以獲得分布較密且較為均勻的析出物。（6）時(shí)效后的回歸）時(shí)效后的回歸 許多時(shí)效型合金在發(fā)生時(shí)效（硬化）以后，通過在某一溫度（該溫度的位置處于平衡相甚至過渡相的固溶度曲線以下）加熱，時(shí)效硬化現(xiàn)象會(huì)基本上消除，硬度會(huì)基本上恢復(fù)（回歸）到剛經(jīng)固溶處理的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為回歸。這些合金在發(fā)生回歸后，當(dāng)再次進(jìn)行時(shí)效時(shí)，會(huì)重新發(fā)生硬化。Al-5Zn-1.5Mg合金，470水淬，200時(shí)效2小時(shí)（4）

16、時(shí)效處理的溫度與持續(xù)時(shí)間）時(shí)效處理的溫度與持續(xù)時(shí)間 時(shí)效處理溫度是個(gè)重要的影響因素，它對(duì)。析出過程的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)，以及合金在時(shí)效后的結(jié)構(gòu)、組織和性能都有很大影響。如冷時(shí)效與溫時(shí)效多是以此來區(qū)分的。溫度高原子活動(dòng)能力強(qiáng)，析出速度加快，但是隨溫度升高，過飽和度及自由能之差也減小，當(dāng)這一因素占主導(dǎo)作用時(shí)，析出速度又將降低，因此，在一定溫度范圍內(nèi)，可以通過提高溫度的辦法來加速時(shí)效過程。另外，溫度升高，時(shí)效的階段數(shù)將減小。 與時(shí)效處理溫度相比，時(shí)效處理時(shí)間是個(gè)次要的因素。雖然如此，如果采用人工時(shí)效，則要注意時(shí)間不能太長，以免發(fā)生過時(shí)效。臨界溫度Tc GP區(qū)形成的最高溫度； GP區(qū)存在的最高溫度；過渡相均

17、勻形核的最高溫度?；貧w現(xiàn)象（Reversion） 自然時(shí)效合金，在溶解度曲線溫度以下加熱一短時(shí)間之后，返回到它時(shí)效前的狀態(tài)（即回到剛剛固溶處理后的狀態(tài)）的現(xiàn)象。 實(shí)際上時(shí)效硬化熱處理通常包括: 在一個(gè)相對(duì)高溫度的單相區(qū)內(nèi)固溶處理；目的:使合金元素固溶。 急速冷卻或淬火；目的:獲得這些元素在Al中的過飽和固溶體。 控制過飽和固溶體的分解；目的:獲得細(xì)而彌散的沉淀相。 自然時(shí)效TCt組織:GP區(qū)T人工時(shí)效 組織:GP區(qū)+過渡相TCtT人工時(shí)效 組織:過渡相 （彌散度小、尺寸不均勻）（1）單級(jí)時(shí)效）單級(jí)時(shí)效TtTCTc溫度以下預(yù)成核處理 組織：過渡相 （彌散度大、尺寸均勻）TTct（2）雙級(jí)時(shí)效）雙

18、級(jí)時(shí)效 TTCtTc溫度以上預(yù)處理：回歸再時(shí)效（3）開發(fā)和應(yīng)用新的熱處理工藝及技術(shù)）開發(fā)和應(yīng)用新的熱處理工藝及技術(shù) 1）研究和采用高溫均勻化退火(在過燒溫度以上)工藝；2）研究和采用鑄錠階段均勻化退火工藝；3）研究和采用多級(jí)淬火工藝 ；4）研究和采用RRA處理工藝和多級(jí)時(shí)效工藝； 5）研究和開發(fā)積分模擬時(shí)效處理技術(shù)；6）研究和開發(fā)大型件控制局部時(shí)效處理技術(shù)。 在今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，超高強(qiáng)鋁合金在航空航天及民用領(lǐng)域的作用是其它材料無法替代的。超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)韌化的研究任務(wù)艱巨，我國超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)韌化之路任重道遠(yuǎn)，下面幾個(gè)問題需要在以后重點(diǎn)研究：(1)調(diào)整主合金元素含量，開發(fā)新的微合金化元素及含量控制，并建立或優(yōu)化相圖，開發(fā)適應(yīng)不同需要的新型鋁合金；(2)降低Fe、Si等雜質(zhì)含量，控制含F(xiàn)e、Si難溶相的形態(tài)及晶界凈化；(3)開發(fā)先進(jìn)熔鑄裝備及工藝