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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(shí)(shí)間并以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學(xué)(xué)性能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工型能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。

鋁合金熱處理特點(diǎn)(diǎn)

眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經(jīng)(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(méi)有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時(shí)(shí)間(如4～6晝夜后)，強(qiáng)度和硬度會(huì )顯著(zhù)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)(shí)間增長(cháng)而顯著(zhù)提高的現(xiàn)象，稱(chēng)為時(shí)(shí)效。時(shí)(shí)效可以在常溫下發(fā)(fā)生，稱(chēng)自然時(shí)(shí)效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍(如100～200℃)內(nèi)發(fā)(fā)生，稱(chēng)人工時(shí)(shí)效。

鋁合金時(shí)(shí)效強(qiáng)化原理

鋁合金的時(shí)(shí)效硬化是一個(gè)(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，它不僅決定于合金的組成、時(shí)(shí)效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)(chǎn)過(guò)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)(shí)效硬化是溶質(zhì)(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)(shí)，合金中形成了空位，在淬火時(shí)(shí)，由于冷卻快，這些空位來(lái)不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)。這些在過(guò)飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)(zhì)原子結(jié)合在一起。由于過(guò)飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)(tài)，必然向平衡狀態(tài)(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)(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)(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)(guān)系，可用鋁銅系的Al-4Cu合金說(shuō)明合金時(shí)(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)(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(zhù)溫度的下降，固溶度急劇減小，室溫下約為0.05%。

在時(shí)(shí)效熱處理過(guò)程中，該合金組織有以下幾個(gè)(gè)變化過(guò)程：

形成溶質(zhì)(zhì)原子偏聚區(qū)-G·P(Ⅰ)區(qū)

在新淬火狀態(tài)(tài)的過(guò)飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無(wú)序的。時(shí)(shí)效初期，即時(shí)(shí)效溫度低或時(shí)(shí)效時(shí)(shí)間短時(shí)(shí)，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質(zhì)(zhì)原子偏聚區(qū)，稱(chēng)G·P(Ⅰ)區(qū)。G·P(Ⅰ)區(qū)與基體α保持共格關(guān)(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(zhù)時(shí)(shí)效溫度升高或時(shí)(shí)效時(shí)(shí)間延長(cháng)，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)(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)(guān)系，但尺寸較G·P(Ⅰ)區(qū)大。它可視為中間過(guò)渡相，常用θ”表示。它比G·P(Ⅰ)區(qū)周?chē)幕兏?，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙進(jìn)(jìn)一步增大，因此時(shí)(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(guò)渡相θ′

隨著(zhù)時(shí)(shí)效過(guò)程的進(jìn)(jìn)一步發(fā)(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)(shí)，形成過(guò)渡相θ′。由于θ′的點(diǎn)(diǎn)陣常數(shù)發(fā)(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時(shí)(shí)與基體共格關(guān)(guān)系開(kāi)始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，因?theta;′相周?chē)w的共格畸變減弱，對位錯(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(kāi)始下降。由此可見(jiàn)，共格畸變的存在是造成合金時(shí)(shí)效強(qiáng)化的重要因素。

形成穩(wěn)定的θ相

過(guò)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(chēng)為θ相此時(shí)(shí)θ相與基體的共格關(guān)(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)(shí)效溫度的提高或時(shí)(shí)間的延長(cháng)，θ相的質(zhì)(zhì)點(diǎn)(diǎn)聚集長(cháng)大，合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)(jìn)一步下降，合金就軟化并稱(chēng)為“過(guò)時(shí)(shí)效”。θ相聚集長(cháng)大而變得粗大。

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