变形铝合金热处理

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第1148页（1874字）

16．3．2．1 退火

退火主要用于飞机蒙皮等形状复杂的铝合金板零件．由于加工硬化一次难以成形，需进行再结晶退火．一般是加热到350～450℃，保温后于空气中冷却．

16．3．2．2 淬火

淬火的目的是获得最大程度的过饱和固溶体，以求在随后的时效时获得高的强度和足够的塑性．因此铝合金的淬火也叫固溶化处理．

淬火工艺是将工件加热到过烧温度后，保温一定的时间，淬入适当的介质中．淬火介质有水、油、盐及其他液体介质等．淬火需进一步整形加工的工件以及小工件，一般均在室温水中(水温<30℃)淬火；对大件或形状复杂工件，淬火的水温在40～50℃之间为宜．

16．3．2．3 时效

1．时效强化

铝合金在淬火后，强度和硬度并不高，而塑性却很高．但在一定温度下，把淬火的铝合金放置一段时间后，其强度和硬度会显着提高，而塑性则有所下降．这种淬火后合金随时间的延长而发生的强化现象称为时效．

2．时效的实质

时效引起合金的强度和硬度增加，其实质是什么呢?现以Al-Cu合金为例试分析如下

在淬火状态的过饱和固溶体内，铜原子在晶格间分布是较均匀的．但当在100℃时效时，随着时间的增加，铜原子逐渐向晶格中某些区域偏聚，形成许多一定大小(直径约10nm)的富铜原子区(见图16-2)，称为G·P区．在G·P区中溶质原子铜的浓度比原来固溶体中的铜的平均浓度高得多，加之铜的原子半径比铝的原子半径校又与母相共格，晶格强烈歪曲，使得G·P区周围产生相当大的应力场．若位错由A通过G·P区运动到A′，就需要更大的力，见图16-2(a)的下图．由于G·P区体积很校其数目又多，相对说它与固溶体总的交界面就很大，于是合金的强度大为提高．

图16-2 淬火+时效的铝铜合金

(a)G·P区周围晶格的畸变示意图；(b)淬火+时效铝铜合金的电子显微照片，黑色区域为G·P区(540℃水淬，130℃下时效16h)

在室温下时效时，最多只发生铜原子偏聚，所以强度不因时间的延长而下降．在－50℃时效时，温度低，铜原子扩散能力校发生偏聚困难，故强度几乎不随时间的延长而增大．

当时效温度升高到150～200℃时，最初形成的富铜区开始长大，铜原子进一步聚集到相当于CuAl₂．但这时的晶体结构不同于CuAl₂，故以θ′相表示之．它与母相保持着部分共格，歪曲程度开始减弱，强度开始下降．但由于晶格畸变仅仅开始减弱，故还有一定的强化效果．

当时效温度超过200℃以后，θ′相完全从固溶体内析出，形成CuAl₂，即θ相，晶格畸变完全消失，甚至发生θ相的聚集粗化，此时合金已软化，不再具有高强度性能．

上述仅为Al-Cu合金的时效过程及时效强化的一般规律，对于具体合金，由于合金元素和形成的化合物不同，可分别采用自然时效或人工时效．

3．自然时效和人工时效

自然时效是在室温或低于100℃的温度下进行的时效处理．

人工时效是在100℃以上温度进行的时效处理．

对于高温下工作的变形铝合金应采用人工时效；在室温下工作的可采用自然时效，但有时也可采用人工时效．常用形变铝合金的淬火与时效工艺见表16-1．

表16-1 铝及其合金的热处理工艺参数