鋁合金的熱處理

今天小編來講解鋁合金的熱處理，關(guān)于鋁合金已經(jīng)比較熟悉了，在我們的生活中起到了很好的效果，但是我們卻不知道鋁合金的熱處理？接下來小編給大家分享一下鋁合金的熱處理。

鋁合金的分類

固溶處理：指將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻（水冷），以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。

不完全人工時效：采用比較低的時效溫度或較短的保溫時間，獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即獲得比較高的強度，良好的塑性和韌性，但耐腐蝕性能可能比較低。

完全人工時效：采用較高的時效溫度和較長的保溫時間，獲得較大的硬度和較高的抗拉強度，但伸長率較低。

穩(wěn)定化處理：為使工件在長期服役的條件下形狀和尺寸變化能夠保持在規(guī)定范圍內(nèi)的熱處理。

自然時效：將鑄件置于露天場地半年以上，工件內(nèi)部應(yīng)力自然釋放從而使殘余應(yīng)力消除或減少。

退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當?shù)臏囟?，保持時間，然后緩慢冷卻以達到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。

鋁合金熱處理代號

F 自由加工狀態(tài)（適用于成型過程中對于加工硬化和熱處理條件無特殊要求的產(chǎn)品，該狀態(tài)產(chǎn)品的力學(xué)性能不作規(guī)定）

O 退火狀態(tài)（適用于經(jīng)完全退火獲得較低強度的加工產(chǎn)品）

H 加工硬化狀態(tài)（適用于通過加工硬化提升強度的產(chǎn)品，產(chǎn)品在加工硬化后可經(jīng)過使強度有所降低的附加熱處理，H代號后面必須跟有兩位或三位阿拉伯數(shù)字）

W 固溶處理狀態(tài)（一種不穩(wěn)定狀態(tài)，僅適用于經(jīng)固溶熱處理后，室溫下自然時效的合金，該狀態(tài)代號僅表示產(chǎn)品處于自然時效階段）

T 熱處理狀態(tài)（適用于熱處理后，經(jīng)過加工硬化達到穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)品）

T1 人工時效T2 退火T4 固溶處理+自然時效T5 固溶處理+不完全人工時效T6 固溶處理+完全人工時效T7 固溶處理+穩(wěn)定化處理T8 固溶處理后冷加工再人工時效的狀態(tài)T9 固溶處理后人工時效，再經(jīng)冷加工的狀態(tài)

熱處理對鋁合金性能的影響

鋁合金材料的研發(fā)主要是圍繞提高材料的強度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展的，而合金的性能又是由其組織決定的，因此必須研究和掌握變形鋁合金在各種狀態(tài)下的宏觀和顯微組織，以及這些組織對性能的影響，并深入研究組織調(diào)控技術(shù)，而組織調(diào)控技術(shù)主要的手段是熱處理。

1鋁合金的強化方法

鋁合金在常溫和中等應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，主要由位錯滑移所致，而高溫和低應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形則由位錯蠕動和擴散流變產(chǎn)生?？偟膩碚f，不管工作溫度高低，合金抵抗變形能力的主要由位錯運動難易所決定。因而，把增加鋁合金對位錯運動的抗力稱為鋁合金強化。

鋁合金的強化及其分類方法很多，一般將其分為加工硬化和合金化強化兩大類。鋁合金強化方法可細分為加工硬化、固溶強化、異相強化、彌散強化、沉淀強化、晶界強化和復(fù)合強化七類。在實際應(yīng)用過程中往往是幾種強化方法同時起作用。

A 加工強化

通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得強度較高的方法，稱為加工硬化。塑性變形時增加位錯密度是合金加工硬化的本質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，金屬強烈變形后，位錯密度可由106根/cm2增至1012根/cm2以上。因為合金中位錯密度越大，繼續(xù)變形時位錯在滑移過程中相互交割的機會越多，相互間的阻力也越大，因而變形抗力也越大，合金即被強化。

金屬材料加工強化的原因是：金屬變形時產(chǎn)生了位錯不均勻分布，先是較紛亂地成群糾纏，形成位錯纏結(jié)，隨變形量增大和變形溫度升高，由散亂分布位錯纏結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顏喗Y(jié)構(gòu)組織，這時變形晶粒由許多稱為“胞”的小單元組成;高密度位錯纏結(jié)集中在胞周圍形成包壁，胞內(nèi)則位錯密度甚低。這些胞狀結(jié)構(gòu)阻礙位錯運動，使不能運動的位錯數(shù)量劇增，以至需要更大的力才能使位錯克服障礙而運動。變形越大，亞結(jié)構(gòu)組織越細小，抵抗繼續(xù)變形的能力越大，加工硬化效果越明顯，強度越高。由于產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，故也稱亞結(jié)構(gòu)強化。

加工強化的程度因變形率、變形溫度及合金本身的性質(zhì)不同而異。同一種合金材料在同一溫度下冷變形時，變形率越大則強度越高，但塑性隨變形率的增加而降低。合金變形條件不同，位錯分布亦有所不同。當變形溫度較低(如冷軋)時，位錯活動性較差，變形后位錯大多呈紊亂無規(guī)則分布，形成位錯纏結(jié)，這時合金強化效果好，但塑性也強烈降低。當變形溫度較高時，位錯活動性較大，并進行交滑移，位錯可局部集聚、糾結(jié)、形成位錯團，出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)及其強化，屆時強化效果不及冷變形，但塑性損失較少。

加工硬化或亞結(jié)構(gòu)強化在常溫時是十分有效的強化方法，適用于工業(yè)純鋁、固溶體型合金和熱處理不可強化的多相鋁合金，但在高溫時通常因回復(fù)和再結(jié)晶而對強度的貢獻顯著變小。

某些鋁合金冷變形時能形成較好的織構(gòu)而在方向上強化，稱為織構(gòu)強化。

B 固溶強化

合金元素固溶到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時，合金的強度、硬度一般都會得到提高，稱為固溶強化。所有可溶性合金化組元甚至雜質(zhì)都能產(chǎn)生固溶強化。特別可貴的是，對合金進行固溶強化時，在強度、硬度得到提高的同時，塑性還能保持在良好的水平上，但僅用這一種方法不能獲得特別高的強度。

合金元素溶入基體金屬后，使基體金屬的位錯密度增大，同時晶格發(fā)生畸變?；兯a(chǎn)生的應(yīng)力場與位錯周圍的彈性應(yīng)力場交互作用，使合金元素的原子聚集到位錯線附近，形成所謂“氣團”，位錯要運動就必須克服氣團的釘扎作用，帶著氣團一起移動，或者從氣團中掙脫出來，因而需要更大的切應(yīng)力。另外，合金元素的原子還會改變固溶體的彈性系數(shù)、擴散系數(shù)、內(nèi)聚力和原子的排列缺陷，使位錯線變彎，位錯運動阻力增大，包括位錯與溶質(zhì)原子間的長程交互作用和短程交互作用，從而使材料得到強化。

固溶強化作用大小取決于溶質(zhì)原子濃度、原子相對尺寸、固溶體類型、電子因素和彈性模量。一般來說，溶質(zhì)原子濃度越高，強化效果越大；原子尺寸差別越大，對置換固溶體的強化效果亦可能越大；溶質(zhì)原子與鋁原子的價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用亦越大；彈性模量大小的差異度越大，往往強化效果越好。

在采用固溶強化的合金化時，要挑選那些強化效果高的元素作為合金元素。但更重要的是要選那些在基體金屬中固溶度大的元素作為合金元素，因為固溶體的強化效果隨固溶元素含量的增大而增加。只有那些在基體金屬中固溶度大的元素才能大量加入。例如，銅、鎂是鋁合金的主要合金元素；鋁、鋅是鎂合金的主要合金元素，都是因為這些元素在基體金屬中的固溶度較大的緣故。

進行固溶強化時，往往采用多元少量的復(fù)雜合金化原則（即多種合金元素同時加入，但每種元素加入量少），使固溶體的成分復(fù)雜化，這樣可以使固溶體的強化效果更高，并能保持到較高的溫度。

C 過剩相強化

過量的合金元素加入到基體金屬中去，一部分溶入固溶體，超過極限溶解度的部分不能溶入，形成過剩的第二相，簡稱過剩相。過剩相對合金一般都有強化作用，其強化效果與過剩相本身的性能有關(guān)，過剩相的強度、硬度越高，強化效果越大。但硬脆的過剩相含量超過限度后，合金變脆，力學(xué)性能反而降低。此外，強化效果還與過剩相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相呈等軸狀、細小和均勻分布時，強化效果較好。第二相很大、沿晶界分布或呈針狀，特別是呈粗大針狀時，合金變脆，合金塑性損失大，而且強度也不高，常溫下不宜大量采用過剩強化，但高溫下的使用效果可以很好。另外，強化效果還與基體相與過剩相之間的界面有關(guān)。

過剩相強化與沉淀強化有相似之處，只不過沉淀強化時，強化相極為細小，彌散度大，在光學(xué)顯微鏡下觀察不到;而在利用過剩相強化合金時，強化相粗大，用光學(xué)顯微鏡的低倍即能清楚看到。過剩和強化在鋁合金中應(yīng)用廣泛，幾乎所有在退火狀態(tài)使用的兩相合金都應(yīng)用了過剩相強化。或者更準確地說，是固溶強化與過剩相強化的聯(lián)合應(yīng)用。過剩相強化有時亦稱復(fù)相強化或異相強化。

D 彌散強化

非共格硬顆粒彌散物對鋁合金的強化稱彌散強化。為取得好的強化效果，要求彌散物在鋁基體中有低的溶解度和擴散速率、高硬度（不可變形）和小的顆粒（0.1μm左右）。這種彌散物可用粉末冶金法制取或由高溫析出獲得，產(chǎn)生粉末冶金強化和高溫析出強化。

由彌散質(zhì)點引起的強化包括兩個方面:彌散質(zhì)點阻礙位錯運動的直接作用，彌散質(zhì)點為不可變形質(zhì)點，位錯運動受阻后，必須繞越通過質(zhì)點，產(chǎn)生強化，彌散物越密集，強化效果就越好;彌散質(zhì)點影響熱處理時半成品的再結(jié)晶過程，部分或完全抑制再結(jié)晶（對彌散粒子的大小和其間距有要求），使強度提高。彌散強化對常溫或高溫下均適用，特別是粉末冶金法生產(chǎn)的燒結(jié)鋁合金，工作溫度可達350℃。彌散強化型合金的應(yīng)變不太均勻，在強度提高的同時，塑性損失要比固溶強化或沉淀強化的大。熔鑄冶金鋁合金中采用高溫處理，獲得彌散質(zhì)點使合金強化，越來越得到人們關(guān)注。在鋁合金中添加非常低的溶解度和擴散速率的過渡族金屬和稀土金屬元素，如含Mn、Cr、Zr、Sc、Ti、V等，鑄造時快速冷卻，使這些元素保留在α(Al)固溶體中，隨后高溫加熱析出非常穩(wěn)定的0.5μm以下非共格第二相彌散粒子，即第二類質(zhì)點。其顯微硬度可大于5000MPa，使合金獲得彌散強化效果。

這些質(zhì)點一旦析出，很難繼續(xù)溶解或聚集，故有較大的彌散強化效果。以Al-Mg-Si系合金為例，加入不同量的過渡元素可使抗拉強度增加6%~29%，屈服強度提高較多，達52%。此外，彌散質(zhì)點阻止再結(jié)晶即提高再結(jié)晶溫度，使冷作硬化效果較大限度保留，尤以Zr和Sc提高Al的再結(jié)晶溫度較顯著。

E 沉淀強化

從過飽和固溶體中析出穩(wěn)定的第二相，形成溶質(zhì)原子富集亞穩(wěn)區(qū)的過渡相的過程，稱為沉淀。凡有固溶度變化的合金從單相區(qū)進入兩相區(qū)時都會發(fā)生沉淀。鋁合金固溶處理時獲得過飽和固溶體，在溫度下加熱，發(fā)生沉淀生成共格的亞穩(wěn)相質(zhì)點，這一過程稱為時效。由沉淀或時效引起的強化稱沉淀強化或時效強化。第二相的沉淀過程也稱析出，其強化稱析出強化。鋁合金時效析出的質(zhì)點一般為G.P區(qū)，共格或半共格過渡相，尺寸為0.001~0.1μm，屬第三類質(zhì)點。這些軟質(zhì)點有三種強化作用即應(yīng)變強化、彌散強化和化學(xué)強化。時效強化的質(zhì)點在基體中均勻分布，使變形趨于均勻，因而時效強化引起塑性損失都比加工硬化、彌散強化和異相強化的要小。通過沉淀強化，合金的強度可以提高百分之幾十至幾百倍。因此，沉淀強化是Ag、Mg、Al、Cu等有色金屬材料常用的有效強化手段。

沉淀強化的效果取決于合金的成分、淬火后固溶體的過飽和度、強化相的特性、分布及彌散度以及熱處理制度等因素。強化效果較好的合金位于極限溶解度成分，在此成分下可獲得較大的沉淀相體積分數(shù)。

F 晶界強化

鋁合金晶粒細化，晶界增多，由于晶界運動的阻力大于晶內(nèi)且相鄰晶粒不同取向使晶粒內(nèi)滑移相互干涉而受阻，變形抗力增加，即合金強化。晶粒細化可以提高材料在室溫下的強度、塑性和韌性，是金屬材料較常用的強韌化方法之一。晶界上原子排列錯誤，雜志腹肌

晶界上原子排列錯亂，雜質(zhì)富集，并有大量的位錯、孔洞等缺陷，而且晶界兩側(cè)的晶粒位向不同，所有這些都阻礙位錯從一個晶粒向另一個晶粒的運動。晶粒越細，單位體積內(nèi)的晶界面積就越大，對位錯運動的阻力也越大，因而合金的強度越高。晶界自身強度取決于合金元素在晶界處的存在形式和分布形態(tài)，化合物的優(yōu)于單質(zhì)原子吸附的，化合物為不連續(xù)、細小彌散點狀時，晶界強化效果較好。晶界強化對合金的塑性損失較少，常溫下強化效果好，但高溫下不宜采用晶界強化，因高溫下晶界滑移為重要形變方式，使合金趨向沿晶界斷裂。

鋁合金的晶粒細化的方法主要有三種。

（1）細化鑄造組織晶粒

熔鑄時采用變質(zhì)處理，在熔體中加入適當?shù)碾y溶質(zhì)點（或與基體金屬能形成難熔化合物質(zhì)點的元素）作為非自發(fā)晶核，由于晶核數(shù)目大量增加，熔體即結(jié)晶為細晶粒。例如，添加Ti、Ti-B、Zr、Sc、V等都有很好的細化晶粒的作用；另外，在熔體中加入微量的，對初生晶體有化學(xué)作用從而改變其結(jié)晶性能的物質(zhì)，可以使初生晶體的形狀改變，如Al-Si合金的Na變質(zhì)處理就是一個很好的例子。用變質(zhì)處理方法，不僅能細化初生晶粒，而且能細化共晶體和粗大的過剩相，或改變它們的形狀。此外，在熔鑄時，采取增加一級優(yōu)品質(zhì)廢料比例、避免熔體過熱、攪動、降低鑄造溫度、增大冷卻速度、改進鑄造工具等措施，也可以（或有利于）獲得細晶粒鑄錠。

（2）控制彌散相細化再結(jié)晶晶粒

抑制再結(jié)晶的彌散相MnAl?、CrAl?、TiAl?、ScAl?、VAl?和ZrAl?質(zhì)點，在顯微組織中它們有許多都是釘扎在晶界上，使晶界遷移困難，這不僅阻礙了再結(jié)晶，而且增加了晶界的界面強度，它們可以明顯細化再結(jié)晶晶粒。這些彌散相的大小和分布，是影響細化效果的主要因素，越細小越彌散，細化效果越好。彌散相的大小和分布主要受高溫?zé)崽幚砗蜔峒庸さ挠绊?。獲得細小彌散相的方法主要有：在均勻化時進行低溫預(yù)處理形核，然后在進行正常熱處理；對含Sc的合金采用低溫均勻化處理；對含Mn、Cr的合金采用較高溫度均勻化處理；還可以采用熱機械加工熱處理的方法獲得細小彌散相，即對熱加工后的鋁合金進行高溫預(yù)處理，然后再進行正常的熱加工，如7175-T74合金鍛件就采用過這種工藝；此外，也可以通過熱加工的加熱過程和固溶處理過程來調(diào)控彌散相。

（3）采用變形及再結(jié)晶方法細化再結(jié)晶晶粒

采用強冷變形后進行再結(jié)晶，可以獲得較細的晶粒組織;采用中溫加工可以獲得含有大量亞結(jié)構(gòu)的組織；采用適當?shù)臒釘D壓并與合理的再結(jié)晶熱處理相結(jié)合，可以獲得含有大量亞結(jié)構(gòu)的組織，得到良好的擠壓效應(yīng)；在再結(jié)晶處理時，采用高溫短時，或多次高溫短時固溶處理均可以獲得細小的晶粒組織。

G 復(fù)合強化

采用強度較高的粉、絲和片狀材料和壓、焊、噴涂、溶浸等方法與鋁基體復(fù)合，使基體獲得高的強度，稱為復(fù)合強化。按復(fù)合材料形狀，復(fù)合強化可分為纖維強化型、粒子強化型和包覆材料三種。晶須和連續(xù)纖維常作纖維強化原料，粒子強化型有粉末冶金和混合鑄造兩類。對燒結(jié)鋁合金屬粒子復(fù)合強化合金，多數(shù)學(xué)者認為是彌散強化的典型合金。復(fù)合強化的機理與異相強化相近。這種強化在高溫下強化效果較佳，在常溫下也可顯著強化，但塑性損失大?？梢杂米髟鰪娎w維的材料有碳纖維、硼纖維、難熔化合物(Al3O2、SiC、BN、TiB2等)纖維和難熔金屬(W、Mo、Be等)細絲等。這些纖維或細絲的強度一般為2500~3500MPa。此外，還可用金屬單晶須或Al3O2、B4C等陶瓷單晶須作為增強纖維，它們的強度就更高。但晶須的生產(chǎn)很困難，成本很高。

鋁合金是一種典型的基體材料。以硼纖維增強和可熱處理強化的合金（如Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si）或彌散硬化的Al-Al3O2系為基的金屬復(fù)合材料，其比強度和比剛度為標準鋁合金的2~3.5倍，已被用于航空及航天工業(yè)。

金屬基體復(fù)合材料的強化機理與上述固溶強化及彌散強化等機理不同，這種強化主要不是靠阻礙位錯運動，而是靠纖維與基體間良好的浸潤性緊密粘結(jié)，使纖維與基體之間獲得良好的結(jié)合強度。這樣，由于基體材料有良好的塑性和韌性，增強纖維又有很高的強度，能承受很大的軸向負荷，所以整個材料具有很高的抗拉強度及優(yōu)異的韌性。此外，這種材料還能獲得很高的比強度、很高的耐熱性及抗腐蝕性，是目前材料發(fā)展的一個新方向。

2各類強化方法在鋁合金生產(chǎn)中的應(yīng)用

不可熱處理強化鋁合金的強化

純鋁、Al-Mg、Al-Mg-Sc、Al-Mn合金屬于不可熱處理強化鋁合金，主要靠加工硬化和晶界強化獲得強度較高，輔助強化機制還有固溶強化、過剩相強化、彌散相強化等。加工硬化可通過熱變形、冷變形、冷變形后部分退火而不同程度地獲得。熱變形產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)強化，變形溫度越高，亞晶尺寸越粗大，強化效果越差，但塑性相當高。經(jīng)完全退火的材料進行不同程度的冷變形，冷變形率越大，制品強度越高，但塑性也越低。冷變形的加工硬化效果較大。充分冷變形的制品在不同溫度下退火，控制回復(fù)和再結(jié)晶階段，可保留不同程度的加工硬化量即不同的強化效果。

可熱處理強化鋁合金的強化

工業(yè)生產(chǎn)的可熱處理強化鋁合金有Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，以及開發(fā)中的Al-Cu-Li和Al-Mg-Li合金等。這些合金普遍采用淬火時效，并主要通過沉淀強化方法來獲得很高的強度，輔助強化機制也有固溶強化、過剩相強化、彌散相強化、晶界強化等。自然時效時G.P區(qū)為主要強化相，人工時效主要是G.P區(qū)加過渡相起強化作用，過時效時才出現(xiàn)穩(wěn)定相，出現(xiàn)穩(wěn)定相后強度降低。

形變時效與擠壓效應(yīng)強化

在Al-Cu系和Al-Mg-Si系合金中，較多采用形變時效方法獲得強度較高，該方法包括T3、T8和T9三種狀態(tài)，都是利用時效強化和冷作硬化的交互作用及強化在程度上的疊加作用。2124-T8厚板因冷變形產(chǎn)生的大量滑移線，滑移線上成排分布著時效析出相，二者的聯(lián)合作用使塑性變形更為困難，即強度進一步提高。

 可熱處理強化鋁合金擠壓制品淬火時效后的強度比其他方法生產(chǎn)的同一合金相同熱處理狀態(tài)下的強度高，這一現(xiàn)象稱為擠壓效應(yīng)。其組織觀察發(fā)現(xiàn)全部或部分保留了冷作硬化效應(yīng)，基體中保留了大量亞結(jié)構(gòu)，故強化是時效強化和亞結(jié)構(gòu)強化的疊加。

Al-Si合金的強化

Al-Si系變形鋁合金，特別適合于生產(chǎn)活塞等模鍛件，合金中硅含量ω(Si)=12%~13%，還含有量的Cu、Mg、Ni等。組織中有較多的結(jié)晶時生成的共晶硅，均布在軟的α(Al)基體上，尺寸大都在5μm左右，硬且脆。這種共晶硅是鋁合金中異相強化的典型例子。由于異相強化具有耐高溫、耐磨和中強等特點，故特別適合于制作活塞。