时效总结

时效

一、时效

在一定的温度下，保持一定的时间，过饱和固溶体发生分解(称为脱溶)，引起铝合金强度和硬度大幅度提高，这种热处理过程称之为时效。

二、时效强化机理

7×××系合金时效过程中的沉淀析出顺序为: SSSS(过饱和固溶体)→GP区→η′(MgZn2)→η(MgZn2)。若Zn：Mg比较低，一些铝合金会出现T相（Al2Mg3Zn3），T相析出序列可表示为：SSSS→GP区→T′(半共格) →T，由于时效温度一般低于200℃通常很少在合金中发现T相。6xxx系（Al-Mg-Si系）铝合金SSSS→GP区→β’相→β相(Mg2Si相)。

金属强化取决于位错与脱溶相质点间的相互作用。时效过程中分解产生的析出相能阻碍位错运动，从而提高合金强度。析出相对位错的阻碍作用主要有切过机制和奥罗万绕过机制。在沉淀析出的早期阶段，形成小尺寸的GP区和亚稳相η’相，位错滑移需-切割析出相，使基体得到明显强化。随着时效时间的延长，析出相的尺寸增大，合金强度增加。在沉淀析出的后期，主要发生亚稳相η’向平衡相η的转变以及η相的粗化，此时位错线采取绕过方式移动，因为绕过析出相所需的临界切应力比切过所需的低。随着时效时间的延长，析出相明显长大，强化效果降低，强度下降。合金的强度主要由晶内析出相GP区和η’相的体积分数、形貌尺寸和分布所决定。沉淀相的体积分数越大，分布越均匀致密，合金的强度越高。通常切割机制比绕过机制的强化效果好。切割机制的强化效果随质点体积分数和尺寸的增大而增大，而绕过机制的强化效果则应随质点体积分数的减小和尺寸的增大而减小。

合金在时效过程中的强度变化的特征：开始阶段的脱溶相（GP区或某种过渡相）与基体共格、尺寸很小，因而位错可以切过。此时的屈服切应力增量取决于切割脱溶相所需的应力。继续脱溶时，脱溶相体积分数（ƒ）及尺寸（r）均增加，切割它们所需应力加大，使强化值增加，经一段时间后，ƒ会达到一定值，脱溶相将按奥斯特华德熟化过程规律增大尺寸，使合金进一步强化。最后，脱溶相质点逐渐向半共格或非共格质点（过渡相或平衡相）转变，尺寸也不断加大，

一旦达到一定尺寸时，位错在质点周围成环所需应力会小于切割质点的应力，奥罗万机制开始发生作用，这时合金强度随着脱溶相质点尺寸进一步增大而降低。但应注意，在奥罗万机制起作用时，由于每一位错线通过质点后将留下一个位错环，使质点周围位错密度增加，这就相当于质点有效尺寸不断增大，质点间距不断减小，因而使加工硬化系数加大。

三、时效过程

合金在时效过程中一般经历欠时效、峰时效、过时效三个阶段，欠时效阶段为合金硬度（强度）逐渐上升的过程，合金组织中的GP区或过渡相η'数量逐渐增多，其中的沉淀相主要为GP区，变形时位错切割GP区；峰时效为合金达到硬度最大的点，合金的微观组织为高度弥散的GP区和η'相，位错由切割机制逐步向绕过机制转变，合金的强度最高；过时效过程中合金的硬度逐渐降低，组织中的η'相逐渐长大发生粗化，同时发生过渡相（η'相）向粗大的平衡相（η相）转变，合金中的沉淀相主要为η′相和η相，变形时位错绕过强化质点。部分7xxx 铝合金还会存在者“双峰时效”现象，在研究7175合金时发现双峰时效现象，第一个峰值对应的显微组织GP区，随着GP区部分溶解强度降低，然后随η'相数量逐渐增多形成第二个峰值。双级时效第一阶段为低温时效的成核阶段，形成细小的GP区及η'相为终时效的析出相提供形核点；第二阶段为高温时效的稳定化阶段，晶内为尺寸较大的η'相,晶界处为不连续的粗大的η相，合金的耐腐性提高，但强度比T6态的下降10%~15%，该工艺是在牺牲强度的条件下提高耐腐蚀性。

四、微观组织

强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的微观组织与性能有着紧密的联系，合金的性能主要受合金组织内的析出相尺寸、类型及分布的影响，Al-Zn-Mg-Cu的微观组织主要有三部分组成，即晶内析出相（MPt）、晶界析出相（GBP）以及晶界周围的无沉淀析出带（PFZ）。MPt的特性显著影响合金的强度，时效析出的GP区和η'相的强化效果好于粗大的平衡相η相。GBP对合金的抗应力腐蚀性（SCR）和断裂韧性影响较大，GBP连续分布对合金的韧性和SCR性不利，而较粗大不连续的分布对合金的抗应力腐蚀性有利，经过时效和回归再时效热处理能获得这种

组织。PFZ形成理论有贫空位理论和贫溶质原子理论，它对合金塑性和SCR的影响尚无定论，一般认为较窄的PFZ对韧性和SCR有利；也有研究者提出PFZ 对SCR的影响不大，主要受PFZ区的Cu元素浓度分布影响。时效强化的效果取决于铝合金时效析出相与位错的相互作用，根据位错理论，当析出相为GP区和尺寸较小的η相时，作用机制主要为位错切割机制；当析出相为尺寸较大的η相和η相时，作用机制主要为位错绕过机制（奥罗万机制）。

五、时效工艺

7xxx铝合金主要时效工艺有单级时效(T5、T6 )、双级时效（T7x）、RRA（回归再时效）以及非等温时效。单级时效能获得较高的强度，T7x的抗腐蚀性性能较好，RRA回归再时效、非等温时效具有较好的综合性能,图3为7xxx合金常用时效工艺制度示意图。

单级时效（T5、T6）

单级时效为合金淬火后在一定的温度下等温时效，其中T5态为高温加工成型冷却后进行人工时效的工艺，T6态为固溶处理后经人工时效的状态。单级峰时效可使合金获得峰值强度，7xxx合金最早的热处理制度便是采用该种方法，但由于显微组织中的晶界析出相连续，合金的抗腐蚀性能一般。

双级时效（T7X）

为克服7xxx合金对应力腐蚀开裂（SCC）及剥落腐蚀的敏感性，7xxx合金在生产中常进行双级时效（又称阶段时效）。第一阶段为低温时效的成核阶段，形成细小的GP区及η′相为终时效的析出相提供形核点；第二阶段为高温时效的稳定化阶段，晶内为尺寸较大的η′相,晶界处为不连续的粗大的η相，合金的耐腐性提高，但强度比T6态的下降10%~15%，该工艺是在牺牲强度的条件下提高耐腐蚀性[7]。为减小剥落腐蚀敏感性，人们相继研发了T73，T76工艺，为了减小强度损失，并且使耐腐蚀性介于T73与T76，又研发了T74（T736）态热处理制度。近年来针对7056、7449合金的中高厚度的结构件，研究者开发了轻微过时效的T79态工艺。