铝合金时效硬化曲线的测定
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一、实验目的
❖ 掌握固溶淬火及时效处理的基本操作。 ❖ 了解时效温度和时效时间对时效强化效
果的影响规律。 ❖ 加深对时效强化及其机制的理解。
Hale Waihona Puke Baidu
二、实验原理概述
❖ 定义：从过饱和固溶体中析出第二相（沉
淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定 过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩 散型相变。
❖ 条件 ：合金在平衡状态图上有固溶度的变
❖ 过时效：在一定温度下，随时效时间延长，合金强度
、硬度逐渐增高。至一定时间、其强度、硬度达到最大 值（峰值）。时效时间再延长则其强度硬度反而下降， 此即所谓“过时效” 。
三、实验设备及材料
❖ 坩埚电阻炉：内置不锈钢盐浴槽，作试样的淬火加热 用。加热介质为硝酸盐及亚硝酸盐的混合物，成分为 50％KNO3+50 %NaNO2
曲线的特点是硬度一开始就迅速上升，达到一定值后硬度 缓慢上升或者基本上保持不变。
冷时效的温度越高，硬度上升就越快，所能达到的硬 度也就越高。在Al基和Cu基合金中，冷时效过程中主要形 成G.P.区。
❖ 温时效：是指在较高温度下发生的时效 。其硬度变化
规律是：开始有一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称为 孕育期。接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延 长而下降。
❖ 将试样用砂纸或预磨机磨掉车痕，以达平整 、光洁，然后用铁丝绑好。
❖ 将绑好试样在盐浴槽中加热。加热温度为 500±3℃，保温约10～15分钟，保温结束后 快速淬入水槽中。
❖ 每组取一个试样立即测定淬火后的硬度。
四、实验步骤与方法
❖ 每组的其它试样立即进入恒温箱进行时效处理（ 除室温自然时效组外）。时效温度分别为室温、 130℃、160℃、190℃，220℃，每组取一个温 度进行时效。
❖ 每次取样、放试样时，宜轻拿轻放，防止 乱样及烫伤。
❖ 每次试验完成后切断电源，以防设备事故 。
六、实验报告要求
❖ 将本组所得硬度数据绘成硬度—时效时间 关系曲线，并将其它各组（即不同时效温 度）所得数据绘在同一硬度—时效时间关 系曲线上。
❖ 分析比较所得时效硬化曲线的异同，并根 据时效强化机制解释曲线的变化规律。
❖ 控温装置：用WZK可控硅温度控制器控制炉膛温度 ，盐浴温度用数字式温度显示仪或电位差计测量
❖ 淬火水槽：用于淬火冷却
❖ 恒温箱：用来人工时效处理 ❖ 布氏硬度计：测定淬火及时效合金硬度 ❖ 读数显微镜：测定压痕直径 ❖ 实验材料：2024铝合金试样
四、实验步骤与方法
❖ 每班分成五个小组，每组分别领取一套样品 （12块），作好标记。
以Al-4％Cu合金为例，其室温平衡组织为 相固溶 体过和饱和相（相C固u溶Al体2），。加该热合到金1经30固℃溶进处行理时并效淬，火其冷脱却溶获顺得
序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相，即在平衡相（ ）
出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。
二、实验原理概述
❖ 冷时效：是指在较低温度下进行的时效，其硬度变化
❖ 将各时效温度时效不同时间后的试样立即水冷， 用细砂纸磨去氧化皮后测定硬度，取三点进行测 定。查布氏硬度对照表，将所查出的三个硬度三 点均值填入表1（建议试样测定布氏硬度HB值的 参数选定为负荷250Kgf，钢球直径Φ5mm，负荷 保持时间30s）。
五、实验注意事项
❖ 不要将带有水的试样和钳子放入盐浴槽， 以防爆炸、烫伤。
温时效的温度越高，硬度上升就越快，达到最大值的 时间就越短，但所能达到的最大硬度值反而就越低。
二、实验原理概述
图2 冷时效和温时效过程硬度变化示意图
二、实验原理概述
图3 Al-Cu合金在130℃时效时的硬度和析出相的关系
二、实验原理概述
❖ 时效温度是影响过饱和固溶体脱溶速度的重要因素。
时效温度越高，原子活性就越强，脱溶速度也就越快。 但是随着时效温度升高，化学自由能差减小，同时固溶 体的过饱和度也减小，这些又使脱溶速度降低，甚至不 再脱溶。因此，可以提高温度来加快时效过程，缩短时 效时间。
❖ 时效：合金在脱溶过程中，其力学性能、物理性能和
化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。室温 下产生的时效称为自然时效，高于室温的时效称为人工 时效。
二、实验原理概述
❖ 脱溶顺序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相
合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若 在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶 相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若 干个亚稳脱溶相或称为过渡相。
化，并且固溶度随温度降低而减少。
二、实验原理概述
❖ 如果将C0成分的合金自单相固溶体状态缓慢冷却到固溶度线（MN）以
下温度(如T3)保温时， 相将从 相固溶体中脱溶析出， 相的成分将
沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种转变可表示为 (C0 ) (C1) 。
其中 相为平衡相，可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物
为 ( ) 双相组织。将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度（
如T1）保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体相，这种处理称为固溶 处理。
图1 固溶 处理 与时 效处 理的 工艺 过程 示意 图
二、实验原理概述
❖ 时效硬(强)化或沉淀硬(强)化：若将经过固溶
处获理得后亚的稳C的0过成饱分和合 金急相冷固，溶抑体止。这相种分过解饱，和则固在溶室体温在下室 温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶相 往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚 集区。这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为时 效硬(强)化或沉淀硬(强)化。
❖ 掌握固溶淬火及时效处理的基本操作。 ❖ 了解时效温度和时效时间对时效强化效
果的影响规律。 ❖ 加深对时效强化及其机制的理解。
Hale Waihona Puke Baidu
二、实验原理概述
❖ 定义：从过饱和固溶体中析出第二相（沉
淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定 过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩 散型相变。
❖ 条件 ：合金在平衡状态图上有固溶度的变
❖ 过时效：在一定温度下，随时效时间延长，合金强度
、硬度逐渐增高。至一定时间、其强度、硬度达到最大 值（峰值）。时效时间再延长则其强度硬度反而下降， 此即所谓“过时效” 。
三、实验设备及材料
❖ 坩埚电阻炉：内置不锈钢盐浴槽，作试样的淬火加热 用。加热介质为硝酸盐及亚硝酸盐的混合物，成分为 50％KNO3+50 %NaNO2
曲线的特点是硬度一开始就迅速上升，达到一定值后硬度 缓慢上升或者基本上保持不变。
冷时效的温度越高，硬度上升就越快，所能达到的硬 度也就越高。在Al基和Cu基合金中，冷时效过程中主要形 成G.P.区。
❖ 温时效：是指在较高温度下发生的时效 。其硬度变化
规律是：开始有一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称为 孕育期。接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延 长而下降。
❖ 将试样用砂纸或预磨机磨掉车痕，以达平整 、光洁，然后用铁丝绑好。
❖ 将绑好试样在盐浴槽中加热。加热温度为 500±3℃，保温约10～15分钟，保温结束后 快速淬入水槽中。
❖ 每组取一个试样立即测定淬火后的硬度。
四、实验步骤与方法
❖ 每组的其它试样立即进入恒温箱进行时效处理（ 除室温自然时效组外）。时效温度分别为室温、 130℃、160℃、190℃，220℃，每组取一个温 度进行时效。
❖ 每次取样、放试样时，宜轻拿轻放，防止 乱样及烫伤。
❖ 每次试验完成后切断电源，以防设备事故 。
六、实验报告要求
❖ 将本组所得硬度数据绘成硬度—时效时间 关系曲线，并将其它各组（即不同时效温 度）所得数据绘在同一硬度—时效时间关 系曲线上。
❖ 分析比较所得时效硬化曲线的异同，并根 据时效强化机制解释曲线的变化规律。
❖ 控温装置：用WZK可控硅温度控制器控制炉膛温度 ，盐浴温度用数字式温度显示仪或电位差计测量
❖ 淬火水槽：用于淬火冷却
❖ 恒温箱：用来人工时效处理 ❖ 布氏硬度计：测定淬火及时效合金硬度 ❖ 读数显微镜：测定压痕直径 ❖ 实验材料：2024铝合金试样
四、实验步骤与方法
❖ 每班分成五个小组，每组分别领取一套样品 （12块），作好标记。
以Al-4％Cu合金为例，其室温平衡组织为 相固溶 体过和饱和相（相C固u溶Al体2），。加该热合到金1经30固℃溶进处行理时并效淬，火其冷脱却溶获顺得
序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相，即在平衡相（ ）
出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。
二、实验原理概述
❖ 冷时效：是指在较低温度下进行的时效，其硬度变化
❖ 将各时效温度时效不同时间后的试样立即水冷， 用细砂纸磨去氧化皮后测定硬度，取三点进行测 定。查布氏硬度对照表，将所查出的三个硬度三 点均值填入表1（建议试样测定布氏硬度HB值的 参数选定为负荷250Kgf，钢球直径Φ5mm，负荷 保持时间30s）。
五、实验注意事项
❖ 不要将带有水的试样和钳子放入盐浴槽， 以防爆炸、烫伤。
温时效的温度越高，硬度上升就越快，达到最大值的 时间就越短，但所能达到的最大硬度值反而就越低。
二、实验原理概述
图2 冷时效和温时效过程硬度变化示意图
二、实验原理概述
图3 Al-Cu合金在130℃时效时的硬度和析出相的关系
二、实验原理概述
❖ 时效温度是影响过饱和固溶体脱溶速度的重要因素。
时效温度越高，原子活性就越强，脱溶速度也就越快。 但是随着时效温度升高，化学自由能差减小，同时固溶 体的过饱和度也减小，这些又使脱溶速度降低，甚至不 再脱溶。因此，可以提高温度来加快时效过程，缩短时 效时间。
❖ 时效：合金在脱溶过程中，其力学性能、物理性能和
化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。室温 下产生的时效称为自然时效，高于室温的时效称为人工 时效。
二、实验原理概述
❖ 脱溶顺序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相
合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若 在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶 相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若 干个亚稳脱溶相或称为过渡相。
化，并且固溶度随温度降低而减少。
二、实验原理概述
❖ 如果将C0成分的合金自单相固溶体状态缓慢冷却到固溶度线（MN）以
下温度(如T3)保温时， 相将从 相固溶体中脱溶析出， 相的成分将
沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种转变可表示为 (C0 ) (C1) 。
其中 相为平衡相，可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物
为 ( ) 双相组织。将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度（
如T1）保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体相，这种处理称为固溶 处理。
图1 固溶 处理 与时 效处 理的 工艺 过程 示意 图
二、实验原理概述
❖ 时效硬(强)化或沉淀硬(强)化：若将经过固溶
处获理得后亚的稳C的0过成饱分和合 金急相冷固，溶抑体止。这相种分过解饱，和则固在溶室体温在下室 温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶相 往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚 集区。这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为时 效硬(强)化或沉淀硬(强)化。