合金的时效(1)讲义
第三章合金的时效
纯晶体的凝固
形核
晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的，即固相核心的形成与晶核生 长至液相耗尽为止。形核方式可以分为两类：
1) 均匀形核：新相晶核是在母相中均匀地生成的，即晶核由液相中的一些原 子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响； 2) 非均匀（异质）形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液 相中的杂质或外来表面形核。 在实际熔液中不可避免地存在杂质和外表面（例如容器表面），因而其凝固 方式主要是非均匀形核。但是，非均匀形核的基本原理是建立在均匀形核的基 础上的，因而先讨论均匀形核。
时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度 或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化， 也可称为沉淀硬化或沉淀强化。 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金 或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 时效处理如采用室温下放臵的方法进行，则称为自 然时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则 称为人工时效。
3.2析出过程（脱溶沉淀过程）
（一）实际析出过程 过饱和固溶体发生析出后，将变为饱和固溶体和析 出物，一般是指平衡析出过程（即达到了最终状态）而言。 而在实际析出过程中，在达到这个最终状态以前，往往要 经过几个过渡阶段。最典型的，也是研究得最早的和最细 致的是Al-Cu合金。这种合金的析出过程为： α相（Al基过饱和固溶体）、G.P.区、θ″相、θ′ 相、θ相（平衡相CuAl2)
讨论：T 对 IV 的影响。
G K P B exp( ) RT Gm D exp( ) RT
IV P . D
IVIV为何出现最大值？
T
(2). 非均匀成核－－有外加界面参加的成核。 原因：成核基体存在降低成核位垒，有利于成核。 非均匀成核临界成核位垒 G K与接触角的关系。 S L * 液体 G K G K . f ( )
合金时效的作用
合金时效的作用《合金时效的作用》嘿，朋友们！想象一下，你正在一个热火朝天的工厂车间里，各种机器轰鸣声不绝于耳，工人们都在忙碌地操作着。
而在这其中，有一群特殊的材料正在经历着一场神奇的变化，那就是合金。
咱就说这合金啊，可真是个了不起的玩意儿。
它就像是一个团队，各种不同的金属元素聚集在一起，各展所长，共同创造出比单一金属更强大的性能。
而合金时效，就是让这个团队变得更加强大的秘密武器。
比如说，有一块铝合金，一开始它可能普普通通，没什么特别之处。
但是，经过了时效处理这个神奇的过程，它就像是被施了魔法一样，变得坚硬无比，仿佛穿上了一层坚不可摧的铠甲。
时效处理就像是给合金来了一场特训。
在这个过程中，合金内部的原子们开始重新排列组合，形成一种更加稳定、更加坚固的结构。
这就好比是一群士兵，经过严格的训练和磨合，变得更加团结、更有战斗力。
你看啊，在我们的日常生活中，很多地方都用到了经过时效处理的合金。
就拿汽车来说吧，那些汽车的零部件可都需要高强度和耐用性。
如果没有合金时效的作用，那些零件可能用不了多久就会损坏，那可就麻烦大了。
再想想飞机，那么大的家伙在天空中翱翔，承受着巨大的压力和摩擦力。
要是没有经过时效处理的合金来支撑，那后果简直不堪设想。
合金时效的作用可不仅仅是让材料变得更硬更强哦，它还能改善合金的其他性能呢。
就像一个全能选手，不仅力量强大，速度、耐力等方面也都很出色。
而且啊，时效处理的过程也挺有趣的。
就好像是一场精心策划的化学反应，各种元素在特定的条件下相互作用，最终产生出令人惊叹的效果。
有人可能会问了，那合金时效是不是很难呢？其实也没那么复杂啦。
科学家们和工程师们就像是一群聪明的魔法师，他们知道怎么去控制这个过程，让合金发挥出最大的潜力。
所以啊，可别小看了这合金时效。
它就像是一个默默无闻的英雄，在我们看不见的地方发挥着巨大的作用，让我们的生活变得更加安全、更加便捷。
总之，合金时效就是这么神奇，这么重要。
它让合金变得更加出色，为我们的现代生活提供了坚实的材料基础。
铝合金时效处理工艺说明.
铝合金的热处理铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大,因而在热处理时也有所不同。
前者保温时间长,一般都在2h以上,而后者保温时间短,只要几十分钟。
因为金属型铸件、低压铸造件、差压铸造件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的,其结晶组织比石膏型、砂型铸造的铸件细很多,故其在热处理时的保温也短很多。
铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀,有异形面或内通道等复杂结构外形,为保证热处理时不变形或开裂,有时还要设计专用夹具予以保护,并且淬火介质的温度也比变形铝合金高,故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。
一、热处理的目的铝合金铸件热处理的目的是提高力学性能和耐腐蚀性能,稳定尺寸,改善切削加工和焊接等加工性能。
因为许多铸态铝合金的机械性能不能满足使用要求,除Al-Si 系的ZL102,Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外,其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的机械性能和其它使用性能,具体有以下几个方面:1消除由于铸件结构(如璧厚不均匀、转接处厚大等原因使铸件在结晶凝固时因冷却速度不均匀所造成的内应力;2提高合金的机械强度和硬度,改善金相组织,保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能;3稳定铸件的组织和尺寸,防止和消除高温相变而使体积发生变化;4消除晶间和成分偏析,使组织均匀化。
二、热处理方法1、退火处理退火处理的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力,稳定加工件的外形和尺寸,并使Al-Si系合金的部分Si结晶球状化,改善合金的塑性。
其工艺是:将铝合金铸件加热到280-300℃,保温2-3h,随炉冷却到室温,使固溶体慢慢发生分解,析出的第二质点聚集,从而消除铸件的内应力,达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形、翘曲的目的。
2、淬火淬火是把铝合金铸件加热到较高的温度(一般在接近于共晶体的熔点,多在500℃以上,保温2h以上,使合金内的可溶相充分溶解。
原理第3章合金的脱溶沉淀与时效ppt课件
几种时效硬化型合金的析出系列
析出系列 G.P.区(球)′(片) G.P.区(盘)″(盘) ′ G.P.区(球)M′(片)
G.P.区(杆)′ G.P.区(杆 、 球)s′
G.P.区(盘) G.P.区(球)
″(盘) ′(立方体)
平衡析出相 (Ag2Al) (CuAl2) M(MgZn2) (Mg2Si) s(Al2CuMg) (CuBe)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
第七章 合金的脱溶沉淀与时效
定义：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）、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化，并且固溶度随温度降低而减少 。 固溶处理：将双相组织（+）加热到固溶度线以上某一 温度（如 T1）保温 足够时间，获得均匀的单相固溶体相的处理工艺。 时效：合金在脱溶过程中，其机械性能、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。
″相与基体相仍保持完全共格关系。″相仍为薄片状，片的厚度约 0.8～2nm，直径约 14～15nm。
随着″相的长大，在其周围基体中产生的应力和应变也不断地增大。 ″相具有正方点阵，点阵常数为：
a＝b＝4.04Å，与母相相同 c＝7.8 Å ，较相的两倍(8.08 Å)略小
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
遭到破坏，″相转变为新的过渡相′相。 ′相也具有正方点阵，点阵常数为 ： a＝b＝4.04 Å c＝5.8 Å。 ′相的成分与 CuAl2相当。 ′相的点阵虽然与基体相不同，但彼此之
第三章 合金的时效
（五） θ相的结构与形成 一般认为，θ相是由θ′长大而成。随着θ′ 相的长大，θ′相周围的α相中的应力、应变和弹性应 变能越来越大，θ′相就越来越不稳定。当θ′相长大 到一定尺寸时， θ′相与α相完全脱离，而以完全独 立 的 平 衡 相 -θ 相 出 现 。 θ 相 也 具 有 正 方 点 阵 ， a=6.066Å，c=4.874Å。θ相与基体相之间为非共格关 系。 G.P.区的形成是凭借浓度起伏的均匀成核，过 渡相与平衡相的形成可以有两种情况：一是以G.P.区为 基础逐渐演变为过渡相以至于平衡相，Al-Cu合金属于 此类，二是通过非均匀形核长大方式。
Al-4Cu合金时效硬化曲线
时效过程的基本规律： 先由固溶处理获得双重过饱和的空位和固溶体； 时效初期，由于空位的作用，使溶质原子以极大的速 度进行重聚形成G.P.区；随着提高时效温度和增加时 效时间，G.P.区转变为过渡相，最后形成稳定相。此 外，在晶体内的某些缺陷地带也会直接由过饱和固溶 体形成过渡相或稳定相。
θ″ 相 和 基 体 仍保持完全共格的 关 系 。 随 着 的 θ″ 相 成 长 ， 在 θ″ 相 周围的基体相中不 断 产生 应力 和应变。 如 图 示 出 θ″ 相 周 围基体相的应变。
（四） θ′相的结构与形成 θ′相也具有正方点阵，成分相当于CuAl2。是 通过形核长大方式形成的。与θ″相不同，θ′相是不 均形核，通常是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保 持部分共格联系。
时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度 或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化， 也可称为沉淀硬化或沉淀强化。 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金 或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 时效处理如采用室温下放臵的方法进行，则称为自 然时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则 称为人工时效。
铝合金时效分析试验 ppt课件
董立新
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一、实验目的
熟悉铝合金的分类、特性及用途。 掌握变形铝合金的时效处理过程及组织分析。 掌握变形铝合金时效过程的硬度变化。 掌握铝合金的硬度测试。
具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。
铝合金常加入的合金元素主要有：Cu、Mn、Si、Mg、 Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。铝合金 具有高强度，又保持纯铝的优良特性。
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2.2 铝合金的应用
美国F-117隐形战斗机 所用材料大部分是铝合P金PT课件
高比强铝合金机翼
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3） 铸造铝合金（按GB3190-82中的 旧牌号）
包括：Al-Si系：ZL1+两位数顺序号 Al-Cu系：ZL2+两位数顺序号 Al-Mg系：ZL3+两位数顺序号 Al-Zn系：ZL4+两位数顺序号
（1） Al-Si系又称硅铝明。 其中ZL102（ZLlSi12），其中含12%Si，含有铝硅二元
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2.2 铝合金的分类
铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。 可热处理强化
变形铝合金 不可热处理强化
铸造铝合金
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2.3 铝合金的热处理
可热处理强化变形铝合金的热处理方法：
固溶处理+时效 固溶处理——将合金加热到固溶线以上，保温并淬火
后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。
时效——将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度 保温，以析出弥散强化相的处理。
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第3章 合金的时效
Cu 原 子 边 缘 点 阵 发 生 畸 变 ， 产生应力场，时效硬化
➢在过饱和固溶体初期形成，形成速度快，均匀分布
➢晶体结构与母相（过饱和固溶体）相同，与母相保持第一 类共格关系 界面能小而弹性应变能大
➢在热力学上是亚稳定的
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3.1 脱溶沉淀过程
G.P.区的特点 ➢当析出物体积一定时，其弹性应变能按
球状（等轴状） 针状 圆盘状（薄片状） 的顺序依次减小，及球状脱溶相的界面能最小，圆盘状的 应变能最小。
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பைடு நூலகம்
3.1 脱溶沉淀过程
θ’’区的形成（G.P.2区）
溶质原子与溶剂原子发生规则排列
θ’’区的特点
➢仍为薄片状，正方结构（与母相相同） ➢晶体结构与母相保持完全共格关系 ➢在热力学上是亚稳定的 ➢为了保持与母相共格，产生更大的弹性畸变能，使硬度提 高（合金达到最大强化阶段）
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3.1 脱溶沉淀过程
θ’区的形成
形成与平衡相成分相同，但与母相部分共格过渡相
θ’区的特点
➢不均匀形核 ➢仍为薄片状 ➢成分与CuAl2相当 ➢晶体结构与母相保持部分共格关系 ➢在热力学上是亚稳定的 ➢对位错运动的阻碍减小，合金的硬 度开始降低
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3.1 脱溶沉淀过程
θ区的形成
当θ’区长大到一定程度， θ’与α完全脱离，形成平衡相
强度：250N/mm2
放置后： 强度：>400N/mm2
固溶处理＋时效
T℃
L
α
5.49
α+ θ
Al wCu/%
从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子 偏聚区及亚稳定过渡相的过程—脱溶
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3.1 脱溶沉淀过程
钢的回火转变及合金时效优秀课件
此阶段对于高碳马氏体出现双相分解现象：
X-ray结构分析发现：回火温度T＜150℃，高碳马氏 体出现两个不同的正方度α ´相。
M分解以双相分解方式进行，表现为： ①具有高正方度的α´相保持原始C含量（α ´相的正方度
c/a＝1.054～1.062） ②具有低正方度的α ´相已部分析出碳化物（c/a＜1.013）
原因
①淬火M中碳原子分布在扁八面体间 隙，使晶体，直径d＝0.154nm＝1.54A° 在常温可通过扩散向晶内缺陷偏聚。
③扩散常数D0＝0.394mm2/ 秒 在130℃，移动0.2nm＝2A°需 2.5ms
2. 马氏体分解
当温度超过100℃时 马氏体便发生分解
2. α相保持 条状形态。
－K，同时在｛110｝M面上也析出θ-K； 3. ＞250℃孪晶亚结构逐步消失，至400℃全部消
失，同时产生位错胞及位错线。
接上表：
回火温度 （℃）
350～600
组织转变 阶段
回火组织、结构变化
α相回复， 1. 片状渗C体球化； 渗碳体球
化
2. α相回复，位错亚结构逐步消失，位移密度下降，剩余的位错
回火T↑，C原子的活动能力↑，能作较长距离扩散，K析出 后，周围低C浓度的α相，可以通过C扩散来消除C浓度差， 使K长大。α相的正方度随分解过程而不断下降。当T＝ 300℃，c/a＝1，接近平衡状态。
综上所述：
①马氏体的分解过程就是C原子 以碳化物形式不断析出的过程；
②对于高碳M，在100～250℃回火，固溶在M中的过饱和 C原子脱溶沉淀而析出ε-碳化物（ε-碳化物，用透射电 镜观察，它长1000A°（100nm），条状薄片的ε-K由 50A°左右的小粒子组成，如图 所示）。
第08章 合金的时效
回
•
归
自然时效后的铝合金, 在230～250℃短时间 (几秒至几分钟)加热后, 快速水冷至室常的 自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化 的合金都有回归现象。自然时效后的铝合金在反 复回归处理和再时效时强度有所降低。时效后的 铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变 形。利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修 理等。
•
•
• • • •
4、连续析出与不连续析出的区别 （1）基体浓度变化，连续与不连续； （2）析出过程有无再结晶； （3）析出物分散于晶粒内，较均匀。析出 物集中在晶界逐步向晶内发展； • （4）扩散性质，长程扩散，短程扩散； • （5）析出物组织形态不同。
• 5、析出物的粗化和球化 • 为了在体积不变的情况下减少界面面积，从 而减小界面能，析出物（包括G.P.区、过渡相以 至平衡相）都会逐渐发生粗化和球化。其中尤其 以平衡相的粗化和球化对合金性能的影响最大， 一旦平衡相发生粗化和球化，合金的强度就会显 著降低。
θ ’相的具体成分为Cu2Al3.6，很接近平衡相θ （CuAl2）。
2）平衡相 ：
θ 也是正方点阵：a＝b＝0.606nm，c＝0.487nm，一般
与基体不共格，但亦存在一定的结晶学位向关系，其界面 能高，形核功也高。为减小形核功，往往在晶界处形核， 所以平衡相形核是不均匀的。 课堂提问：实验研究指出，不少合金时效时，往往先析出 亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？ 提示：从能量与相的稳定性方面考虑。
3、时效硬度变化的决定因素
• 4%Cu的Al-Cu合金，加热到550℃并保温一段时 间后, 在水中快冷时, θ 相(CuAl2)来不及析出, 合 金获得过饱和的 α 固溶体组织, 其强度为σ b＝ 250MPa。 • 若在室温下放置, 随着时间的延续, 强度将逐渐提 高, 经4～5天后, σ b可达400MPa。
第七章合金的脱溶沉淀与时效知识分享
强度、硬度较低（HRC30，因C量低），成型性能 好。 时效强化效应，时效后屈服强度为： 1400~3500MPa. 二．铁基合金中的淬火时效 1.铁素体中合金K脱溶 2.奥氏体钢淬火时效现象
§7.6合金的调幅分解
调幅分解定义：由过饱和固溶体分 解产生两种结构相同，成分不同的 固溶体（但一个为溶质富化，一个 为溶质贫化），这种分解按扩散--偏聚机构进行的固态相变。 一．热力学条件 成分在拐点之间的合金（G-C曲线 下凹） 换句话：只有在的范围内的合金才 能进行调幅分解，即RKV范围内。
度越快 （2）溶质浓度的影响 （3）微量元素 3.固溶处理工艺的影响：温度、时间、冷速
§7.3 脱溶后的显微组织
一、连续脱溶及其显微组织 二、非连续脱溶及其显微组织
§7.4合金时效时的性能变化
1.硬度变化 2.时效硬度变化因素 （1）时效过程中固溶体
脱溶，过饱和度下降， 固溶强化降低； （2）基体发生回复与再 结晶； （3）新相的析出。
二．调幅分解过程
是纯扩散过程，一般脱溶分解是下坡扩散，即高浓度向 低浓度扩散，而调幅分解是上坡扩散，低浓度向高浓度 扩散。 三．组织、结构、性能 1.结构特点：分解产物与母相晶体结构相同，仅成分不 同，故新相与母相始终保持共格关系。 2.组织特点：因新相与母相在分解过程中，始终保持共 格关系，必然产生应力场，应变能增加。 （1）择优取向析出 (2)弥散C曲线的形式
形成GP区、过渡相、平衡相需要孕育期；
温度越高，过饱和度下降；
例：T1温度：GP区→β´→β
T2温度：β´→ β
T3温度：β
CAexp( W) KT
第七章 合金的时效
第七章 合金的时效第一节 脱溶沉淀过程的热力学及沉淀脱溶过程 (1)第二节 脱溶沉淀后的显微组织 (3)第三节 脱溶沉淀时性能的变化 (4)第四节 调幅分解 (4)1906年，Wilm 在研究一种Al-Cu-Mn-Mg 合金时偶然发现该合金淬火后在室温放置，硬度将随时间的推移不断升高。
但在硬度升高的同时，用光学显微镜并未观察到显微组织有任何变化。
因为在当时无法推测硬度升高的原因，只能称此现象为时效(ageing)硬化，意即时间的效应所引起的硬化。
Wilm 发现的这种Al-Cu-Mn-Mg 合金在1909年正式投产，称为杜拉铝(Duralumin)。
1920年Merica 在确定了几种元素在Al 中的溶解度曲线后提出，时效硬化是由于在固溶度曲线以下从过饱和固溶体中析出了某种能使硬度得到提高的微细的第二相。
但当时限于研究手段未能弄清析出相及析出过程。
以后，由于采用了X 射线结构分析仪及电子显微镜才使问题得到解决。
现已确证，时效硬化是个普遍现象，只要A 与B 二组元能形成如图7-1所示的状态图，就可能出现时效硬化现象。
硬化效应强弱则随合金成分而异。
图7-1表明，组元B 可溶入A 而形成固溶体，且B 在A 中的溶解度随温度的降低而下降。
如有一B 含量大于B0的合金，将此合金加热到低于固相线的温度保温足够时间，待B 充分溶入后取出立即淬火，则B 来不及沿DE 线析出而仍保留在α相中形成过饱和固溶体。
这一处理被称为固溶处理。
经固溶处理后在室温放置或加热到不超过溶解度曲线的某一温度保温，B 将以富B 的高度弥散的、用光学显微镜无法分辨的化合物A m B n 或A 溶于B 而形成的β固溶体的形式，从过饱和α固溶体析出而使α中的B 含量逐渐下降到饱和状态。
这一过程可以用下式表示：过饱和α固溶体→饱和α固溶体+析出相 (7-1)由于弥散的新相的析出将使硬度升高。
由此可见，时效的实质是过饱和固溶体的脱溶沉淀，时效硬化即脱溶沉淀相引起的沉淀硬化(precipitation hardening)。
铝合金时效处理工艺说明
铝合金的热处理铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大,因而在热处理时也有所不同。
前者保温时间长，一般都在2h以上,而后者保温时间短,只要几十分钟。
因为金属型铸件、低压铸造件、差压铸造件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的, 其结晶组织比石膏型、砂型铸造的铸件细很多,故其在热处理时的保温也短很多。
铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀,有异形面或内通道等复杂结构外形,为保证热处理时不变形或开裂,有时还要设计专用夹具予以保护,并且淬火介质的温度也比变形铝合金高,故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。
一、热处理的目的铝合金铸件热处理的目的是提高力学性能和耐腐蚀性能,稳定尺寸,改善切削加工和焊接等加工性能。
因为许多铸态铝合金的机械性能不能满足使用要求，除Al-Si 系的ZL102,Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的机械性能和其它使用性能,具体有以下几个方面:1 消除由于铸件结构（如璧厚不均匀、转接处厚大等原因使铸件在结晶凝固时因冷却速度不均匀所造成的内应力;2提高合金的机械强度和硬度,改善金相组织,保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能;3稳定铸件的组织和尺寸,防止和消除高温相变而使体积发生变化;4消除晶间和成分偏析,使组织均匀化。
二、热处理方法1、退火处理退火处理的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力,稳定加工件的外形和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si结晶球状化，改善合金的塑性。
其工艺是：将铝合金铸件加热到280-300℃,保温2-3h,随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集,从而消除铸件的内应力,达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形、翘曲的目的。
2、淬火淬火是把铝合金铸件加热到较高的温度（一般在接近于共晶体的熔点,多在500℃以上，保温2h以上，使合金内的可溶相充分溶解。
铝合金的预时效
铝合金的预时效铝合金时效(aluminium alloy aging) ：可热处理强化铝合金淬火后停放在室温或较高温度下以提高性能的方法。
这是铝合金热处理常用的方法之一。
室温下进行的时效称“自然时效”，在高于室温下进行的时效称“人工时效”。
时效处理是提高铝合金力学性能和改善理化性能的重要手段。
时效硬化现象最先由德国学者维尔姆(A wilm) 于1906年在研究铝一铜一镁系硬铝合金时发现，之后在其他铝合金系中也发现了这种现象。
1938年，法国学者纪尼埃(A.Guinier)和比利时学者普雷斯顿(G.D，Pr韶ton)各自独立地阐明了铝合金的时效硬化是由溶质原子形成的富集区(G.P.区)所致。
其后，人们对铝合金的时效行为进行了大量的研究。
在采用电子显微镜直接观察时效的微观结构变化后，对铝合金时效本质有了更加深入的了解。
可热处理强化铝合金，淬火后形成过饱和固溶体，在室温或稍高温度中加热能发生分解，其过程通常包括G.P.区、亚稳定相(铝铜系合金用少和『表示，铝铜镇系合金用夕和S‘表示，铝镬硅系合金用酬和团表示，铝锌镁系和铭锌镬铜系合金用丫和丫表示)和稳定相(。
，s，日，，，T)三个阶段。
G.P.区是与铝基体完全共格的，亚稳定相与铝基体部分共格，稳定相与铝基体非共格。
共格或部分共格都能引起铝基体晶格的畸变，因而导致铝合金硬度和强度的升高以及其他性能的变化。
当析出非共格的稳定相时，合金即开始“软化”，强度降低。
不同系的铝合金，从G.P.区到亚稳定相再到稳定相的具体析出顺序是不同的。
常用工业铝合金的时效序列如下: 铝铜系合金:G.P.区~酬一『~。
(C uAI。
) (片状) 铭铜镁系合金:G.P.区~s)，-S，~s(cuMgAI:) (针状或球状) 铭镁硅系合金:G.P.区~酬铸侧一队MgZSi) (针状) 铝锌镁系合金:G.P.区~可与可~爪MgZnZ) (球状) 一T(Mg3Zn3A12) 铝锌镁铜系合金的时效序列和铝锌镁系合金的相同。
变形铝合金时效热处理相关知识汇总
变形铝合金时效热处理相关知识汇总（1）时效 aging经固溶处理或冷变形后的合金，在室温或高于室温下，组织和性能随时间延续而变化，硬度、强度增高，塑性、韧性降低的现象。
在室温下发生时效称自然时效。
高于室温发生时效称人工时效。
时效现象除铝铜合金外，在钢、铜合金，铁基、镍基、钴基高温合金中普遍存在，是提高合金强度的重要方法。
低碳钢冷变形后在常温长时放置即出现屈服强度提高。
硬铝合金经高温(520℃)淬火后在100～200℃时效，可获得最佳的强化效果。
马氏体时效钢，沉淀硬化不锈钢，铁基、镍基、钴基高温合金均可在固溶处理后选择不同温度时效处理，可以从中获得最佳的组织和性能。
（2）时效处理 aging treatment过饱和固溶体合金在室温或加热至一定温度保温，使溶质组元富集或析出第二相的热处理工艺。
常温下时效称自然时效。
高于室温加热时效称人工时效。
时效析出第二相获得强化的现象称时效强化。
低于或高于强化峰值温度的时效分别称为亚时效与过时效处理。
形变后时效称形变时效或直接时效。
在应力下时效称应力时效。
强化效果取决于析出第二相的类型、数量、尺寸、形态、稳定性等因素。
广泛用于铝合金、钛合金、高温合金、沉淀硬化钢、马氏体时效钢等。
铝合金时效硬化峰值出现在溶质组元的富集G-P区(Ⅱ)末期。
时效处理是强化合金的有效方法，可显著提高合金的强度和硬度，调整时效温度、时间可使合金的组织、性能满足使用要求，获得高的屈服强度、蠕变强度、疲劳性能等。
含铜4%的铝合金经自然时效后强度为400MPa，比退火状态强度大一倍。
时效硬化合金使用时，使用温度不应超过其时效温度。
（3）时效硬化 age hardening经固溶处理的过饱和固溶体在室温或室温以上时效处理，硬度或强度显著增加的现象。
原因是过饱和固溶体在时效过程中发生沉淀、偏聚、有序化等反应的产物，增加了位错运动的阻力形成的。
位错与析出产物交互作用下硬化机制有位错剪切析出相粒子，基体与粒子间相界面积增加，使外力转变为界面能; 析出相与基体的层错能差异; 基体与析出粒子的切变模量不同。
金属和合金中的动态应变时效现象
金属和合金中的动态应变时效（Dynamic Strain Aging, DSA）是一种力学性能与微观结构演化同步进行的现象，它发生在金属或合金在受外力作用下持续变形的过程中，同时伴随着溶质原子（比如合金元素）与位错间的相互作用。
具体来说：
1.溶质拖曳效应：在快速变形过程中，溶质原子（如碳、氮、氢等）会围绕位错堆积，阻碍位错的滑移，增加材料的流动应力，导致材料表现出非线性的力学响应，如屈服强度的增加或出现锯齿状屈服行为。
2.空位辅助扩散：变形过程中会产生大量的空位，这些空位加快了溶质原子在晶格中的扩散速度，尤其是在那些本身扩散系数较小的合金系统中（例如，铝镁合金中的镁原子在室温下的扩散）。
3.微观结构变化：由于溶质原子与位错的交互作用，可能会促进第二相粒子的析出，或者改变原有的析出相分布，这将进一步影响材料的机械性能，如硬度、强度和延展性的变化。
4.宏观表现：动态应变时效最显著的宏观特征之一是材料的屈服行为变得复杂，即在应力-应变曲线上可能出现不连续或波动的屈服平台，也就是所谓的“锯齿屈服”。
综上所述，动态应变时效对于材料科学与工程领域非常重要，因为它直接影响到材料在加工成形过程中的流动行为
以及最终产品的力学性能和变形稳定性。
这一现象的理解和控制有助于优化金属材料的设计和制造工艺。
铝合金时效1
对于A l--C u合金, 在形成中间相的时效阶段强度和硬度最高。
中间相θˊ以G P区为核心，同时也在二次晶体缺陷上成核。
中间相θˊ的成核是个复杂问题。
但是，总是与GP 区的成长或溶解有关，这就引出一个G P区生成临界温度的概念。
高于这个温度，不能生成G P 区, 只能形成中间相θˊ，而在这个温度之下，进行时效可以形成G P 区和中间相θˊ，二者竞争。
在A l--C u --Mg合金中，GP B区和Sˊ(CuMgAl2 )相主要在位错环上成核。
通过改变淬火和时效制度的办法，可改变位错环的大小和密度, 因此也就改变了GP区和S相的密度, 大小和分布状态。
通过改变热处理制度可以控制合金的时效强化效果。
目前比较切合实际的理论是高桥恒夫等人提出的模型。
从固溶处理温度淬火到室温之后, 就形成空位浓度较高的针状原子链, 在250℃和300℃进行时效, 由原子链长成针状GP区, 提高机械性能, 显示正的效果, 即使在180℃进行时效, 由原子链也能长成针状GP区, 比淬火到180℃, 就在180℃进行时效的效果好。
Pashley等人从GP区形成动力学提出r.lns>K的理论(r--原子链半径, S--基体过饱和度)GP区数量与温度关系提出了最大GP区的数量的理论。
铃木等人从Mg2Si是离子键化合物出发, 认为原子链的内部Mg与Si原子间相互作用很强, 而G P区的结构不同于原子链, 扩散不很慢, 所以从原子链转变成GP区相当困难。
但是, 如果提高预时效温度, 使原子链的内部空位数增多, 例如在100℃预时效, 形成大量的空位浓度高的原子链, 容易实现内扩散, 在180℃进行二段时效长成针状GP区, 硬化效果最佳。
根据含有集团分布的非均匀固溶体自由能定义的不同，可以将形核理论分为经典形核理论和非均匀形核理论。
经典形核理论认为，假定在起伏作用下，有一小块新相从亚稳母相中生成，如果这一新相的产生导致体系自由能下降，那么，它就可以稳定存在并成为新相继续生长的核心。
铝合金热处理-时效
众所周知，固溶热处理过的材料，以时间和温度为主要因素，从过饱和固溶状态产生析出，在此过程中材料的强度增加。
这种现象称为时效现象，它是继固溶热处理的重要的过程。
一般在室温下引起的时效叫做自然时效，在高温下引起的时效叫做人工时效。
前者也称为低温时效，后者也称为高温时效。
在室温时效时，时效速度缓慢不能达到最终值，而在高温时效时，时效速度达到最大值后引起软化。
这种现象称为过时效。
图5 2014，6061合金板材的人工时效条件与强度的关系图5是2014，6061合金板材的高温时效曲线，根据时间和温度的因素来了解淬火时的强度变化。
表4是实用合金的析出处理条件的一个例子。
用日本工业标准标号表示，T4状态为低温时效，T6为高温时效。
某些合金在热加工时就呈固溶状态，不用淬火处理，而只用析出处理也能获得强度。
6063挤压的材料的T5处理是其代表性的处理。
在生产过程中，时效处理时的生产技术上的问题，不比固溶处理时少。
因此更详细些就涉及到时效处理的机理。
如上所述，固溶热处理→室温过饱和固溶→时效→硬化发生性质上的变化，这是由于在过饱和固溶体的分解过程中合金结构发生了变化，因此关于形成什么样的析出相，过去就进行了大量的研究。
现在，对研究最多的了解详细的铝-4%铜合金的强化机理为例加以说明。
图6示出在两种时效条件下铝-4%铜合金析出硬化的区域、中间相的范围与硬度的关系，由此形成过饱和固溶体→G.P(1)→G.P(2)→→→CuAl2的序列。
图6 铝-4%铜合金在2种时效条件下时效硬化时组织对硬度的影响由于在室温那样比较低的温度下形成G.P区，因而在一定的临界温度以上加热时变为不稳定和再固溶。
由于这样原因，在时效硬化时强化的机械性能可以返回到固溶处理后(沾火当时)的软质状态。
这种现象称为回归。
例如，铝-4%铜合金进行常温时效，产生G.P区，如果再把它在200℃下加热1分钟左右，就恢复到淬火后的状态。
时效硬化的机理从位错理论来说，由于存在上述那样的析出质点，可根据位错运动妨害的程度情况来说明。
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本章内容
• 1. 固溶处理、时效、时效硬 化、脱溶的基本概念。 • 2. 合金的脱溶过程和脱溶物的结构。
• 3. 合金过饱和固溶体脱溶转变的热力学和动力学。
• 4. 合金过饱和固溶体脱溶后的组织。
• 5. 合金过饱和固溶体脱溶转变时的性能变化。
• 6. 合金时效时产物的强化机制。
下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）
。凡是能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成
。
二、过渡相θ″的形成与结构
在GP[I]区的基础上铜原子进一步偏聚，GP区
进一步扩大，并有序化，即形成有序的富铜区，称为 GP[Ⅱ]区，为过渡相.常用θ″表示。 由于θ″相区与基体仍保持共格关系，因此其周 围基体产生弹性畸变，它比GP[I]区周围的畸变更大,
在基体中能形成强烈的应变场。
• 通过固溶处理和时效可以将合金的强度提高百分之几
十甚至几倍。
几种有色合金的热处理强化效果 合金 铝合金 镁合金 铍青铜
牌号
2A01
160 (退火) 300 (淬火＋自 然时效)
2A12
230 (退火) 440 (淬火＋自 然时效)
ZM5
180 (铸态) 440 (淬火＋人 工时效)
胞状组织与珠光体组织的区别在于：
由共析转变形成的珠光体中的两相(γ→α+Fe3C)
与母相在结构和成分上完全不同，而由非连续脱溶所
形成的胞状物的两相(α0→α1+β)中必有一相的结
构与母相相同，只是其溶质原子浓度不同于母相而已
。
• 非连续脱溶与连续脱溶相比有以下区别：
(ⅰ) 界面浓度变化不同 (ⅱ) 前者伴生再结晶，而后者不伴生再结晶。 (ⅲ) 前者析出物集中于晶界上，至少在析出过程初期如此 ，并形成胞状物；而后者析出物则分散于晶粒内部， 较为均 匀； (Ⅳ) 后者属于短程扩散，而前者属于长程扩散。
1. G.P.区特点： • • • • (1) 在过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度很 快，均匀分布。 (2) 晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相 保持共格关系。 (3) 在热力学上是亚稳定的。 (4) G.P区在电子显微镜下观察呈圆盘状，有时候呈
球状或针状。
2. G.P区的显微组织及其结构模型
脱溶沉淀时的显微组织变化序列
• 脱溶沉淀时的显微组织变化序列可能的三种情况
1、连续非均匀脱溶加均匀脱溶：即局部脱溶加连续脱溶 • (a)首先发生连续非均匀脱溶(滑移面和晶界析出)，接着 发生连续均匀脱溶，连续均匀脱溶物尺寸很小。 • (b)随时间延长，连续均匀脱溶物已经长大。而再晶界和 滑移面上的连续非均匀脱溶物也已经长大，在晶界两侧形成 了无析出区，已经发生了过时效。 • (c)随时效过程的发展，析出物发生粗化和球化，连续非 均匀脱溶和均匀脱溶的析出物已经难以区别。基体中的溶质 浓度贫化，但基体未发生再结晶。
三、 过渡相θ′的形成与结构 • 随着时效过程铜原子在θ″相基础上继续偏聚，片状θ″相周
围的共格关系部分遭到破坏，当Cu和Al原子比为1:2时，形成
过渡相θ′。呈圆片状或碟形，尺寸为100nm数量级。
• 对位错运动的阻碍作用 减小，硬度开始降低。
• θ′相与基体α之间仍然保
持部分共格关系，而θ″
子富集区有序化θ″相→形成过渡相θ′→析出稳定
相θ(CuAl2)+平衡的α固溶体。
脱溶相的粗化
脱溶相形成后，在一定的条件下，溶质原子继续
向晶核聚集，使脱溶相不断长大。 界面能的降低就是脱溶相的粗化的驱动力。
三、合金时效动力学及其影响因素
合金脱溶沉淀过程的等温动力学曲线 • 动力学曲线呈 C 字形的原因是等温温度升 高，脱溶速度加快；但温度升高时固溶体过饱 和度减小，临界晶核尺寸增大，又使脱溶速度 减慢。
• G.P.区与母相保持共格关系，界面能较小，弹性应变能较大。
•
G.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半 径差有关。 △R小于 3％时析出物呈球状， △R大于 5％时析出物
呈圆盘状。
3. G.P.区形成的原因:
G.P 区的形核是均匀分布的，其形核率与晶体中
非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保留
•
脱溶过程的规律： 时效温度越高，固溶体 的过饱和度就越小，脱溶过程的阶段也就 越少 ；而在同一时效温度下合金的溶质原子浓度越 低，其固溶体过饱和度就越小，则脱溶过程的 阶段也就越少。
影响脱溶动力学的因素 凡是影响形核率和长大速度的因素，都会影响 过饱和固溶体脱溶过程动力学。其影响因素包括 • • • 晶体缺陷的影响 合金成分的影响 时效温度的影响
二、合金的时效过程和脱溶物 的结构
以Al-Cu合金为例。在室温时的最大溶解度为 0.5%Cu，而在548℃时，极限溶解度为5.6%Cu。其
脱溶顺序为：G.P.区→θ″相→θ′相→θ相，
时效过程包括以下四个阶段： • G.P区的形成 • θ″的形成 • θ′的形成 • θ的形成
（1）合金时效过程的热力学
•
不同成分的A1-Cu合金在130℃时效时硬度与 脱溶相的变化规律。时效硬化主要依靠形成 G.P.区和θ″相，以形成θ″相的强化效果最 大，当出 现θ′相以后合金的硬度下降。
时效前期，弥散析出相所引起的硬化超 过了另外两个因素所引起的软化，因此硬 度将不断升高并可达到某一极大值。 时效后期，由于析出相所引起的硬化小于 另外两个因素所引起的软化，故导致硬度 下降，此为温时效。若时效时仅形成 G.P.区，硬度将单调上升并趋于一恒定值 ，此为冷时效。
原子的扩散，因此也与固溶体中的空位浓度有关。
2. 合金成分的影响 • 在相同的时效温度下，合金的熔点越低，脱溶速度就 越快。低熔点合金的时效温度较低，而高熔点合金的 时效温度较高，如 Al 合金在 200℃以下，马氏体 时 效钢在 500℃左右。
•
•
一般来说，随溶质浓度增加，脱溶过程加快。
有些元素对时效各个阶段的影响是不同的，如 Cd 、Sn 使 G.P.区 形成速度显著降低。但 能促进θ′相沿 晶界析出。
五、脱溶时效过程中的的性能变化
一、冷时效和温时效 • 冷时效是指在较低温度下进行的时效，其硬度变化曲线的特 点是硬度一开始就迅速上升，达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。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，硬度变化规律是开 始有一个孕育期，接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时
脱溶驱动力： 新相和母相的体系自由能差.
脱溶阻力：
形成脱溶相的界面能和应变能。
G.P.区：△G1＝a－ b θ″相：△G2＝a－ c θ′相：△G3＝a－ d θ相： △G4＝a－ e
（2 ）合金时效过程
一、G.P区的形成――形成铜原子富集区(GP区) 经固溶处理获得的过饱和固溶体,在发生分解之前 有一段准备过程,这段时间称为孕育期。随后，铜原子 在铝基固溶体(面心立方晶格)的{100}晶面上偏聚，形 成铜原子富集区，称为GP[I]区。
1. 晶体缺陷的影响
• 增加晶体缺陷，将使新相易于形成，使脱溶速度加快
• • • G.P.区形成时，Cu 原子按空位机制扩散。空位浓度就愈高 ，G.P.区的形成速度愈快。 位错、层错以及晶界等晶体缺陷具有与空位相似的作用， 往往成为过渡相和平衡相的非均匀形核的优先部位。 A1-Cu 合金中的θ″相、θ′相及θ相的析出也是需要通过 Cu
固溶时效处理示意图
• 合金具有沉淀强化效果的先决条件: (1)加入基体金属中的合金元素应有较高的极限固
溶度，且在其相图上有固溶度变化，其固溶度随温度
降低而显著减小；
(2)淬火后形成过饱和固溶体在时效过程中能析出
均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中能形 成强烈的应变场。 (3)沉淀强化相是硬度高的质点。
间延长而下降。温时效的温度越高，硬度上升就越快，达最大
值的时间就越短，但所能达到的最大硬度反而就越低。 • 冷时效与温时效的温度界 限视合金而异，A1合金一般约 在100℃左右。冷时效与温时 效往往是交织在一起的。
Al-38%Ag合金时效过程硬度 变化曲线
2159(Al-Cu-Mn-Mg基)铝合金180℃时效硬化变化曲线
2、连续脱溶加不连续脱溶 • • • (a)表示首先发生非连续脱溶，接着发生连续脱溶。 从(a)到(c)表示非连续脱溶的胞状组织(包括伴生的再结晶 )从晶界扩展至整个基体。 (d)表示析出物发生了粗化和球化。基体中溶质已发生贫化
，并已经发生了再结晶而使基体晶粒细化。
3、不连续脱溶 • • (a)到(c)表示非连续脱溶的胞状组织(伴生的再结 晶)从晶界扩展至整个基体。 (d)表示析出物粗化和球化。
四、时效后的显微组织
脱溶类型及其显微组织
脱溶沉淀的类型：
局部脱溶、连续脱溶和非连续脱溶。
一、局部脱溶沉淀及显微组织
局部脱溶析出物的晶核优先在晶界、亚晶界、滑移面、 孪晶界面、位错线、孪晶及其他缺陷处形成，这是由于这些 区域能量高，可以提供形核所需的能量。
常见的局部脱溶有滑移面析出和晶界析出。
某些时效型合金(如铝基、钛基、 铁基，镍基等)在晶界析出的同时， 还会在晶界附近形成一个无析出区。
3. 时效温度的影响 • 时效温度越高，原子活动性就越强，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 • A1-4％Cu-0.5％Mg 合金的时效温度从 200℃提高 到 220℃，时效时间可以从 4h 缩短为 1h。
QBe2
180 (软态) 440 (淬火＋人 工时效)
抗拉强度 MPa
•
固溶时效处理的一般步骤：固溶处理 → 过饱和 固溶体 → 时效(析出)→ 饱和固溶体＋析出相(弥散 相 )。 • 合金固溶(淬火)处理+时效热处理，其工艺操作与钢 基本相似，但强化机理与钢有本质上的不同。