金属热处理工艺学-有色金属的热处理-2

铝合金的热处理原理
（1）过饱和固溶体的性质：
固溶体处于双重过饱和状态：溶质原子过饱和、空位过饱和。沉淀过程是原 子扩散的过程，空位的存在时原子扩散的必须条件。
铝合金的热处理原理
（1）过饱和固溶体的性质：
原子扩散包含空位的形成和空位运动两个过程，因此原子扩散速度：
V e
a
1 qf q0）KT （ /
（1）纯铝的特性
原子序数13； 面心立方结构； 机械强度不高；
纯铝及其合金化
（2）铝中的杂质
铝中最主要的杂质元素是Fe和Si； 铝中的Fe、Si如果单独存在，则以共晶（初晶）FeAl3和共晶 （初晶）Si形式出现。FeAl3呈针状，Si呈条状或块状，性质硬脆， 使铝塑性显著降低； 若Fe，Si同时存在，可能出现骨骼状、枝条状α(Fe3SiAl12)及 针状β(Fe2Si2Al9)； 实际经验表明，控制Fe+Si的总含量，以及比例成分； 所有杂质都降低铝的导电性，Mn、Ti和Fe最显著。
铝合金的热处理原理
时效理论在铝合金中的应用
单级时效；
简单----固溶处理+一次时效（自然、人工）。
分级时效；
固溶处理+在不同温度进行两次或多次时效（预时效+最终时效）
形变时效；
把变形和时效相结合，改善过渡相分布。 淬火---变形---时效 时效---变形（室温、时效温度）---时效
回归处理
铝合金的热处理原理
铝合金的基本热处理形式：
1. Al-4%Cu的时效 θ相CuAl2 退火、固溶处理+时效
铝合金的热处理原理
Al-4%Cu的时效 将其加热到固溶温度，保温，并迅速淬于干冰(-78°C)，形成过饱和固溶体， 若长期在干冰内保存，其力学性能没有明显改变。但若置于室温，则2小时候开 始出现硬化现象，并随时间增长而加剧，8天后达到最大值。若置于50°C环境， 两天后硬度即达到最高值（自然时效）。若将合金置于100°C以上的环境中（人 工时效），硬度变化要复杂一些。但时效温度越高，达到峰值硬度所需时间越短。
镁的合金化原则与铝相似，都是利用固溶强化和时效处理生成的沉淀硬化来提高 合金的力学性能。因此所选择的合金元素在镁中应该具有较高的固溶度，并随温度有较 明显的变化，在时效过程中能形成强化效果显著的第二相。
目前实际应用的镁合金系：
Mg-Al-Zn系：例如MB2,MB3,ZM5; Mg-Zn-Zr系：例如ZM1,MB15; Mg-RE-Zr系或Mg-RE-Mn系：例如ZM3,MB8等
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
在固态相变中，根据合金的性质和热处理条件，新相和母相之间的界面有三 种基本形式，即共格界面、半共格界面和非共格界面。 共格界面：新相与母相之间不可能有完全相同的晶面，两相的晶格要产生一定 的应变。晶格常数小的相受拉应力。两相分开时，弹性应变消失；对于共格界面， 晶格连续过度，界面能很低，但弹性能较高。为减少弹性应变能，新相以片状 成核长大最有利； 非共格界面：弹性应变能很小，但界面能成为新相的决定因素。为降低两相之 间的界面能，新相晶核趋向于以球形出现； 半共格界面：介于上述两者之间。
例如Al-Cu合金，形成空位激活能为0.7电子伏特，空位运动激活能0.5电子 伏特，合计1.2电子伏特。如果淬火组织中存在多余空位，则扩散激活能只需0.5 电子伏特，铜原子的扩散可提高1010倍，可见过饱和空位对时效动力学的影响作 用之大。
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
从体积自由能角度看，Al-4Cu过饱和固溶体直接析出θ平衡相CuAl2最有利。 但由于该相与基体相在成分和晶体结构上相差很大，新相成核和长大需要克服很 大能垒，而首先形成预沉淀产物或者过渡相，如G.P.区、 θ″相、 θ′相，则相变 所需激活能较低。
铝合金主要强化方式：
沉淀强化 二元合金不能充分满足沉淀强化的条件，一般选用复杂合金系，形成新的强化相。 可热处理强化的铝合金： Al-Zn-Mg：Mg2Zn，Al2Mg3Zn3相； Al-Mg-Si：Mg2Si相； Al-Cu-（Mg）：CuAl2，Al2CuMg相。
为了考虑合金的耐热性，可添加少量过渡族元素Ni、Mn等，生成高温难熔耐 热相。但加入数量不宜过多，避免生成大量脆硬相而降低韧性和塑性。
变形铝合金的热处理
变形铝合金的分类： （1）防锈铝合金 Al-Mn系。不能热处理强化，强度低。以LF为字头，例如LF3等； （2）硬铝 有强烈时效硬化能力，Al-Cu-Mg系为主。除室温强度高外，耐热 性好，但耐蚀性和焊接性差。LY表示； （3）锻铝 以Al-Mg-Si系为主，有良好加工型，耐蚀性，适合制作各类锻件， 以LD为字头，例如LD6。； （4）超硬铝 变形铝合金中强度最高的一种，以Al-Zn-Mg-Cu系为主。热稳定性 较差，对应力集中比较敏感。牌号LC；
将经过自然时效的铝合金在200-250°C加热几分钟，然后迅速冷却， 使合金硬度和强度恢复到接近新淬火状态的水平。
铸造铝合金的热处理
铸造铝合金可分为五类： （1）Al-Si及Al-Si-Mg系 优良铸造工艺，中等强度，常温使用，复杂铸件； （2）Al-Cu系 高耐热性，适合高温使用，但铸造性和耐蚀性较差； （3）Al-Mg系 高强、高耐蚀性，但耐热性和铸造工艺较差； （4）Al-RE系 良好耐热性和铸造工艺性，但室温强度低，合金成分复杂； （5）Al-Zn系 可自淬火，自行进行人工时效，适合尺寸稳定性要求高的铸件。 但比重大，耐热性低。 铸铝用ZL表示，其后有三位数字；第一位代表合金系，其余代表合 金顺序号。
Al在镁中的最大固溶度：12.6% Zn在镁中的最大固溶度：8.4% Zr在镁中的最大固溶度：3.8%
MB-变形镁合金；ZM铸造镁合金；YM-压铸镁合金
镁合金的固态相变特点
镁合金的基本固态相变形式与铝合金相同，是过饱和固溶体的分解，它也是 时效硬化的理论根据。
以Mg-Al系合金为例：
Mg-Al系合金在共晶温度以下，平衡组织为δ固溶体+Mg17Al12化合物。铝 在镁中的固溶度从437°C的12.6%降到室温的1%左右。因此利用淬火处理可以 获得过饱和δ固溶体。
有色金属的热处理
铝及铝合金的热处理 镁及镁合金的热处理
铝及铝合金的热处理
一、纯铝及其合金化
（1）纯铝的特性 （2）铝中的杂质 （3）纯铝的牌号 （4）铝的合金化
纯铝及其合金化
地壳中总储量首位，占8.8%；产量仅次于钢铁；是有色金属中应用最 广泛的金属结构材料； 密度小，导电、导热、耐蚀性好；
合金系 Al-Ag Al-Zn Al-Zn-Mg
原子直径差（%） +0.7 -1.9 +2.6
圆盘状
针状
Al-Cu
Al-Mg-Si Al-Cu-Mg
-11.8
+2.5 -6.5
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
θ″相 如将Al-4Cu合金在较高温度 下时效，G.P.区急剧长大，铜原 子与铝原子逐渐形成规则排列， 即正方有序化结构，称θ″相。 θ″相厚度为8-20埃，直径 150-400埃，该过渡相与基体完全 共格，但Z轴方向的晶格常数接近 基体铝的晶格常数两倍，造成弹 性共格应变场，或晶格畸变区。 随时效时间延长， θ″相密度不断 提高，使基体内产生大量畸变区， 从而对位错运动的阻碍作用不断 增大，使合金的硬度、强度，尤 其是屈服强度显著增加。
铝合金的热处理原理
（3）时效动力学：
铝合金的热处理原理
时效硬化的原因 内应力场变化引起的强化； 位错切过沉淀物引起的强化； 位错绕过沉淀物粒子引起的强化。
铝合金的热处理原理
铝合金的时效 自然时效或人工时效：两者从物理本质上并无绝对的界限。 前者以G.P.区强化为主，后者以过渡沉淀强化为主。 自然时效后的性能特点：塑性较高（10%~15%），抗拉强 度和屈服强度的差值较大（σ0.2/σb=0.7-0.8），冲击韧性 和抗蚀性好。 人工时效后的性能特点：强度高，屈服强度增加的更明显 （σ0.2/σb=0.8-0.9），但韧性、塑性和抗蚀性一般较差。 人工时效可分为：欠时效、峰时效、过时效和稳定化时效 等。 欠时效---不完全时效：保留较高的塑性； 过时效：综合性能较好，抗蚀性较高； 稳定化时效：温度比过时效更高，稳定合金性能和零件尺 寸。
（ 其中 qf
q ） q 为原子扩散激活能。
0
表明原子扩散激活能包含 q f 和 q0 两个部分，即形成空位激活能和空 位运动激活能。 对于固溶处理获得过饱和溶质原子和空位的合金而言，已存在大量过剩空位， 因此原子扩散激活能大大减小（不需空位形成的激活能），其扩散速度显著增加：
V e
a
q0 / KT
G.P.区界面能很低，形核功很小，在母相 中各处皆可生核。
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
G.P.区 G.P.区的形状取决于溶质原子与铝原子的直径差异。差值小于3%时，为降 低表面能，一般呈球形。差值超过5%，弹性能起主导作用，一般呈薄片状或者 针状。 表 不同铝合金系的G.P.区形状
G.P.区形状 球形
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
G.P.区 Al-Cu合金的G.P.区：在室温即可生成， 没有独立的晶体结构，完全与母相共格。但Cu 原子半径比Al小，G.P.区产生一定弹性收缩。 G.P.区的厚度只有几个原子，直径随时效 温度高低而不同，一般不超过100埃。室温时 效时的直径约50埃，间距为20-40埃。130°C 时效15小时，直径长大到90埃，厚4-6埃。温 度再高，G.P.区数目开始减少，200°C即不再 生成G.P.区。
镁及镁合金的热处理
地壳中总储量第三位，占2.35%； 密度小，是最轻的金属结构材料；
原子序数12； 密排六方结构； 机械强度低，弹性模量低； 减振性能好，切削加工性能好。
镁中的主要杂质元素是：Fe，Ni，Cu。严重降低镁的耐腐蚀性。
镁及镁合金的热处理
镁的合金化
主要强化方式： 固溶强化、沉淀强化、细晶强化、加工硬化、过剩相强化
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
θ相 进一步延长时效时间或提高实效 温度，θ′相过渡到平衡相θ。 θ相属于 体心立方有序化结构，与基体完全失 去共格关系。因此θ 相的出现意味着 合金的硬度和强度显著下降。
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
Al-4Cu合金时效过程中，过饱和α固溶体的沉淀阶段如下：
பைடு நூலகம்
α固溶体→G.P.区→ θ″过渡相→ θ′过渡相→ θ稳定相（CuAl2）
沉淀过程与合金的成分和时效参数有关，而且不同沉淀阶段相互重叠，沉淀 产物可能同时存在。例如Al-4Cu合金在130°C以下时效，以G.P.区为主，但也 可能出现θ″和 θ′过渡相；在150-170°C时效以θ″为主；在225-250°C以θ′为主； 而高于250°C以后则以θ相为主。
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
固溶体 淬火后过饱和固溶体 过饱和空位 过饱和溶质原子 位错环/位错螺旋线/堆垛层错 聚集区 晶界
过渡沉淀相
平衡沉淀相
铝合金的热处理原理
（3）时效动力学：
过饱和固溶体的沉淀过程是 一个扩散过程，沉淀速度与温度 也具有C曲线特点，由过冷度与 原子扩散速度相互制约，使沉淀 在某一温度达到最大值。
试验表明，在随后的时效过程中，过饱和δ固溶体不经过任何中间阶段 直接析出非共格平衡相Mg17Al12，不存在预沉淀阶段或者过渡相。
铝合金的热处理原理
（2）时效过程：
θ′相 继续增加时效时间或提高实效温 度，如将Al-4Cu合金在200°C时效 12小时，过渡相转变为θ′相。 θ′相属 于立方点阵，名义成分为CuAl2。厚 度为100-150埃，直径100-6000埃， 在Z轴方向错配度过大，使共格关系 遭到部分破坏。在过渡相与基体之间 的界面上存在位错环，形成半共格。 θ′相与基体局部失去共格关系， 则界面处的应力场势减小，意味着晶 格畸变减小，合金的硬度和强度下降， 开始进入过时效阶段。
纯铝及其合金化
（3）纯铝的牌号
高纯铝
工业高纯铝
工业纯铝
纯铝及其合金化
（4）铝的合金化
铝合金主要强化方式：
固溶强化、沉淀强化、细晶强化、加工硬化、过剩相强化
固 溶 强 化
Al-Mg，Al-Mn：防锈铝合金系列 Al-Cu：高强铝合金系，耐热铝合金系 Al-Si：铸造铝合金系
纯铝及其合金化
（4）铝的合金化