实验二十五 铝合金时效硬化曲线的测定

实验二铝合金时效硬化曲线的测定

一、实验目的

1. 掌握铝合金淬火及时效操作方法。

2. 了解时效温度、时间对时效强化影响规律。

3. 加深对时效强化及其机理的理解。

二、实验原理

淬火时效是铝合金改善力学性能的主要热处理手段。淬火就是将高温状态迅速冷却到低温，钢的淬火是为了获得马氏体，而铝的淬火是为了获得过饱和固溶体，为随后时效所准备的过饱和固溶体。铝合金的淬火常称为固溶处理；铝合金的时效是为了促使过饱和固溶体析出弥散强化相。室温放置过程中使合金产生强化的效应称为自然时效；低温加热过程中使合金产生强化的叫人工时效。固溶与时效处理的示意图如图1-1所示。

图1-1 固溶时效处理示意图

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，属于扩散型相变。

下面以Al-Cu二元合金为例，来讨论铝合金的时效过程，一般分为四个阶段：α过G.P区θ"相θ'相θ相

G.P区就是指富溶质原子区。是溶质原子在一定镜面上偏聚或从聚而成的，呈圆片状。它没有完整的晶体结构，与母相共格。在一定温度上不再生成G.P区。室温时效的G.P区很小。在较高温度时效一定时间后，G.P区直径长大，厚度增

加。温度升高，G.P区数目开始减少。

θ"相是随时效温度升高或时效时间延长，G.P区直径急剧长大，且溶质、溶剂原子逐渐形成规则排列，即正方有序结构。在θ"相过渡相附近造成的弹性共格应力场或点阵畸变区都大于G.P区产生的应力场，所以θ"相产生的时效强化效果大于G.P区的强化作用。

θ'相是当继续增加时效时间或提高时效温度时由θ"相转变而成。θ'相属正方结构，θ'相在一定面上与基体铝共格，在另一晶面上共格关系遭到部分破坏。

θ相是平衡相，为正方有序结构。由于θ相完全脱离了母相，完全失去与基体的共格关系，引起应力场显著减弱。这也就意味着合金的硬度和强度下降。

图1-2 时效时铝-铜合金的硬度与时间关系

时效强化效果与加热温度和保温时间有关。当温度一定时，随着时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，此时为过时效。随着时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。

三、实验材料及设备

1.2024铝合金试样。

2．材料：金相砂纸、研磨膏、抛光呢、4%硝酸酒精、氢氟酸、盐酸、酒精、脱脂棉等

3．主要设备：箱式电阻炉、淬火水槽、抛光机、砂轮机、布什硬度计等。

四、实验内容与步骤

1. 按班级进行分组，每组5-6人，分别领取一套试样（10块试样）。

2. 将试样放入箱式电阻炉中，加热温度为500℃左右，保温1h后，快速淬入水槽中冷却。

3. 每组取一个淬火后试样立即测定布什硬度（固溶态的样品硬度）

4. 将剩余的其他试样立即放入箱式电阻炉中进行时效处理，时效温度分别为130℃、160℃、190℃、220℃，250℃、280℃。每组取一个温度进行时效实验，保温时间分别为1，2，4，6，8，10，12，14，16h。

5. 用砂轮机将时效后试样表面氧化皮打磨掉，再进行布什硬度测定，硬度测定时，每个试样测三点取平均值，填入表1-1中（建议测定布氏硬度的参数选为250kgf，钢球直径5mm，保持时间为30s）。

6. 根据硬度值，绘制时间~硬度曲线。

表1-1 时效工艺对铝合金硬度值

五、实验报告要求

1. 记录相关的实验数据，并绘制出相应的时效硬度曲线。

2. 根据实验结果，说明时效工艺造成硬度变化的原因及其变化规律。

3. 根据实验结果，说明时效温度对时效硬度峰值的影响规律。

4. 对实验结果进行误差分析，说明造成误差可能存在的因素有哪些？