16-金属材料与热处理-铝及铝合金
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定义：固溶体材料随溶质含量提高，其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。
强化机制：
图 铜镍合金相图及其固溶体性能与成分的关系
① 溶质原子与位错发生弹性交互作用----柯氏气团钉扎 ② 静电交互作用----电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程的静电交互作用。 ③ 化学交互作用（Suzuki）----成分的偏聚导致位错运动受阻。
析出相往往不是相图的平衡相，而是亚稳相或 溶质原子的偏聚区。
脱溶过程中过饱和固溶体逐渐变为饱和固溶体。
时效硬化合金相图
9ห้องสมุดไป่ตู้
时效方法
① 自然时效：淬火后在室温自然放置所进行的时效 硬化过程称为自然时效
② 人工时效：在较高温度加热（>100℃）所进行 的时效处理称为人工时效。
③ 分级时效：这是在淬火后于不同温度进行两次或 多次时效的一种综合处理。
14
10.1.1纯铝
纯铝不能热处理强化，冷变形是提高其强度的唯一手段，因此某些工 业纯铝可以按冷作硬化或半冷作硬化使用。
纯铝的热处理形式为退火，退火温度一般为350~500℃，保温时间随 工件厚度而定。
纯铝的再结晶温度约200℃，杂质元素大多能提高其再结晶温度，其 中铬、锰、铁较明显。
15
10.1.2铝合金的分类及热处理
13
10.1.1 纯铝
铝及铝合金（退火状态下）的塑性很好（面心立方结 构），可以冷成型；切削性好； 超高强铝合金成型后可通过热处理获得很高的强度； 铸铝合金的铸造性能极好。 •铝及铝合金用途：在电气工程、汽车、建筑、机械、航空及宇航工业、轻工业都有广泛用途； 纯铝由于性能低，铸造性能差，而主要用来配置铝合金，制作电线电缆，电缆和制造家庭用器 皿。
5
有色金属及合金的热处理
固溶处理
固溶体合金加热到略低于固相线的温度，保 温足够时间，使溶质原子充分溶解后立即淬 火，得到亚稳定的过饱和固溶体，这种处理 称为固溶处理。
溶解度变化的二元状态图
6
合金固溶处理后的性能变化
固溶处理后性能的改变与相成分、合金原始组织及淬火状态组织特征、淬火条件、 预先热处理等一系列因素有关，不同的合金性能变化不大相同。
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过渡相的 过程称为脱溶。
合金在脱溶过程中其机械性能、物理性能、化学性能等随之变化这种 现象称为时效。
合金在脱溶过程中硬度和强度升高的现象称为时效硬化或时效强化。 时效硬化就是脱溶引起的沉淀硬化。
8
合金的时效
经固溶处理的合金在室温下放置或加热到一定 温度保持，合金将产生脱溶析出。
工业纯铝的强度和硬度都很低，虽然可以通过冷作硬化的方式来硬化，但是也不能直接用于制作结 构材料。因此必须加入合金元素，形成铝合金。 10.1.2.1铝合金的分类与编号
按合金成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金两 大类。 形变铝合金：相图中D点以左的部分。该类铝合金加热
至固溶线FD以上时能形成单相α固溶体，塑性好，适 用于压力加工成形。
铸造铝合金：相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、 亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。
16
10.1.2.2 铝合金的时效强化
固溶处理：通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相 在冷却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程。
时效处理：过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间 后，基体中析出新相的过程。
④ 回归时效：自然时效后的铝合金若在较高温度短 期加热并快冷，由于自然时效时期形成的GP区完 全溶入集体而使合金恢复到新淬火状态，这种处 理称为回归处理。
铝合金时效工艺流程图
10
时效过程中的性能变化
1. 力学性能
随着时效时间的延长，合金的硬度逐渐升高。
2. 物理性能
低温时效时，许多合金电阻开始增加，然后降低，即在电阻与时效时间的关系上呈 现最大值。
12
10.1.1 纯铝
a. 纯铝比重小（2.7g/cm3）、强度低、熔点低(660℃)； b. Al有优良的物理、化学性能：Al导电性好，仅次于银、铜和 金，在是温室的导电率约为Cu的64%，铝及铝合金有相等的耐 大气腐蚀能力，铝及铝合金磁化率极低，接近于非铁磁性材料 c. 资源多（占地壳总储量的7%以上），成本低 d. 抗腐蚀性能好，但不抗盐碱 e. 焊接性能和加工性能好 C919 Al-Li合金机身等直段部段性能极好。
金属材料及热处理
第10章 有色金属合金——铝及铝合金
1
第10章 有色金属及合金
在工业生产中，通常把钢铁以外的金属及其合金称为有色金属。有色金属具有许多钢铁材料不具备的 优良的特殊性能，是现代工业中不可缺少的材料，在国民经济中占有十分重要的地位。
铝及铝合金 镁及镁合金 铜及铜合金 钛及钛合金 高温合金（镍基、钼基） 高熵合金（四元、五元、六元）
固溶处理对强度及塑性的影响，取决于固溶强化程度及过剩相对材料的影响。
固溶强化
过剩相
硬、脆→溶解
合金塑性提高
增加固溶强化 溶解→软化小 对位错阻碍小 合金强度提高
增加固溶强化 溶解→软化大 对位错阻碍大 合金强度降低
固溶处理的主要目的是获得高浓度的过饱和固溶体，为时效热处理做准备。 7
合金的时效
2
合金中的相结构
其它元素
Cu晶体结构 （面心立方）
面心立方
固溶体 保持原来的点阵结构
中间相（第二相） 形成新的点阵结构 Laves相
合金中的相结构
合金 单相固溶体
固溶体+第二相（过剩相）
Al-Li合金
轻量化 固溶强化 第二相强化
固溶体+第二相
Al-Li合金相图
前机身段
铝锂合金
4
知识回顾——固溶强化
3. 耐腐性
一般情况下，单相固溶体状态的合金具有较高的腐蚀抗力。合金脱溶，如新相与基 体具有不同的结构和成分，电极电位不同，易形成微电池，加速合金的腐蚀速率。
11
10.1铝及铝合金
1825年由丹麦化学家奥斯德发现。 1827年德国化学家武勒重复了奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。 1854年德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。 铝是地壳中蕴藏最多的金属元素，铝的总储量占地壳总量的7.45%。 铝及铝合金的产量在金属材料仅次于钢铁而居第二位，是有色金属材料中用 量最多、应用范围最广的材料。
强化机制：
图 铜镍合金相图及其固溶体性能与成分的关系
① 溶质原子与位错发生弹性交互作用----柯氏气团钉扎 ② 静电交互作用----电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程的静电交互作用。 ③ 化学交互作用（Suzuki）----成分的偏聚导致位错运动受阻。
析出相往往不是相图的平衡相，而是亚稳相或 溶质原子的偏聚区。
脱溶过程中过饱和固溶体逐渐变为饱和固溶体。
时效硬化合金相图
9ห้องสมุดไป่ตู้
时效方法
① 自然时效：淬火后在室温自然放置所进行的时效 硬化过程称为自然时效
② 人工时效：在较高温度加热（>100℃）所进行 的时效处理称为人工时效。
③ 分级时效：这是在淬火后于不同温度进行两次或 多次时效的一种综合处理。
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10.1.1纯铝
纯铝不能热处理强化，冷变形是提高其强度的唯一手段，因此某些工 业纯铝可以按冷作硬化或半冷作硬化使用。
纯铝的热处理形式为退火，退火温度一般为350~500℃，保温时间随 工件厚度而定。
纯铝的再结晶温度约200℃，杂质元素大多能提高其再结晶温度，其 中铬、锰、铁较明显。
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10.1.2铝合金的分类及热处理
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10.1.1 纯铝
铝及铝合金（退火状态下）的塑性很好（面心立方结 构），可以冷成型；切削性好； 超高强铝合金成型后可通过热处理获得很高的强度； 铸铝合金的铸造性能极好。 •铝及铝合金用途：在电气工程、汽车、建筑、机械、航空及宇航工业、轻工业都有广泛用途； 纯铝由于性能低，铸造性能差，而主要用来配置铝合金，制作电线电缆，电缆和制造家庭用器 皿。
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有色金属及合金的热处理
固溶处理
固溶体合金加热到略低于固相线的温度，保 温足够时间，使溶质原子充分溶解后立即淬 火，得到亚稳定的过饱和固溶体，这种处理 称为固溶处理。
溶解度变化的二元状态图
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合金固溶处理后的性能变化
固溶处理后性能的改变与相成分、合金原始组织及淬火状态组织特征、淬火条件、 预先热处理等一系列因素有关，不同的合金性能变化不大相同。
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过渡相的 过程称为脱溶。
合金在脱溶过程中其机械性能、物理性能、化学性能等随之变化这种 现象称为时效。
合金在脱溶过程中硬度和强度升高的现象称为时效硬化或时效强化。 时效硬化就是脱溶引起的沉淀硬化。
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合金的时效
经固溶处理的合金在室温下放置或加热到一定 温度保持，合金将产生脱溶析出。
工业纯铝的强度和硬度都很低，虽然可以通过冷作硬化的方式来硬化，但是也不能直接用于制作结 构材料。因此必须加入合金元素，形成铝合金。 10.1.2.1铝合金的分类与编号
按合金成分和工艺特点可分为形变铝合金和铸造铝合金两 大类。 形变铝合金：相图中D点以左的部分。该类铝合金加热
至固溶线FD以上时能形成单相α固溶体，塑性好，适 用于压力加工成形。
铸造铝合金：相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、 亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。
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10.1.2.2 铝合金的时效强化
固溶处理：通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相 在冷却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程。
时效处理：过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间 后，基体中析出新相的过程。
④ 回归时效：自然时效后的铝合金若在较高温度短 期加热并快冷，由于自然时效时期形成的GP区完 全溶入集体而使合金恢复到新淬火状态，这种处 理称为回归处理。
铝合金时效工艺流程图
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时效过程中的性能变化
1. 力学性能
随着时效时间的延长，合金的硬度逐渐升高。
2. 物理性能
低温时效时，许多合金电阻开始增加，然后降低，即在电阻与时效时间的关系上呈 现最大值。
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10.1.1 纯铝
a. 纯铝比重小（2.7g/cm3）、强度低、熔点低(660℃)； b. Al有优良的物理、化学性能：Al导电性好，仅次于银、铜和 金，在是温室的导电率约为Cu的64%，铝及铝合金有相等的耐 大气腐蚀能力，铝及铝合金磁化率极低，接近于非铁磁性材料 c. 资源多（占地壳总储量的7%以上），成本低 d. 抗腐蚀性能好，但不抗盐碱 e. 焊接性能和加工性能好 C919 Al-Li合金机身等直段部段性能极好。
金属材料及热处理
第10章 有色金属合金——铝及铝合金
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第10章 有色金属及合金
在工业生产中，通常把钢铁以外的金属及其合金称为有色金属。有色金属具有许多钢铁材料不具备的 优良的特殊性能，是现代工业中不可缺少的材料，在国民经济中占有十分重要的地位。
铝及铝合金 镁及镁合金 铜及铜合金 钛及钛合金 高温合金（镍基、钼基） 高熵合金（四元、五元、六元）
固溶处理对强度及塑性的影响，取决于固溶强化程度及过剩相对材料的影响。
固溶强化
过剩相
硬、脆→溶解
合金塑性提高
增加固溶强化 溶解→软化小 对位错阻碍小 合金强度提高
增加固溶强化 溶解→软化大 对位错阻碍大 合金强度降低
固溶处理的主要目的是获得高浓度的过饱和固溶体，为时效热处理做准备。 7
合金的时效
2
合金中的相结构
其它元素
Cu晶体结构 （面心立方）
面心立方
固溶体 保持原来的点阵结构
中间相（第二相） 形成新的点阵结构 Laves相
合金中的相结构
合金 单相固溶体
固溶体+第二相（过剩相）
Al-Li合金
轻量化 固溶强化 第二相强化
固溶体+第二相
Al-Li合金相图
前机身段
铝锂合金
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知识回顾——固溶强化
3. 耐腐性
一般情况下，单相固溶体状态的合金具有较高的腐蚀抗力。合金脱溶，如新相与基 体具有不同的结构和成分，电极电位不同，易形成微电池，加速合金的腐蚀速率。
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10.1铝及铝合金
1825年由丹麦化学家奥斯德发现。 1827年德国化学家武勒重复了奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。 1854年德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。 铝是地壳中蕴藏最多的金属元素，铝的总储量占地壳总量的7.45%。 铝及铝合金的产量在金属材料仅次于钢铁而居第二位，是有色金属材料中用 量最多、应用范围最广的材料。