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时效

一、时效

在一定的温度下，保持一定的时间，过饱和固溶体发生分解 ( 称为脱溶 ) ，引起铝合金强度

和硬度大幅度提高，这种热处理过程称之为时效。

二、时效强化机理

7×××系合金时效过程中的沉淀析出顺序为: SSSS(过饱和固溶体 ) →GP区

→η′ (MgZn2) →η (MgZn2 ) 。若 Zn：Mg比较低，一些铝合金会出现T 相（Al 2Mg3Zn3），T 相析出序列可表示为： SSSS→GP区→ T′ ( 半共格 ) →T，由于时效温度一般低

于200℃通常很少在合金中发现 T 相。 6xxx 系（ Al-Mg-Si 系）铝合金 SSSS→GP

区→β’相→β相(Mg2Si相)。

金属强化取决于位错与脱溶相质点间的相互作用。时效过程中分解产生的析

出相能阻碍位错运动，从而提高合金强度。析出相对位错的阻碍作用主要有切过

机制和奥罗万绕过机制。在沉淀析出的早期阶段，形成小尺寸的GP区和亚稳相

η’相，位错滑移需 - 切割析出相，使基体得到明显强化。随着时效时间的延长，

析出相的尺寸增大，合金强度增加。在沉淀析出的后期，主要发生亚稳相η’ 向

平衡相η 的转变以及η 相的粗化，此时位错线采取绕过方式移动，因为绕过析

出相所需的临界切应力比切过所需的低。随着时效时间的延长，析出相明显长

大，强化效果降低，强度下降。合金的强度主要由晶内析出相GP区和η’相的

体积分数、形貌尺寸和分布所决定。沉淀相的体积分数越大，分布越均匀致密，合

金的强度越高。通常切割机制比绕过机制的强化效果好。切割机制的强化效果

随质点体积分数和尺寸的增大而增大，而绕过机制的强化效果则应随质点体积分

数的减小和尺寸的增大而减小。

合金在时效过程中的强度变化的特征：开始阶段的脱溶相（ GP 区或某种过渡

相）与基体共格、尺寸很小，因而位错可以切过。此时的屈服切应力增量取决

于切割脱溶相所需的应力。继续脱溶时，脱溶相体积分数（?）及尺寸（r ）均增加，

切割它们所需应力加大，使强化值增加，经一段时间后，? 会达到一定值，脱溶相将

按奥斯特华德熟化过程规律增大尺寸，使合金进一步强化。最后，脱溶相质点逐渐

向半共格或非共格质点（过渡相或平衡相）转变，尺寸也不断加大，

一旦达到一定尺寸时，位错在质点周围成环所需应力会小于切割质点的应力，奥罗万机制开始发生作用，这时合金强度随着脱溶相质点尺寸进一步增大而降低。

但应注意，在奥罗万机制起作用时，由于每一位错线通过质点后将留下一个位错环，使质点周围位错密度增加，这就相当于质点有效尺寸不断增大，质点间距不断减小，因而使加工硬化系数加大。

三、时效过程

合金在时效过程中一般经历欠时效、峰时效、过时效三个阶段，欠时效阶段

为合金硬度（强度）逐渐上升的过程，合金组织中的 GP区或过渡相η' 数量逐渐增多，其中的沉淀相主要为 GP区，变形时位错切割 GP区；峰时效为合金达到硬度最

大的点，合金的微观组织为高度弥散的 GP区和η' 相，位错由切割机制逐步向绕过

机制转变，合金的强度最高；过时效过程中合金的硬度逐渐降低，组织中的η'

相逐渐长大发生粗化，同时发生过渡相（η' 相）向粗大的平衡相（η相）转变，合金中的沉淀相主要为η′相和η 相，变形时位错绕过强化质点。部分 7xxx 铝

合金还会存在者“双峰时效”现象，在研究 7175 合金时发现双峰时效现象，第一

个峰值对应的显微组织 GP区，随着 GP区部分溶解强度降低，然后随η' 相数量

逐渐增多形成第二个峰值。双级时效第一阶段为低温时效的成核阶段，形成细小的GP区及η' 相为终时效的析出相提供形核点；第二阶段为高

温时效的稳定化阶段，晶内为尺寸较大的η' 相 , 晶界处为不连续的粗大的η相，合金的耐腐性提高，但强度比 T6 态的下降 10%~15%，该工艺是在牺牲强度的条件下

提高耐腐蚀性。

四、微观组织

强Al-Zn-Mg-Cu 铝合金的微观组织与性能有着紧密的联系，合金的性能主要受合金组织内的析出相尺寸、类型及分布的影响， Al-Zn-Mg-Cu 的微观组织主要有三部分组成，即晶内析出相（ MPt）、晶界析出相（ GBP）以及晶界周围的无沉淀析出带（ PFZ）。MPt 的特性显著影响合金的强度，时效析出的 GP区和η' 相的强化

效果好于粗大的平衡相η相。 GBP对合金的抗应力腐蚀性（ SCR）和断裂韧性影

响较大， GBP连续分布对合金的韧性和 SCR性不利，而较粗大不连续的分布对合金的抗应力腐蚀性有利，经过时效和回归再时效热处理能获得这种组织。 PFZ

形成理论有贫空位理论和贫溶质原子理论，它对合金塑性和SCR的影响尚无定论，一般认为较窄的PFZ对韧性和SCR有利；也有研究者提出PFZ对SCR的影响不大，主要受 PFZ区的 Cu 元素浓度分布影响。时效强化的效果取决于铝合金时

效析出相与位错的相互作用，根据位错理论，当析出相为GP区和尺寸较小的η相时，作用机制主要为位错切割机制；当析出相为尺寸较大的η 相和η 相时，作用机制主要为位错绕过机制（奥罗万机制）。

五、时效工艺

7xxx 铝合金主要时效工艺有单级时效(T5 、T6 ) 、双级时效（ T7x）、RRA（回

归再时效）以及非等温时效。单级时效能获得较高的强度，较好， RRA回归再时效、非等温时效具有较好的综合性能时效工艺制度示意图。

单级时效（ T5、 T6）

T7x 的抗腐蚀性性能 , 图 3 为 7xxx 合金常用

单级时效为合金淬火后在一定的温度下等温时效，其中 T5态为高温加工成型冷却后进行人工时效的工艺， T6态为固溶处理后经人工时效的状态。单级峰时效可使合金获得峰值强度， 7xxx 合金最早的热处理制度便是采用该种方法，但由于显微组织中的晶界析出相连续，合金的抗腐蚀性能一般。双级时效（ T7X）

为克服 7xxx 合金对应力腐蚀开裂（ SCC）及剥落腐蚀的敏感性， 7xxx 合金在生产中常进行双级时效（又称阶段时效）。第一阶段为低温时效的成核阶段，形成细小的 GP区及η′相为终时效的析出相提供形核点；第二阶段为高温时效的稳定化阶段，晶内为尺寸较大的η′相 , 晶界处为不连续的粗大的η相，合金的耐腐性提高，但强度比 T6态的下降 10%~15%，该工艺是在牺牲强度的条件下提高耐

腐蚀性[7]。为减小剥落腐蚀敏感性，人们相继研发了 T73，T76工艺，为了减小强度损失，并且使耐腐蚀性介于 T73与 T76，又研发了 T74（T736）态热处理制度。近年来针对 7056、7449合金的中高厚度的结构件，研究者开发了轻微过时效的 T79 态工艺。