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铝合金的时效强化
发布日期:2009/5/18 点击量:

      经淬火后的铝合金强度、硬度随时间延长而发生显着提高的现象称之为时效,也称铝合金的时效硬化。这是铝合金强化的重要方法之一。

  由定义可知,铝合金时效强化的前提,首先是进行淬火,获得饱和单相组织。在快冷淬火获得的固溶体,不仅溶质原子是过饱和的,而且空位(晶体点缺陷)也是过饱和的,即处于双重过饱和状态。以Al -4%Cu合金为例,固溶处理后,过饱和α固溶体的化学成分就是合金的化学成分,即固溶体中钢含量为4%。由Al-Cu 相图可知,在室温平衡态下,α固溶体的含铜量仅为0.5%,故3.5%Cu过饱和固溶于α相中。当温度接近纯铝熔点时,空位浓度接近10-3数量级,而在常温下,空位浓度为10-11数量级,二者相差10-8级。经研究可知;铝合金固溶处理温度越高,处理后过饱和程度也越大,经时效后产生的时效强化效果也越大。因此固溶处理温度选择原则是:在保证合金不过烧的前提下,固溶处理温度尽可能提高。

  固溶处理后的铝铜合金,在室温或某一温度下放置时,发生时效过程。此过程实质上是第二相Al2Cu从过饱和固溶体中沉淀的过程。这种过程是通过成型和长大进行的,是一种扩散型的固态相变。它依下列顺序进行:a过→G.P区→θ’’相→θ’相→θ相

  G.P区就是指富溶质原子区,对Al-Cu合金而言,就是富铜区。铝钢合金的G.P区是铜原子在(100)晶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。200℃不再生成G.P 区。室温时效的G.P区很小,直径约50A,密度为1014-1015/mm3,G.P区之间的距离为20-40 ?。130℃时效15h后,G.P 区直径长大到90 ?,厚为4-6 ?。温度再高,G.P区数目开始减少。它可以在晶面处引起弹性应变。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,且铜、铝原子逐渐形成规则排列,即正方有序结构。在θ’’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’相是指当继续增加时效时间或提高时效温度,θ’’相转变成为θ’相。θ’相属正方结构,θ’在(001)面上与基体铝共格,在z轴方向由于错配度过大,在(001)和(100)面上共格关系遭到部分破坏。θ相是平衡相,θ相的成分是Al2Cu,为正方有序结构。由于θ相完全脱离了母相,完全丧失了与基体的共格关系,引起应力场显着减弱。这也就意味着合金的硬度和强度显着下降。

  影响时效强化效果的因素有哪些?

  时效是按一定顺序进行的,强化效果受以下因素影响。

  (1) 时效温度。固定时效时间,对同一成分的合金而言,时效温度与时效强化效果(硬度)之间关系。在某一时效温度时,能获得最大硬化效果,这个温度称为最佳时效温度。不同成分的合金获得最大时效强化效果的时效温度是不同的。统计表明,最佳时效温度与合金熔点之间存在如下关系:

  T0 = (0.5 – 0.6)T

  (2) 时效时间。硬度与强度峰值出现在θ’’相的末期和θ’过渡相的初期,θ’后期已过时效,开始软化。当大量出现θ相时,软化已非常严重。故在一定的时效温度内,为获得最大时效强化效果,应有一最佳时效时间,即在θ’’产生并向θ’转变时所需的时间。

  (3) 淬火温度、淬火冷郄速度和淬火转移时间。实践证明,淬火温度越高,淬火冷郄速度越快,淬火中间转移时间越短,所获得的固溶体过饱和程度越大,时效进行后强化效果越大。

  (4) 时效工艺。时效可选单级或分级时效。单级时效指在室温或低于100℃温度下进行的时效过程。它工艺简单,但组织均匀性差,抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、断裂性、应力腐蚀抗力性能很难得到良好的配合。分级时效是在不同温度下进行两次时效或多次时效。在较低温度进行预时效,目的在于在合金中获得高密度的G.P区,由于G.P区通常是均匀成核的,当其达到一定尺寸后,就可以成为随后沉淀相的核心,从而提高了组织的均匀性。在稍高温度保持一定时间进行最终时效。由于温度稍高,合金进入过时效区的可能性增大,故所获得合金的强度比单级时效略低,但是这样分级时效处理后的合金,其断裂性值高,并改善了合金的抗腐蚀性,提高了应力腐蚀抗力。

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