1、一、序言所謂熱處理一般是包括非常廣泛范圍的操作，例如：在金屬手冊里從熱處理術(shù)語解說來看，熱處理是“為了對固體金屬或合金給予所要求的特性所進行的加熱操作和冷卻操作，而為了熱加工的加熱除外”。然而鋁合金的熱處理一般則意味著固溶熱處理、淬火及時效硬化處理的周期，按照這種操作是否存在有效性，而把合金分為可熱處理合金和不可熱處理合金。本文把熱處理限定在狹義的范圍內(nèi)來介紹可熱處理合金的特性。并且，鋁合金包括有變形材料和鑄件，但是對合金熱處理特性來說兩者之間沒有非常大的差別，因此這里愿意采用變形材料。二、不可熱處理合金和可熱處理合金在鋁合金方面為了適應各種用途發(fā)展了很多種，這些種鋁合金據(jù)根鋁中添加的主要元素

2、在JIS中以四位數(shù)字分成九個系。但是從另一方面據(jù)根合金的熱處理特性，又把上述的合金分成不可熱處理合金和可熱處理合金。表中示出不可熱處理合金和可熱處理合金的各種性質(zhì)的比較。為了調(diào)節(jié)不可熱處理合金的強度可進行冷加工或退火。即對軟狀態(tài)的材料施加冷加工，伴隨著加工硬化的進行強度增加，延伸率下降；而與此相反，當硬狀態(tài)合金材料在各種溫度下退火時隨著溫度升高強度下降，延伸率增加。因此用選擇適合各種合金的冷變形率的方法和在適當溫度下退火的方法可獲得滿足標準的強度。并且為了獲得中間強度退火溫度按各種合金而不同，此外加工前后也不同。另外，Al-Mg系合金加工硬化后在常溫下放置時抗張強度變化不大，而屈服點稍稍下降，

3、延伸率有所提高。而在低溫下加熱時這種變化進行得迅速。把這種變化稱為穩(wěn)定化處理。對可熱處理合金來說由于鋁合金中沒有相變，所以Cu，Zn，Mg或Si等添加元素的析出硬化作用使其獲得強度。因此合金在高溫下加熱時硬化成分充分地熔化在基體中，形成單一固溶體(稱固溶熱處理)，但是必須嚴格按照指定的溫度，如果超過其允許的最高溫度，則合金中的共晶部分開始熔化，不僅材料的機械性能下降，而且其表面狀態(tài)也變?yōu)椴涣?。當還沒有達到允許的最低溫度時機械性能也同樣不能滿足標準，并且抗腐性也變?yōu)椴涣?。在加熱后使合金急劇冷卻(稱為淬火)，冷卻速度對材料強度及抗腐性等也有影響，因此希望冷卻速度盡可能快。由于在常溫下添加元素的溶解

4、度低，因此在淬火的狀態(tài)下合金中的固溶體處在過飽和狀態(tài)，其程度按合金種類及時效溫度而不同，但是從這種狀態(tài)開始硬化的主要元素具有析出傾向。在常溫下放置時發(fā)生硬化的現(xiàn)象稱為自然時效(T4)，而在高溫下放置時發(fā)生硬化的現(xiàn)象稱為人工時效(T6)。表2中列出JIS中規(guī)定的鋁合金種類、可熱處理合金與不可熱處理合金的區(qū)別及這些合金的制造形狀；表3中列出可熱處理合金的熱處理標準的概要和狀態(tài)；表4列出可熱處理合金的調(diào)質(zhì)和狀態(tài)標號。關(guān)于熱處理的詳細情況，除了表1所記載的(各JIS標準中以合金類別和形狀種類記載的)之外，特別對航空用的鋁合金來說在JIS1103(1969)中還詳細地規(guī)定了熱處理的方法，關(guān)于這些情況本雜

5、志另作介紹，因而在本文省略，此外，對可熱處理合金的熱處理特性加以說明。注：-沒有規(guī)定的合金，0規(guī)定的合金。三、Al-Cu(2000)系合金在此系合金中簡單地記載了JIS中規(guī)定的合金的特點。2011：由于添加比較多量的Cu和少量Pb，Bi，因此強度是中等的，而切削性非常好。但是由于Cu的作用抗腐性不良。2014：添加Cu、Si、Mn及Mg等元素，是回火性充分的合金，成型性比較好，硬度及屈服點大，而抗腐性不大好。2017：所謂杜拉鋁合金，含有適當量的Cu，Mn、Mg等，用常溫時效方法能獲得強度，而抗腐性不大好。2018：是從2218中減少Mg含量而加工性良好的合金，具有與2218相同的特性。221

6、8：是成分與2014相似的合金，但是再添加2%Ni可獲得耐熱性。2024：是從杜拉鋁合金中把Mg含量降到大約1.5%的合金，叫做超杜拉鋁合金，因此也是常溫時效性比2017還大，強度也更高并且延性也不低的優(yōu)良合金。2025：相當于從2024中去掉Mg的合金。是具有充分回火效果、強度相當于2017的鍛造合金。熱處理變形小。2N01：是加入了Cu，Si，F(xiàn)e，Ni及Mg的加工性良好的鍛造耐熱合金。在Al-Cu系合金中Cu含量越多，強度就越大。為了改善常溫時效性添加Mg和Si。固溶熱處理溫度盡可能高，如圖1中看出那樣，對提高強度有效。但是溫度過高，共晶就溶解，而產(chǎn)生氣泡，強度也下降。此外，2024合金

7、為了提高抗腐性采用純鋁作包復材料制成合成板，但是如果Cu很多擴散到包復材料里，這樣防腐的效果就下降，因此必須注意在固溶熱處理過程中芯材料的Cu盡量少往包復材料擴散。固溶熱處理時間越短越好，但是過于短，固溶化就不充分，強度就下降。淬火速度對合金的特性有很大的影響。圖2示出2024-T4板材的淬火速度對強度和抗腐性的影響，可了解到淬火速度越快對任何特性都是令人滿意的。圖1固溶熱處理溫度對2017-T4板材強度的影響圖22024-T4板材淬火速度對強度及抗腐性的影響當淬火時成問題的另一種情況是發(fā)生變形。為了減少淬火變形也采用噴霧淬火或在溫水中淬火，而在這種情況下很難獲得良好的抗腐性。對于淬火應力的消

8、除或減少的方法進行過各種試驗，在加熱的情況下正常的析出處理溫度過低，而在能充分消除應力的高溫下加熱時強度就下降。與此不同的應力消除法是低溫法。這種方法是把被處理材料在室溫左右給予熱循環(huán)作為消除應力的方法，例如有的報告也提出：2014-T6材料的最初殘余應力為17公斤/毫米2，首先在-195冷卻后隨之用蒸氣吹，此時殘余應力減少到3公斤/毫米2。另外，淬火變形可用冷加工的方法進行矯正，但是析出硬化在這種場合下受到影響。2011淬火后經(jīng)過冷加工以T3或T8狀態(tài)在市場出售，2011的冷加工與析出速度的關(guān)系示于圖3。這是2011從540開始淬火以后以25%以內(nèi)的不同軋制率進行冷軋，在130-210下經(jīng)過

9、時效達到最高硬度時的時間與冷軋制率的函數(shù)關(guān)系，冷軋能顯著地促進時效硬化的速度，以25%軋制率冷軋時與無加工的相比在時間上縮短一位數(shù)就達到最高硬度。但是變形率高于某些程度以上時隨變形率增加硬化速度也沒有那么大，并且這種場合的冷變形率對最高硬度沒有多大影響。此2011合金被認為是快速切削鋁合金，而其切削性不僅按照切削條件而且也按照材料的處理狀態(tài)而敏感地發(fā)生變化，按T4、T3、T8、T6的順序為佳。圖3冷軋制率對2011合金析出速度的影響2024在常溫下放置3-5日發(fā)生硬化，而在更低的溫度下時效時間也要增大。人工時效時與常溫相比強度及延伸率都增加。圖4示出2024合金析出處理時間對強度及抗腐性影響的

10、結(jié)果，而在屈服點達到最高時的溫度和時間內(nèi)容易引起晶間腐蝕，因此為了適應需求目的就必須很好地研究析出處理的條件。圖42024析出處理時間對強度和抗腐性的影響四、Al-Mg-Si(6000)系合金關(guān)于在JIS中規(guī)定的屬于此系合金的特性簡單介紹如下：6063：是在一般鋁中添加少量的Mg和Si的合金，擠壓加工性良好。由于此種合金中不含有Cu，因此強度稍低，而抗腐性良好。6061：Mg和Si比6063添加得更多，也添加少量的Cu和Cr，使其強度增加。在可熱處理合金中是冷加工性良好的并且焊接也容易的合金。6151：是和6061同一系合金，但是把Mg和Si的配合比顛倒過來，進一步提高強度，用熱處理方法也可獲

11、得比2027，2025更高的屈服點。由于又添加少量的Cr，因此抗腐性也良好，鍛造性更優(yōu)越。Al-Mg-Si系合金進行固熔熱處理，當回火時由于Mg2 Si的析出而進行硬化，硬化的程度隨著Mg2 Si的濃度的增加而增加，而其他延伸率及彎曲加工性不良。添加大約0.3%以內(nèi)的Mg就可使強度增加，但是其量多時就與Si結(jié)合，從而減少了形成硬化主要因素的Mg2Si需要的Si量，因此析出硬化能下降。當Al-Mg-Si系合金中添加Cu時不僅在軟狀態(tài)材料而且在可熱處理材料中強度也增加，但是使抗腐性下降，因此如后面所述對其量要限制。Cu對抗腐性不良的影響可用添加Mn和Cr的方法減輕。特別Cr和Mn對晶間腐蝕的防止同

12、時起著有效的作用。如果觀察T6處理材料的顯微組織就可看到?jīng)]有加入Mn和Cr的合金中晶界的析出物，對添加Mn和Cr的合金幾乎沒有看出。Si含量過剩的合金在520以下淬火時強度低，當超過560時引起局部熔化，因此通常從520540開始淬火。Mg過剩的合金緩慢冷卻或空氣淬火人工時效后沒有發(fā)現(xiàn)強度顯著降低，因此可減少淬火變形的發(fā)生并且具有省略矯直的優(yōu)點。對6063合金來說擠壓溫度在500以上時，用擠壓前的加熱進行Mg2 Si的固溶熱處理，然后在擠壓后于空氣中冷卻，對普通的擠壓材料可得到充分淬火。淬火的程度據(jù)根擠壓材料的形狀，尺寸及冷卻狀態(tài)而不同，但是對6063合金來說變化擠壓溫度，6T處理的材料的機械

13、性能沒有多大變化，而T5處理的材料具有擠壓溫度越高，強度就越大的傾向。從淬火后到人工時效為止的時間如果長，強度就降低，因此為了獲得最高強度淬火持續(xù)的時間要盡量縮短，或者淬火后馬上進行短時間人工時效，形成穩(wěn)定狀態(tài)。即淬火后在50下加熱5分鐘，然后材料在常溫下長時間放置，再用人工時效的方法也能獲得最高強度。圖5示出了6063合金從520淬火然后在177下7小時人工時效前的放置時間對機械性能的影響，而從圖看出，當放置12日機械性能就穩(wěn)定下來，在淬火后直接人工時效和穩(wěn)定的場合下強度差為數(shù)公斤/毫米2(所謂Sqrit Aging)。另外各種合金的時效特性示于圖6-9。圖6是一毫米厚的6061板材從520

14、水淬火后求得的常溫時效的特性，而最初大約兩天的硬度變化顯著，過兩天后硬化緩慢。圖7示出了6063合金經(jīng)過固溶熱處理后的常溫時效特性，在圖7中繪出與圖6相同的過程進行硬化。圖8示出了6063合金人工時效的特性。此外，圖9是對厚為1毫米的6151合金板從520水淬火的熱處理特性研究的結(jié)果。圖56063合金從520淬火到人工時效前放置的時間對機械性能的影響(人工時效溫度177)圖66061合金的常溫時效特性板厚1：毫米；淬火溫度：520圖76063合金的常溫時效特性圖86063管材的人工時效時間對機械性能的影響圖9厚為1毫米的6151合金板在520下的熱處理特性6061合金由于加工性良好，因此可用各

15、種方法進行成型加工，但是在那種場合下加工往往出現(xiàn)晶粒成長最大的柑皮狀表面的現(xiàn)象。O狀態(tài)材料經(jīng)過加工后在固溶熱處理的場合下用67%的加工率時晶粒急劇增大。Al-Mg-Si系合金的抗腐性一般良好，這種情況已經(jīng)介紹了，但是抗腐性和熱處理的關(guān)系是按T4，H，O，T6的順序變壞，因此其含量要限制在0.5%以內(nèi)。五、Al-Zn-Mg(-Cu)(7000)系合金此系合金在JIS中規(guī)定如下：7N01：是在鋁中添加Zn和Mg的合金，與其他合金相比焊接強度好特別是屈服強度高，焊接性、抗腐性及熱加工性良好。7075：是Al-Zn-Mg-Cu系合金也稱為超杜拉鋁合金，也是強度非常高的合金，但是在不良的條件下具有應力腐

16、蝕的危險。從Al-Zn-Mg系合金的熱處理來看，列舉有以下的特點：(1)固溶熱處理溫度低；(2)固溶熱處理時間短；(3)淬特性良好；(4)常溫時效性良好。對大部分可熱處理合金來說為了獲得最好強度固溶熱處理在相對的狹小溫度范圍內(nèi)進行，但是本系合金不必要那樣處理，如圖10所示在350下進行充分的固溶即可?？墒且话愕墓倘軣崽幚碓?00480下進行0.51.0小時。另外在本系實用合金成分范圍之內(nèi)由于固相線在580以上，因此在高溫下進行固溶熱處理也沒有過燒的危險，但是如后面所述那樣，由于抗應力腐蝕性下降，因而不是所希望的。此外，本系合金的固溶熱處理溫度比2000成6000系合金的低，固溶范圍廣，并且溶解

17、度曲線變緩慢，從而在引起析出的濃度范圍的擴散也遲緩，所以固溶熱處理后以200/小時的速度緩慢冷卻也能充分淬火。表5列出了7NOl的淬火特性。淬火的敏感性按照組織而不同，在添加的金屬中Zn幾乎沒有影響，而Mg增多時變?yōu)槊舾?，因此對擠壓材料來說擠壓加工性也要考慮進去，Mg含量要低。圖107 1固溶熱處理溫度與機械性能的關(guān)系Al-Zn-Mg系合金的高強度在350500下固溶熱處理后可用常溫時效或人工時效的方法獲得。然而對擠壓材料來說，在擠壓后中等厚度的擠壓材料在空氣中淬火，而厚的擠壓件可用水淬火。常溫時效相當緩慢地進行，1年后還沒有結(jié)束，而在圖11中可看出，用1個月的時間可達大約90%。因此以常溫時

18、效1個月后的機械性能作為標準，在JIS中此值是作為參考值記載的，如果在一個月的常溫時效前進行試驗的場合下在固溶熱處理之后進行了時效處理，則認為T6的性能具有保證，T4為合格。這樣，時間需要做到常溫時效結(jié)束為止，并且存在時效中間加工性不穩(wěn)定的問題，因此為了縮短常溫時效時間也有這樣方法：首先在70100下然后在120160下加熱進行二階段時效，用此方法可使第二相良好地析出，抗應力腐蝕性也被改善。人工時效如圖12所示，時效溫度越高，最高強度就越低，達到最高強度的時間變短。在工業(yè)上一般在120130下處理2448小時。圖117NO1合金淬火后的常溫時效固溶熱處理：450，0.5小時時效溫度：2535圖

19、127NO1合金的人工時效曲線X-X回火溫度：120·-·回火溫度：150固溶熱處理：450此系合金在350以上退火，在常溫下放置自然硬化，所以像許多其他合金那樣用簡單的熱處理不能達到退火的目的。完全退火是在350400下再加熱510小時，退火后在240260下再加熱510小時，并以25/小時的冷卻速度冷卻到250，在250下保持3小時以上然后用空氣冷卻。關(guān)于熱處理對Al-Zn-Mg系合金抗腐蝕的影響認為，當固溶熱處理溫度高，冷卻速度大時對應力腐蝕裂紋的敏感性增大，同時易產(chǎn)生點狀腐蝕。當冷卻速度小時對應力腐蝕的敏感性減小，但是易產(chǎn)生成層腐蝕。常溫時效的比人工時效的容易產(chǎn)生成

20、層腐蝕，并且在固溶熱處理溫度過低時也產(chǎn)生。在高溫下經(jīng)過固溶熱處理之后用水冷卻，在常溫下經(jīng)過時效的材料用剪切機切斷并進行沖孔加工，在大氣中放置，由于在剪切面上產(chǎn)生很大的殘余應力，從而發(fā)生裂紋。為了改善應力腐蝕性可考慮緩慢冷卻淬火的熱處理方法和造成接近于過時效初期的時效狀態(tài)的熱處理方法，兩者單獨地或組合起來使用。當利用7NO1構(gòu)成結(jié)構(gòu)件時由于機械加工和焊接加工產(chǎn)生了變形，在200300下加熱可消除這種變形，但是這引起過時效，因而在此溫度范圍內(nèi)避免長時間加熱(在10分鐘以內(nèi))，矯直處理后澆水快速冷卻到150，或者在處理上如果需要更長的時間，則在150以下進行處理。在Al-Zn-Mg系合金中添加Cu，

21、則強度變得相當高。在此系合金中Zn為5.58%，Mg一23%，Cu-0.52%，為了與Al-Zn-Mg系合金相同地改善應力腐蝕性和提高強度，再添加少量的Cr。在添加金屬之中Zn和Mg形成硬化要素，隨其濃度增加而強度也增加。Cu使強度增加的同時又改善抗應力腐蝕性，并具有促進100200之間的人工時效的效果。Mn也能改善抗腐性，但是隨其量增大，加工性變壞，并出現(xiàn)不溶解的并列纖維組織。為了獲得高強度本合金的熱處理與其他可熱處理合金相同是由在高溫下的固溶熱處理，淬火及析出處理的周期所組成，而最適當?shù)墓倘軣崽幚硎窃?50470下加熱。淬火速度從強度和抗腐性來看最好盡可能快，因而板材、型材等用水淬火，鍛件為了防止淬火彎曲采用溫水淬火。圖13示出淬火速度對7075合金強度的影響。從圖13中看出，必須在大約315/秒以上的冷卻速度可獲得最高強度，并且為了獲得良好的抗腐性一定不要在205/秒以下。此值大約為Al-Zn-Mg系合金淬火速度的2倍。此外高強度可用淬火后直接人工時效的方法獲得。變形材料的最長淬火