1、8.1 鋁合金的熱處理及時效強化鋁合金的熱處理及時效強化1 1、鋁合金的分類、鋁合金的分類 變形鋁合金變形鋁合金-1-1鑄造鋁合金鑄造鋁合金-2 -2 防銹鋁防銹鋁-3-3 不能不能HTHT強化強化 硬鋁硬鋁/ /超硬鋁超硬鋁/ /鍛鋁鍛鋁-4 -4 能能HTHT強化強化 2 2、鋁合金熱處理強化特點、鋁合金熱處理強化特點 特點：特點：淬火加熱時不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。淬火加熱時不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 熱處理強化包括固溶處理與時效處理。熱處理強化包括固溶處理與時效處理。固溶固溶處理處理+固溶度固溶度強度強度/硬度變化小硬度變化小塑性明顯塑性明顯時效時效處理處理第二相從固第二相從固溶體中析出溶體中析出

2、力學(xué)性能等發(fā)生力學(xué)性能等發(fā)生顯著變化顯著變化 時效形式：人工時效，自然時效時效形式：人工時效，自然時效 一般一般“回火回火”用于晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金，用于晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金， “時效時效”用于非晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金用于非晶型轉(zhuǎn)變的淬火合金以以Al-CuAl-Cu二元合金為例討論鋁合金的時效過程：二元合金為例討論鋁合金的時效過程： ( (1) 1) 形成銅原子富集區(qū)形成銅原子富集區(qū)銅富集區(qū)銅富集區(qū)稱稱G.P.區(qū)區(qū) 晶體結(jié)構(gòu)與基體晶體結(jié)構(gòu)與基體同，同，但產(chǎn)生了共格應(yīng)變區(qū)但產(chǎn)生了共格應(yīng)變區(qū) 強度、硬度強度、硬度。G.P.呈盤狀，僅幾個原呈盤狀，僅幾個原子層厚，室溫下直徑約子層厚，室溫下直徑約5nm，超過

3、，超過200就不再出現(xiàn)就不再出現(xiàn)G.P.區(qū)。區(qū)。(2) (2) 銅原子富集區(qū)有序化銅原子富集區(qū)有序化 G.P.區(qū)急劇長大，區(qū)急劇長大，G.P.區(qū)銅原子有序區(qū)銅原子有序化，形成化，形成”相相 ”相與基體仍然相與基體仍然保持完全共格，具保持完全共格，具有正方點陣有正方點陣 點陣常數(shù)點陣常數(shù)a=b=0.404nm，c=0.768nm。它。它比比G.P.區(qū)周圍的畸變更大，因此時效強化區(qū)周圍的畸變更大，因此時效強化作用更大作用更大 ( (3)3)形成過渡相形成過渡相 ”相轉(zhuǎn)變相轉(zhuǎn)變成過渡相成過渡相相是正方點陣，相是正方點陣，成分接近成分接近CuAl2 完全共格完全共格 局部共格局部共格強度、硬度開始降強

4、度、硬度開始降低，合金此時處于低，合金此時處于過時效階段。過時效階段。(4) (4) 形成穩(wěn)定的形成穩(wěn)定的過渡相過渡相從從完全脫溶完全脫溶形成穩(wěn)定相形成穩(wěn)定相CuAl2，()與基體非共格與基體非共格合金的強度、硬度進(jìn)一步下降合金的強度、硬度進(jìn)一步下降 合金的種類不同，形成的合金的種類不同，形成的G.P.區(qū)、過渡相區(qū)、過渡相以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時效強化以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時效強化效果也不一樣效果也不一樣合金系合金系時效過程的過渡階段時效過程的過渡階段析出穩(wěn)定相析出穩(wěn)定相Al-Cu形成銅富集區(qū)形成銅富集區(qū)G.P.G.P.區(qū)區(qū)G.P.G.P.區(qū)有序化區(qū)有序化相相形成過渡相形成過渡

5、相 （CuAl2）Al-Mg-Si形成銅、硅富集區(qū)形成銅、硅富集區(qū)G.P.G.P.區(qū)區(qū)形成有序的形成有序的相相 （Mg2Si）Al-Cu-Mg形成銅、鎂富集區(qū)形成銅、鎂富集區(qū)G.P.G.P.區(qū)區(qū)形成過渡相形成過渡相S S S Al2CuMgAl-Mg-Zn形成銅、鋅富集區(qū)形成銅、鋅富集區(qū)G.P.G.P.區(qū)區(qū)形成過渡相形成過渡相M M M （MgZn2）表表 常用鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相常用鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相 3 3、影響時效強化的主要因素、影響時效強化的主要因素固溶固溶處理處理 規(guī)律規(guī)律：淬火淬火T越高，淬火冷卻越高，淬火冷卻V越快，轉(zhuǎn)移越快，轉(zhuǎn)移t越越短，過飽和程度

6、越高，時效強化效果也越大短，過飽和程度越高，時效強化效果也越大 要點要點：在不過熱過燒條件下，：在不過熱過燒條件下，T淬淬高些，保溫高些，保溫t長些。淬火冷卻要保證不析出第二相。為了防止長些。淬火冷卻要保證不析出第二相。為了防止 淬火變形開裂，一般采用淬火變形開裂，一般采用2080水冷卻水冷卻時效時效工藝工藝溫度溫度：對一定合金，有：對一定合金，有最佳時效溫度最佳時效溫度.時間時間：在一定時效溫度下，有最佳時效時間。在一定時效溫度下，有最佳時效時間。方式方式：單級和多級時效。高強合金常用分級時效：單級和多級時效。高強合金常用分級時效4 4、合金化條件、合金化條件 合金元素能有限固溶；固溶度隨溫

7、度降低而大為減?。缓辖鹪啬苡邢薰倘?；固溶度隨溫度降低而大為減??；析出相的強化作用大。析出相的強化作用大。時效溫度與硬度關(guān)系曲線時效溫度與硬度關(guān)系曲線 130130時效時鋁銅合金的硬度與時間關(guān)系時效時鋁銅合金的硬度與時間關(guān)系 思考題：思考題： 直接析出穩(wěn)定相在熱力直接析出穩(wěn)定相在熱力學(xué)上是有利的，但為什么學(xué)上是有利的，但為什么不是直接析出穩(wěn)定相不是直接析出穩(wěn)定相? ?8.2 變形鋁合金變形鋁合金 四位字符體系：牌號的第一位數(shù)字表示組別，四位字符體系：牌號的第一位數(shù)字表示組別，2 8表示。后兩位數(shù)字是區(qū)別同一組不同的鋁合表示。后兩位數(shù)字是區(qū)別同一組不同的鋁合金。第二位字母表示原始合金的改型情況，

8、金。第二位字母表示原始合金的改型情況，A表示原始合表示原始合金；金；BY表示原始合金的改型合金。如表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合表示主要合金元素為銅的金元素為銅的6號原始鋁合金。號原始鋁合金。1、防銹鋁合金、防銹鋁合金 Al- Mn和和Al- Mg兩個合金系。用兩個合金系。用“3A” 或或“5A”加一加一組順序號表示。具有優(yōu)良的抗蝕性、焊接性和塑性。不能組順序號表示。具有優(yōu)良的抗蝕性、焊接性和塑性。不能進(jìn)行熱處理強化。適合于制作焊接管道、容器、鉚釘、各進(jìn)行熱處理強化。適合于制作焊接管道、容器、鉚釘、各種生活用具以及其它冷變形零件。種生活用具以及其它冷變形零件。2 2、硬鋁合金、硬

9、鋁合金 成分成分Al-Cu-Mg系合金。系合金。2A + 順序號表示順序號表示分類分類 低強度硬鋁，如低強度硬鋁，如2A01、2A10等合金；等合金； 中強度硬鋁，如中強度硬鋁，如2A11等合金；等合金； 高強度硬鋁，如高強度硬鋁，如2A12等合金等合金,2A12是使用最廣的高強度硬鋁合金是使用最廣的高強度硬鋁合金分類分類 時效處理后具有高硬度、強度，時效處理后具有高硬度、強度，優(yōu)良的加工性和耐熱性，但塑性、優(yōu)良的加工性和耐熱性，但塑性、韌性低，耐蝕性差。含韌性低，耐蝕性差。含Cu、Mg低，低，強度較低而塑性高；反之，強度高強度較低而塑性高；反之，強度高而塑性低。而塑性低。強化相強化相 （Cu

10、Al2）、）、金屬間化合物金屬間化合物S（CuMgAl2）是強化相，）是強化相，S相最高相最高要嚴(yán)格控制淬火溫度。要嚴(yán)格控制淬火溫度。 如：如： 牌號牌號 正常淬火溫度正常淬火溫度 過燒溫度過燒溫度 2A02 495505 510515 2A10 510520 540 2A12 495500 507轉(zhuǎn)移時間盡量短轉(zhuǎn)移時間盡量短 30，航空件，航空件 15；冷速要快，熱水淬；冷速要快，熱水淬；常用自然時效。常用自然時效。熱熱處處理理特特性性應(yīng)用應(yīng)用飛機大梁、空氣螺旋槳、鉚釘及蒙皮等飛機大梁、空氣螺旋槳、鉚釘及蒙皮等圖圖 鋁銅鎂三元合金垂直截面鋁銅鎂三元合金垂直截面 3 3、超硬鋁合金、超硬鋁合金

11、成分成分性能性能 Al-Zn-Cu-Mg系。系。7A + 順序號表示順序號表示 室溫強度最高，室溫強度最高，500700MPa，缺點，缺點是耐蝕性差，疲勞強度低，是耐蝕性差，疲勞強度低，120的的溫度下使用。溫度下使用。 強化相強化相:MgZn2 Al2Mg3Zn3特點特點應(yīng)用應(yīng)用 T淬淬范圍較寬，一般為范圍較寬，一般為450480，人工分級時效：先在人工分級時效：先在120時效時效3小時，小時，第二次在第二次在160時效時效3小時，形成小時，形成G.P.區(qū)區(qū)和少量的和少量的相，達(dá)到最大強化狀態(tài)。相，達(dá)到最大強化狀態(tài)。 應(yīng)用應(yīng)用：飛機工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料。：飛機工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料。4 4、鍛

12、鋁合金、鍛鋁合金成分成分性能性能 Al-Mg-Si-Cu系合金。用系合金。用6A或或2A加順序加順序號表示。常用的合金有號表示。常用的合金有6A02、2A14等等 具有優(yōu)良的鍛造性能，力學(xué)性能與硬鋁具有優(yōu)良的鍛造性能，力學(xué)性能與硬鋁相近，但熱塑性及耐蝕性較高相近，但熱塑性及耐蝕性較高特點特點應(yīng)用應(yīng)用 主要強化相是主要強化相是Mg2Si。Mg2Si具有自然具有自然時效傾向，淬火后應(yīng)立即時效傾向，淬火后應(yīng)立即人工人工時效。時效。 主要用做航空儀表中形狀復(fù)雜、強度要主要用做航空儀表中形狀復(fù)雜、強度要求高的鍛件。求高的鍛件。 8.3 鑄造鋁合金鑄造鋁合金 鑄造鋁合金應(yīng)具有高的流動性，較小的收縮鑄造鋁合

13、金應(yīng)具有高的流動性，較小的收縮 性等良好的鑄造性。共晶合金應(yīng)最佳，但容易有性等良好的鑄造性。共晶合金應(yīng)最佳，但容易有 大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，實際使用大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，實際使用 的鑄造合金并非都是共晶合金。的鑄造合金并非都是共晶合金。 鑄造鋁合金的牌號用鑄造鋁合金的牌號用ZL + ZL + 三位數(shù)字表示。三位數(shù)字表示。 第一位數(shù)字是合金系別：第一位數(shù)字是合金系別：1 1是是Al-SiAl-Si系合金；系合金；2 2是是 Al-CuAl-Cu系合金；系合金；3 3是是Al-MgAl-Mg系合金；系合金；4 4是是Al-ZnAl-Zn系合系合 金。第二、三位數(shù)字是合金的順

14、序號。例如金。第二、三位數(shù)字是合金的順序號。例如 ZL102ZL102表示表示2 2號號Al-SiAl-Si系鑄造合金。系鑄造合金。 1 1、 鋁硅系鑄造合金鋁硅系鑄造合金特特點點 流動性最好，比重輕，鑄造收縮率小流動性最好，比重輕，鑄造收縮率小; ;焊接性、耐蝕性焊接性、耐蝕性優(yōu)良優(yōu)良, ,致密度較小。致密度較小。 共晶組織中硅晶體呈粗針狀或片狀，共晶組織中硅晶體呈粗針狀或片狀，有少量有少量塊狀塊狀初生硅。常經(jīng)變質(zhì)處理初生硅。常經(jīng)變質(zhì)處理. . 塑性較低，需要細(xì)化組織。塑性較低，需要細(xì)化組織。應(yīng)應(yīng)用用 常用合金常用合金：ZL102 和和ZL104等等 . 制造致密度要求不高、形狀復(fù)雜鑄件。制

15、造致密度要求不高、形狀復(fù)雜鑄件。如如ZL105工作工作在在250的耐熱零件，的耐熱零件， ZL111形狀復(fù)雜的內(nèi)燃機汽缸等。形狀復(fù)雜的內(nèi)燃機汽缸等。.（a）未變質(zhì)處理）未變質(zhì)處理 250 （b）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理 100圖圖 ZL102 變質(zhì)處理前后的組織形貌變質(zhì)處理前后的組織形貌2 2、鋁銅鑄造合金、鋁銅鑄造合金 鋁銅鑄造合金的主要強化相是鋁銅鑄造合金的主要強化相是CuAl2。 最大特點就是耐熱性高，但耐蝕性差。最大特點就是耐熱性高，但耐蝕性差。 共有三種牌號：共有三種牌號：ZL201、ZL202、ZL203。Cu 熱強性熱強性脆性脆性 14%Cu ZL203 ,45%Cu 常用常用, 鑄造

16、性較差鑄造性較差 ZL202 ,911%Cu 鑄造性好鑄造性好,耐蝕性耐蝕性 3 3、鋁鎂鑄造合金、鋁鎂鑄造合金 特特點點 比重輕，強度和韌性較高，優(yōu)良的耐比重輕，強度和韌性較高，優(yōu)良的耐蝕性、切削性和拋光性。蝕性、切削性和拋光性。 熔點低熔點低熱強度較低，工作熱強度較低，工作T200 結(jié)晶溫度范圍較寬，故流動性差，形結(jié)晶溫度范圍較寬，故流動性差，形成疏松傾向大，其鑄造性較差。成疏松傾向大，其鑄造性較差。應(yīng)應(yīng)用用 ZL301、ZL302二種牌號。二種牌號。 制造承受沖擊振動載荷和耐海水或制造承受沖擊振動載荷和耐海水或大氣腐蝕、外形簡單的重要零件大氣腐蝕、外形簡單的重要零件4 4、鋁鋅鑄造合金、

17、鋁鋅鑄造合金 特特點點 鋅固溶強化，極限溶解度為鋅固溶強化，極限溶解度為31.6%，不形成金屬間化合物。固溶不形成金屬間化合物。固溶13%Zn，在，在冷卻時不發(fā)生分解，冷卻時不發(fā)生分解，固溶強化固溶強化。 強度強度較高，是最便宜的鑄造鋁合金。較高，是最便宜的鑄造鋁合金。其主要缺點是耐蝕性差其主要缺點是耐蝕性差。應(yīng)應(yīng)用用 常用常用ZL401。制作工作溫度在。制作工作溫度在200以下，形狀復(fù)雜的汽車及飛機零件、醫(yī)以下，形狀復(fù)雜的汽車及飛機零件、醫(yī)療機械和儀器零件。療機械和儀器零件。5 5、鑄造鋁合金的熱處理、鑄造鋁合金的熱處理 除除ZL102ZL102外，其它合金均能進(jìn)行熱處理強化。外，其它合金均

18、能進(jìn)行熱處理強化。熱熱處處理理特特點點 為為變形或過熱，最好在變形或過熱，最好在350以下以下 低溫入爐，隨爐緩慢加熱。低溫入爐，隨爐緩慢加熱。 T淬淬高一些，高一些，t保保長一些，長一些，1520小時小時 淬火介質(zhì)一般用淬火介質(zhì)一般用60100的水。的水。 如需時效，一般采用人工時效。如需時效，一般采用人工時效。 小小 結(jié)結(jié) 鋁合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋁合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 鋁合金熱處理為固溶處理和時效強化。鋁合金熱處理為固溶處理和時效強化。 鋁合金時效基本過程是強化相的析出過程。鋁合金時效基本過程是強化相的析出過程。各個階段的強化效果也不同。各個階段的強化效果也不同。 正確制定合金的固溶處理工藝，是保證獲得正確制定合金的固溶處理工藝，是保證獲得良好時效強化效果的前提。良好時效強化效果的前提。 Cu、Mg、 Zn、Si、MnLL+ + Al Me 工業(yè)純鋁工業(yè)純鋁：密度2.72。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗蝕性好，塑性高防銹鋁合金防銹鋁合金只能變形強化。Al-Mg、Al-Mn系。LF5合金化合金化 固溶強化固溶強化細(xì)化組織強化時效強化時效強化第二相強化基