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鋁合金固熔時校爐熱處理原理

鋁合金固熔時校爐鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時間并以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強耐腐蝕性能，改善加工型能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。 
  鋁合金熱處理特點 
  眾所周知，對于含碳量較高的鋼，經(jīng)淬火后立即獲得很高的硬度，而塑性則很低。然而對鋁合金并不然，鋁合金剛淬火后，強度與硬度并不立即升高，至于塑性非但沒有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時間（如4～6晝夜后），強度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時間增長而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效。時效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100～200℃）內(nèi)發(fā)生，稱人工時效。 
鋁合金固熔時校爐時效強化原理 
  鋁合金的時效硬化是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，它不僅決定于合金的組成、時效工藝，還取決于合金在生產(chǎn)過程中縮造成的缺陷，特別是空位、位錯的數(shù)量和分布等。目前普遍認(rèn)為時效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。 
  鋁合金在淬火加熱時，合金中形成了空位，在淬火時，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被“固定”在晶體內(nèi)。這些在過飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)原子結(jié)合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。 
  硬化區(qū)的大小和數(shù)量取決于淬火溫度與淬火冷卻速度。淬火溫度越高，空位濃度越大，硬化區(qū)的數(shù)量也就越多，硬化區(qū)的尺寸減小。淬火冷卻速度越大，固溶體內(nèi)所固定的空位越多，有利于增加硬化區(qū)的數(shù)量，減小硬化區(qū)的尺寸。 
  沉淀硬化合金系的一個基本特征是隨溫度而變化的平衡固溶度，即隨溫度增加固溶度增加，大多數(shù)可熱處理強化的的鋁合金都符合這一條件。沉淀硬化所要求的溶解度－溫度關(guān)系，可用鋁銅系的Al－4Cu合金說明合金時效的組成和結(jié)構(gòu)的變化。圖3－1鋁銅系富鋁部分的二元相圖，在548℃進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變L→α＋θ（Al2Cu）。銅在α相中的極限溶解度5.65％（548℃），隨著溫度的下降，固溶度急劇減小，室溫下約為0.05％。 
  在時效熱處理過程中，該合金組織有以下幾個變化過程： 
  形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)－G·P（Ⅰ）區(qū) 
  在新淬火狀態(tài)的過飽和固溶體中，銅原子在鋁晶格中的分布是任意的、無序的。時效初期，即時效溫度低或時效時間短時，銅原子在鋁基體上的某些晶面上聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，稱G·P（Ⅰ）區(qū)。G·P（Ⅰ）區(qū)與基體α保持共格關(guān)系，這些聚合體構(gòu)成了提高抗變形的共格應(yīng)變區(qū)，故使合金的強度、硬度升高。 
  G·P區(qū)有序化－形成G·P（Ⅱ）區(qū) 
隨著時效溫度升高或時效時間延長，銅原子繼續(xù)偏聚并發(fā)生有序化，即形成G·P（Ⅱ）區(qū)。它與基體α仍保持共格關(guān)系，但尺寸較G·P（Ⅰ）區(qū)大。它可視為中間過渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）區(qū)周圍的畸變更大，對位錯運動的阻礙進(jìn)一步增大，因此時效強化作用更大，θ”相析出階段為合金達(dá)到最大強化的階段。 
  形成過渡相θ′ 
  隨著時效過程的進(jìn)一步發(fā)展，銅原子在G·P（Ⅱ）區(qū)繼續(xù)偏聚，當(dāng)銅原子與鋁原子比為1：2時，形成過渡相θ′。由于θ′的點陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時與基體共格關(guān)系開始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺�，因此θ′相周圍基體的共格畸變減弱，對位錯運動的阻礙作用亦減小，表現(xiàn)在合金性能上硬度開始下降。由此可見，共格畸變的存在是造成合金時效強化的重要因素。 
   形成穩(wěn)定的θ相 
   過渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯界面的獨立的穩(wěn)定相Al2Cu，稱為θ相此時θ相與基體的共格關(guān)系完全破壞，并有自己獨立的晶格，其畸變也隨之消失，并隨時效溫度的提高或時間的延長，θ相的質(zhì)點聚集長大，合金的強度、硬度進(jìn)一步下降，合金就軟化并稱為“過時效”。θ相聚集長大而變得粗大。 
   鋁－銅二元合金的時效原理及其一般規(guī)律對于其他工業(yè)鋁合金也適用。但合金的種類不同，形成的G·P區(qū)、過渡相以及最后析出的穩(wěn)定性各不相同，時效強化效果也不一樣。幾種常見鋁合金系的時效過程及其析出的穩(wěn)定相列于表3－1。從表中可以看到，不同合金系時效過程亦不完全都經(jīng)歷了上述四個階段，有的合金不經(jīng)過G·P（Ⅱ）區(qū)，直接形成過渡相。就是同一合金因時效的溫度和時間不同，亦不完全依次經(jīng)歷時效全過程，例如有的合金在自然時效時只進(jìn)行到G·P（Ⅰ）區(qū)至G·P（Ⅱ）區(qū)即告終了。在人工時效，若時效溫度過高，則可以不經(jīng)過G·P區(qū)，而直接從過飽和固溶體中析出過渡相，合計時效進(jìn)行的程度，直接關(guān)系到時效后合金的結(jié)構(gòu)和性能。