第三章合金的时效
时效总结
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（Al2Mg3Zn3），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（ƒ）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，ƒ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。
铝合金时效实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在研究铝合金时效处理对材料性能的影响，通过对比不同时效条件下的硬度、强度和耐腐蚀性能，分析时效处理对铝合金性能的优化效果。
二、实验材料与方法1. 实验材料：选用某型号铝合金板材，尺寸为100mm×100mm×10mm。
2. 实验方法：- 时效处理：将铝合金板材分别进行以下时效处理：- 人工时效：将板材加热至180℃，保温2小时，自然冷却至室温；- 自然时效：将板材在室温下放置，自然时效30天；- 低温时效：将板材加热至-20℃，保温2小时，自然冷却至室温。
- 性能测试：- 硬度测试：采用维氏硬度计测试板材的维氏硬度；- 强度测试：采用万能试验机测试板材的拉伸强度和屈服强度；- 耐腐蚀性能测试：采用盐雾试验箱测试板材的耐腐蚀性能。
三、实验结果与分析1. 时效处理对硬度的影响：- 人工时效处理后的板材硬度最高，维氏硬度为300HV；- 自然时效处理后的板材硬度次之，维氏硬度为280HV；- 低温时效处理后的板材硬度最低，维氏硬度为260HV。
2. 时效处理对强度的影响：- 人工时效处理后的板材拉伸强度最高，达到400MPa；- 自然时效处理后的板材拉伸强度次之，达到380MPa；- 低温时效处理后的板材拉伸强度最低，达到360MPa。
3. 时效处理对耐腐蚀性能的影响：- 人工时效处理后的板材耐腐蚀性能最佳，盐雾试验后无腐蚀现象；- 自然时效处理后的板材耐腐蚀性能次之，盐雾试验后出现轻微腐蚀；- 低温时效处理后的板材耐腐蚀性能最差，盐雾试验后出现严重腐蚀。
四、实验结论1. 时效处理对铝合金的硬度、强度和耐腐蚀性能均有显著影响。
2. 人工时效处理能够有效提高铝合金的硬度、强度和耐腐蚀性能；3. 自然时效处理对铝合金的性能提升效果较好，但不如人工时效处理；4. 低温时效处理对铝合金的性能提升效果较差，且耐腐蚀性能最差。
五、实验建议1. 在实际生产中，应根据铝合金的使用要求选择合适的时效处理方法；2. 对于要求高硬度和强度的铝合金制品，建议采用人工时效处理；3. 对于要求良好耐腐蚀性能的铝合金制品，建议采用自然时效处理；4. 对于要求兼顾性能和成本的铝合金制品，建议采用低温时效处理。
第三章 热电性能分析
四，组织转变
1) 同素异构转变：见Fe-Pt热电偶的热电势
30 20 10 e (μV/K) A2 A3
A4
0
400
800
热电偶材料在USA每年消耗几百吨。
温差电堆：
T1
T2
• 半导体温差发电 特点： 体积小， 轻，简单，安静，可利用多种热源 应用广：心脏起博器，石油井台，航海灯塔， 无人岛屿观测站，航空飞行器等。 高灵敏度测温。足以探测微弱的温差，红外辐 射。 • 逆效应：制冷机
ε12
1. 接触电位差
V12=(V2-V1)+(kT/e)ln(n1/n2), 其中，V1和V2是金属12的 逸出电位(逸出功) 。
测量微小热电势装置的示意图
ΔT
ΔE
恒温槽
热电性分析的应用
一，铝合金的时效 试样：Al88Mg4Zn8;淬火态得到过饱和的固溶体组织。
不同温度时效30分钟。
热电偶：时效态试样G1+该合金经275度完全退火态G2。 50度以下冷时效：Mg和Zn发生偏聚，形成G.P.区。 50~275度温时效：析出Al2Mg2Zn3相，固溶体正常分解。 300度时效：多余的析出相重新回溶，合金元素增多导
塑性形变的影响
加工硬化使热电势值增大；加工硬化的铁与退火态 的铁成偶，前者为负，后者为正。 队固溶体合金进行冷形变，由于形变直接或间接引 起脱溶，析出或马氏体转变时，将导致合金热电势 发生相应变化。
钢的含碳量及热处理的影响
压力的影响:
• 如测量100度温差的铜-康铜热电偶，在压力从零升到 1。2×109Pa的过程中，0~100度范围内热电势的平均 变化率为：3 ×10-10PμV· ˚C-1· Pa-1 • 压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化，提 高了费米面，改变了能带结构，从而影响扩散热电势。 其次，高压改变了声速，声子极化以及电子-声子的 交互作用，从而影响热电势。这些因素只在高压下需 要考虑，一般情况可以忽略。
合金时效的作用
合金时效的作用《合金时效的作用》嘿，朋友们！想象一下，你正在一个热火朝天的工厂车间里，各种机器轰鸣声不绝于耳，工人们都在忙碌地操作着。
而在这其中，有一群特殊的材料正在经历着一场神奇的变化，那就是合金。
咱就说这合金啊，可真是个了不起的玩意儿。
它就像是一个团队，各种不同的金属元素聚集在一起，各展所长，共同创造出比单一金属更强大的性能。
而合金时效，就是让这个团队变得更加强大的秘密武器。
比如说，有一块铝合金，一开始它可能普普通通，没什么特别之处。
但是，经过了时效处理这个神奇的过程，它就像是被施了魔法一样，变得坚硬无比，仿佛穿上了一层坚不可摧的铠甲。
时效处理就像是给合金来了一场特训。
在这个过程中，合金内部的原子们开始重新排列组合，形成一种更加稳定、更加坚固的结构。
这就好比是一群士兵，经过严格的训练和磨合，变得更加团结、更有战斗力。
你看啊，在我们的日常生活中，很多地方都用到了经过时效处理的合金。
就拿汽车来说吧，那些汽车的零部件可都需要高强度和耐用性。
如果没有合金时效的作用，那些零件可能用不了多久就会损坏，那可就麻烦大了。
再想想飞机，那么大的家伙在天空中翱翔，承受着巨大的压力和摩擦力。
要是没有经过时效处理的合金来支撑，那后果简直不堪设想。
合金时效的作用可不仅仅是让材料变得更硬更强哦，它还能改善合金的其他性能呢。
就像一个全能选手，不仅力量强大，速度、耐力等方面也都很出色。
而且啊，时效处理的过程也挺有趣的。
就好像是一场精心策划的化学反应，各种元素在特定的条件下相互作用，最终产生出令人惊叹的效果。
有人可能会问了，那合金时效是不是很难呢？其实也没那么复杂啦。
科学家们和工程师们就像是一群聪明的魔法师，他们知道怎么去控制这个过程，让合金发挥出最大的潜力。
所以啊，可别小看了这合金时效。
它就像是一个默默无闻的英雄，在我们看不见的地方发挥着巨大的作用，让我们的生活变得更加安全、更加便捷。
总之，合金时效就是这么神奇，这么重要。
它让合金变得更加出色，为我们的现代生活提供了坚实的材料基础。
合金的脱溶沉淀与时效
合金的调幅分解
合金的调幅分解
合金的调幅分解
以
合金的调幅分解
以
脱溶过程和脱溶物的结构
由于G.P.区与母相保持共格，故其界面能较小， 由于G.P.区与母相保持共格，故其界面能较小，而弹性 G.P.区与母相保持共格 应变能较大，因此，G.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半径 应变能较大，因此，G.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半径 差有关。 差有关。 根据计算，当析出物体积一定时， 根据计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应变能 按球状→针状→圆盘状的顺序依次减小。 按球状→针状→圆盘状的顺序依次减小。 一般认为，当溶质与溶剂的原子半径差小于3％时析出物 一般认为，当溶质与溶剂的原子半径差小于3 呈球状，当原子半径差大于5 时析出物呈圆盘状。 呈球状，当原子半径差大于5％时析出物呈圆盘状。
脱溶后的显微组织
2、非连续脱溶（胞状脱溶） 非连续脱溶（胞状脱溶） 因其脱溶物中的a相和母相a 因其脱溶物中的a相和母相a之间的溶质浓度不连续而称为非连 续脱溶。 续脱溶。
脱溶过程和脱溶物的结构
胞状组织和珠光体组织的区别在于： 胞状组织和珠光体组织的区别在于：由共析转变形成的珠光体中 两相（ 两相（γ＝α+Fe3C)与母相在结构和成分上完全不同，而由非连 +Fe3C)与母相在结构和成分上完全不同， 与母相在结构和成分上完全不同 续脱溶所形成的胞状物的两相（ 续脱溶所形成的胞状物的两相（α0＝α1+β）中必有一相的结 1+β 构与母相相同，只是其溶质原子浓度不同而已。 构与母相相同，只是其溶质原子浓度不同而已。
脱溶热力学与动力学
合金在脱溶时的动力也是新相与母相的自由能差， 合金在脱溶时的动力也是新相与母相的自由能差，阻力是新相的 界面能和应变能。 界面能和应变能。
第三章 合金的时效
（五） θ相的结构与形成 一般认为，θ相是由θ′长大而成。随着θ′ 相的长大，θ′相周围的α相中的应力、应变和弹性应 变能越来越大，θ′相就越来越不稳定。当θ′相长大 到一定尺寸时， θ′相与α相完全脱离，而以完全独 立 的 平 衡 相 -θ 相 出 现 。 θ 相 也 具 有 正 方 点 阵 ， a=6.066Å，c=4.874Å。θ相与基体相之间为非共格关 系。 G.P.区的形成是凭借浓度起伏的均匀成核，过 渡相与平衡相的形成可以有两种情况：一是以G.P.区为 基础逐渐演变为过渡相以至于平衡相，Al-Cu合金属于 此类，二是通过非均匀形核长大方式。
Al-4Cu合金时效硬化曲线
时效过程的基本规律： 先由固溶处理获得双重过饱和的空位和固溶体； 时效初期，由于空位的作用，使溶质原子以极大的速 度进行重聚形成G.P.区；随着提高时效温度和增加时 效时间，G.P.区转变为过渡相，最后形成稳定相。此 外，在晶体内的某些缺陷地带也会直接由过饱和固溶 体形成过渡相或稳定相。
θ″ 相 和 基 体 仍保持完全共格的 关 系 。 随 着 的 θ″ 相 成 长 ， 在 θ″ 相 周围的基体相中不 断 产生 应力 和应变。 如 图 示 出 θ″ 相 周 围基体相的应变。
（四） θ′相的结构与形成 θ′相也具有正方点阵，成分相当于CuAl2。是 通过形核长大方式形成的。与θ″相不同，θ′相是不 均形核，通常是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保 持部分共格联系。
时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度 或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化， 也可称为沉淀硬化或沉淀强化。 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金 或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 时效处理如采用室温下放臵的方法进行，则称为自 然时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则 称为人工时效。
第3章 合金的时效
Cu 原 子 边 缘 点 阵 发 生 畸 变 ， 产生应力场，时效硬化
➢在过饱和固溶体初期形成，形成速度快，均匀分布
➢晶体结构与母相（过饱和固溶体）相同，与母相保持第一 类共格关系 界面能小而弹性应变能大
➢在热力学上是亚稳定的
6
3.1 脱溶沉淀过程
G.P.区的特点 ➢当析出物体积一定时，其弹性应变能按
球状（等轴状） 针状 圆盘状（薄片状） 的顺序依次减小，及球状脱溶相的界面能最小，圆盘状的 应变能最小。
7
பைடு நூலகம்
3.1 脱溶沉淀过程
θ’’区的形成（G.P.2区）
溶质原子与溶剂原子发生规则排列
θ’’区的特点
➢仍为薄片状，正方结构（与母相相同） ➢晶体结构与母相保持完全共格关系 ➢在热力学上是亚稳定的 ➢为了保持与母相共格，产生更大的弹性畸变能，使硬度提 高（合金达到最大强化阶段）
8
3.1 脱溶沉淀过程
θ’区的形成
形成与平衡相成分相同，但与母相部分共格过渡相
θ’区的特点
➢不均匀形核 ➢仍为薄片状 ➢成分与CuAl2相当 ➢晶体结构与母相保持部分共格关系 ➢在热力学上是亚稳定的 ➢对位错运动的阻碍减小，合金的硬 度开始降低
9
3.1 脱溶沉淀过程
θ区的形成
当θ’区长大到一定程度， θ’与α完全脱离，形成平衡相
强度：250N/mm2
放置后： 强度：>400N/mm2
固溶处理＋时效
T℃
L
α
5.49
α+ θ
Al wCu/%
从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子 偏聚区及亚稳定过渡相的过程—脱溶
5
3.1 脱溶沉淀过程
扩散型相变——合金的脱溶沉淀与时效
其他时效硬化型合金也与Al-Cu 合金一样，出现中间亚稳的过渡相， 但不肯定都有上述几个阶段。下表 列出了几种时效硬化型合金的析出 系列。
过饱和置换固溶体→偏聚区→ 亚稳相〔共格〕→稳定相〔非共格〕
2 脱溶热力学和动力学
2.2．脱溶动力学及其影响因素
1〕等温脱溶曲线 脱溶驱动力是化学自由能差，脱
(100)θ′∥(100)α；001]θ′∥001]α
θ′相与θ″相的区别 θ′相与基体α相保持局部共格关系， 而θ″相与α相则保持完全共格关系，
这是两者的主要区别之一。
1.3平衡相的形成及其结构 随着θ′相的成长，其周围应力和
应变不断增大，弹性应变能越来越 大，肯定尺寸后共格最终破坏与α相 完全脱离，成为独立的平衡相θ。θ 相也为正方点阵，点阵常数为a＝b ＝6.066，c＝4.874。呈块状。
位错线绕过析出相示意图
绕过机制的切应力τ为：
2G/bL
L愈小，则τ愈大。析出相颗粒的 聚集长大，颗粒间距L增大，硬度 和强度下降，这就是所谓过时效。
时效硬化曲线解释如下：
1) 时效初期，G.P.区与母相保持共格关系， 具有内应变加强效应，再加上切过加强效应 而使硬度显著升高。随着时效时间的延长， G.P.区数量增多，硬度也不断升高。当G.P. 区数量到达某一平衡值时硬度不再增加，出 现一个平台。
温时效：在较高温度下发生的时 效，硬度变化规律是：开始有一个 停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称 为孕育期，一般认为这是脱溶相形 核打算阶段，接着硬度迅速上升， 到达一极大值后又随时间延长而下 降。
温时效过程中将析出过渡相和平衡 相。温时效的温度越高，硬度上升 就越快，达最大值的时间就越短， 但所能到达的最大硬度反而就越低。
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铝合金的热处理
可热处理强化变形铝合金的热
处理方法：固溶处理 + 时效。
固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后 获得过饱和的单相固溶体组织的处理。
4）时效后期，过渡相θ′完全从母相α中脱 溶，形成平衡相θ，使合金的强度、硬度进一步 降低，即所谓“过时效”。
Al—4%Cu合金时效的基本过程可以概括为： 合金淬火→过饱和α固溶体→形成铜原子富集区 （GP[Ⅰ]区）→铜原子富集区有序化（GP[Ⅱ]区） →形成过渡相θ′→析出平衡相θ（CuAl2）+平衡的 α固溶体。
时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保 温，以析出弥散强化相的热处理。 固溶热处理 (solution treatment)→淬火 (quench)→時效处理(aging treatment)
在室温下进行的时效称自然时效（natural aging）； 在加热条件下进行的时效称人工时效（artificial aging ）
1）时效初期 铜原子偏聚于α固溶体的 {100}晶面上，形成铜原子富集区，称为GP[Ⅰ] 区。
2）随着时间的延长或温度的提高，在GP[1] 区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP[Ⅱ]。 GP[Ⅱ]区可视为中间过渡相，常用θ″表示，使 合金得到进一步强化。
3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在 GP [Ⅱ]区继续偏聚，形成过渡相θ′，α晶格 畸变减轻，合金的硬度开始下降。
时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或 简称为时效合金。
成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。
时效处理如采用室温下放置的方法进行，则称为自然 时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则称 为人工时效。
3.1析出过程的热力学
成核与长大型析出又可分为两个小类：一是析出物 的晶体结构与母相的相同，而析出物的成分则与母相的不 同；二是析出物和母相不但在晶体结构上，而且在成分上 都不相同。
提高, 经4～5天后 σb可达400MPa。
一般而言，在固溶体 析出情况中，临界晶核尺 寸和临界晶核形成功也是 随着体积自由能差值的增 加而减小的。在时效温度 相等的条件下，随着溶质 元素含量的增加，即随着 固溶体过饱和度的增加， 析出物的临界尺寸是减小 的，在溶质元素含量相等 的情况下，随着时效温度 的降低，临界晶核尺寸是 减小的，这是因为固溶体 过饱和度增加的缘固。
第三章 合金的时效
聊城大学材料学院
由A、B两组元组成的合金，B在A中的固溶度是有限 的，并且随温度的降低而减小。如图示。
固溶处理：如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的某 一温度并保持足够长的时间，使溶质元素（元素B）充分 溶入固溶体（α相）中，然后予以快速冷却，以抑制这些 元素重新析出，致使室温下获得一个过饱和固溶体，这种 热处理称为固溶处理或固溶淬火。
时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时 效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低。
4%Cu的Al-Cu合金，加热到550℃并保温一段
时间后, 在水中快冷时, θ相(CuAl2)来不及析
出, 合金获得过饱和的 α 固溶体组织, 其强度
为σb＝250MPa。
若在室温下放置, 随着时间的延续, 强度将逐渐
时效强化效果与加热温度和保温时间有关。
温度一定时,随时效时间延长, 时效曲线上出现峰值,超 过峰值时间,析出相聚集长大, 强度下降,为过时效。
随时效温度提高，峰值强
度下降，出现峰值的时间
提前。
含4%Cu铝合 金的时效曲线
铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有 关。以Al—4%Cu合金为例。该合金在室温时的平衡组 织为α+CuAl2（CuAl2即为平衡相θ），加热到固相线 以上，第二相CuAl2完全溶入α固溶体中，淬火后获得 在铝中的过饱和固溶体，有自发分解的倾向。当给予 一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四个 阶段：
概述
过饱和固溶体、溶解度 固溶处理 时效：过饱和固溶体在室温或较高温度保留 一段时间，有第二相从基体中析出的过程。
一、脱溶沉淀过程
脱溶沉淀过程受溶质扩散控制，在沉淀过程 中可能形成一系列介稳定相（过渡相）。
固态相变
Al-Cu合金 室温平衡组织为：＋（Al2Cu） ＋的实际过程要经过形成三个中间 相来完成，在较低的温度下时效的脱溶沉 淀顺序为：
析出：指某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或将它 加热到一定温度，溶质原子会在固溶体点阵中的一定区域 内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀
时效：适当温度，在析出过程中，合金的机械性能、 物理性能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效， 本质是从过饱和固溶体析出弥散相。
时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度或 强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化，也 可称为沉淀硬化或沉淀强化。
时效过程中，最大强化效果是在″析出阶 段，当′大量形成时，硬度开始下降，称 为过时效。
a0 a1 GP区 a2 " a3 ' a4
固态相变
(1)GP区 GP区是溶质原子(Cu)偏聚区，在{100}面上 偏聚。此区内晶体结构与基体相同并与基体 共格，无明显界面。 GP区是1938年Guinier和Preston各自独立 用X射线衍射发现的，故称GP区。
(2) ″相
随着时效时间的延长，将形成介稳相″,成 分接近于Al2Cu,正方点阵。 ″可能是GP区 溶解再析出形成，亦可由GP区转化。呈盘 状，与母相有一定取向关系。这种盘状共格 沉淀物在基体内产生较大弹性应变，可使合 金明显强化。
固态相变
(3)′相
随着时效温度的升高和时间的延长，将析出 介稳相′。成分近似Al2Cu，正方点阵,但轴 比c/a相对于″下降，与基体的界面为半共 ，格关系。
(4)相
经更高温度或更长时间的时效,将析出平衡相 ,成分为Al2Cu，正方点阵，轴比c/a相对于 ′又下降。与基体非共格，界面能较高。
固态相变