第三章合金的时效

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。
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。
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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。
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。
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。
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：
第三章 合金的时效
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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。
对时效合金而言，析出物和母相的晶体结构和成分 都不相同的系列的合金更有意义，由于析出物和母相的晶 体结构和成分都不相同，所以在析出时所产生的时效现象 一般是较为显著的。
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。
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：
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
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。
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。