(哈工大)有色金属热处理工艺学权威课件-1-2-3全

有色金属的热处理-有色金属的基本介绍黑色金属有色金属钢铁材料。非铁金属。有色金属的分类：有色轻金属：密度小于4.5g/cm3的金属材料（铝、镁、锂等）；有色重金属：密度大于4.5g/cm3的金属材料（铜、镍、铅、锡等）；稀有金属：地壳含量稀少的金属（锆、钨、钼、铌、钽等）；贵金属：（金、银、铂族金属）有色金属和合金的性能，取决于成分、组织、加工过程、热处理过程。有色金属的强化途径有色金属的强化途径：冷变形强化；固溶强化；沉淀强化；过剩相强化；细化组织强化；纤维增强复合强化。有色金属的强化途径冷变形强化冷变形也称作冷作硬化。金属材料在再结晶温度以下的变形称为冷变形。冷变形后材料即被强化，强化程度随变形程度、变形温度及材料本身性质有关。同种材料在同一温度下冷变形时，变形程度越大则强度越高，但延伸率降低。图Cu-Zn合金压下量与力学性能的关系图几种有色金属屈服强度与压下量的关系有色金属的强化途径冷变形强化冷变形强化是金属材料常用的强化方式之一，适用于工业纯材，固溶体型合金及热处理不强化的多相合金。某些合金冷变形时能形成较好的织构而在一定方向上强化，称为织构强化。金属材料发生冷变形强化的原因是：冷变形时金属内部位错密度增大，而且位错互相缠结，形成胞状结构，阻碍位错运动，使不能移动的位错数量剧增，以致需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。变形程度越大，上述情况越严重，则材料的变形抗力越大，强度越高。有色金属的强化途径固溶强化

合金元素固溶到基体金属中形成固溶体时，合金的强度、硬度一般都会得到提高，称为固溶强化。可贵的是，对合金进行固溶强化时，强度、硬度得到提高的同时，塑性还能保持在良好的水平上。合金元素溶入基体金属之后，使机体金属中的位错密度增加，同时晶格发生畸变。畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金元素聚集到位错附近，形成“气团”，位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起移动，或从气团中挣脱出来，因此需要更大的切应力。合金元素对基体金属的强化效果主要取决于合金元素原子与基体金属原子的尺寸差别。一般原子尺寸差别越大，对置换固溶体的强化效果可能越大。有色金属的强化途径固溶强化

采用固溶强化合金时，应挑选强化效果高的合金元素。但更重要的是选择在基体金属中固溶度大的合金元素，因为固溶体强化效果随被固溶的元素百分含量增大而增加。例如：Cu，Mg是Al合金的主要合金元素；

Al，Zn是Mg合金的主要合金元素；

Zn，Al，Sn是Cu合金的主要合金元素。进行固溶强化时，往往采用多元少量的复杂合金化原则（即多种合金元素同时加入，但每种元素加入量少），使固溶体的成分复杂化，这样可以使固溶体的强化效果更高，并能保持到较高的温度。有色金属的强化途径沉淀强化

在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低温度加热（时效），过饱和固溶体发生分解，析出弥散相，引起合金的强化，称为沉淀强化。通过这种强化方法，合金的强度可以提高百分之几十至几倍。沉淀强化是Al，Mg，Cu等有色金属材料常用的有效强化手段。沉淀强化的效果取决于合金的成分、淬火后固溶体过饱和度、强化相特性、分布以及弥散度等因素。强化效果最好的合金位于极限溶解度成分及其附近的成分范围。图二元系相图d为B在A中的极限固溶度t为成分为d的合金的最佳淬火温度有色金属的强化途径沉淀强化

试验证明，过饱和固溶体的分解要经过一个过程，一般对大多数合金来说，开始是溶质元素扩散、偏聚、形成无数溶质元素富集的亚显微区域，成为G.P.区；随时效时间的延长，或时效温度的升高，G.P.区长大为过渡相（具有一种中间过渡的与母相共格的晶体结构），而后才形成析出相（具有独立的非共格晶体结构）。将金属氧化物或难熔化合物的超细粉末与基体金属的粉末混合烧结，也可以得到弥散强化材料。这种材料在基体金属上分布着高温下很稳定的弥散难熔质点，耐热性能很好。有色金属的强化途径沉淀强化

图Al-Mg二元相图图纯镁图Mg-1%Al图Mg-3%Al图Mg-6%Al图Mg-6%Al有色金属的强化途径过剩相强化

过量的合金元素加入到基体金属中，一部分溶入固溶体，超过极限溶解度的部分则不能溶入，形成过剩第二相，简称过剩相。过剩相对合金一般都有强化作用，其强化效果与过剩相本身性能有关，过剩相的强度、硬度越高，强化效果越大。但硬脆过剩相含量超过一定限度后，合金变脆，性能反而降低。此外，还与过剩相的形态、大小、数量和分布有关。等轴、细小和均匀分布时的强化效果最好。粗大、沿晶界分布或呈针状时合金变脆，强度也不高。另外，还与过剩相与基体之间的界面强度有关。将金属氧化物或难熔化合物的超细粉末与基体金属的粉末混合烧结，也可以得到弥散强化材料。这种材料在基体金属上分布着高温下很稳定的弥散难熔质点，耐热性能很好。有色金属的强化途径过剩相强化

过剩相强化在有色金属合金中应用广泛，几乎所有在退火状态使用的两相合金都应用了过剩相强化，或者是固溶强化与过剩相强化的联合应用。

过剩相强化与沉淀强化有相似之处。区别在于，沉淀强化时，强化相极为细小，弥散度大，在光学显微镜下观察不到；而在过剩相强化合金时，强化相粗大，用光学显微镜低倍既能看到。有色金属的强化途径过剩相强化图Mg-Si二元相图图Mg-0.5%Si图Mg-1%Si图Mg-1%Si图Mg-3%Si图Mg-3%Si有色金属的强化途径组织细化强化

组织细化，对单相合金说是指晶粒细化，对多相合金说是指基体相晶粒的细化及过剩相的细化。细化组织可以提高材料在室温下的强度和塑性，是金属材料常用的强韧化方法之一。晶界上原子排列错乱，杂质富集，并有大量位错等缺陷，而且晶界两侧的晶粒位向不同，这些都阻碍位错从一个晶粒向另一个晶粒运动。晶粒越细小，单位体积内界面面积越大，对位错运动的阻力也越大，合金的强度越高。在熔炼浇注合金时，采用避免金属溶液过热、搅动、降低浇注温度、增大冷却速度等措施，有利于获得细晶粒铸件。对于变形合金的组织细化，一般可采用变形及再结晶方法。有色金属的强化途径组织细化强化

铸造合金的组织细化可采用变质处理，即浇注前在合金溶液中加入被称为变质剂的元素或化合物，使金属溶液的结晶过程受到影响，结晶为细密组织。（1）加入适当难熔质点作为非自发晶核。晶核数目大量增加，结晶晶粒细小；（2）在金属熔液中加入微量、易熔表面活性物质，吸附在所形成的微小晶体表面，把晶体与熔液隔开，阻碍晶体长大。（3）加入微量的、对初生晶体有化学作用从而改变其结晶性能的物质，可以使初生晶体的形状改变。变质处理方法，不仅能细化初生晶粒，也能细化共晶体和粗大过剩相，或改变它们的形状。有色金属的强化途径纤维增强复合强化

用高强度纤维同适当基体材料相结合，以强化基体材料的方法，称为纤维增强复合材料。增强纤维有碳纤维、难熔化合物纤维（Al2O3，SiC，BN，TiB2等）和难熔金属纤维（钨、钼等）。金属基体材料主要有铝、钛、镍、镁等。金属基复合材料的强化机理与固溶强化、弥散强化等不同。主要不是靠阻碍位错运动，而是靠纤维与基体之间良好的结合强度。由于基体材料的良好塑性和韧性，纤维高的强度，使整个材料具有很高的抗拉强度以及优异的韧性。有色金属的热处理热处理在金属材料及其制品的生产过程中的主要作用：改善工艺性能，保证下一道工序的顺利进行。例如均匀化退火可以改善热加工性能，中间退火可以改善冷加工性能；提高使用性能，充分发挥材料的潜力。例如航空工业中广泛应用的

LY12硬铝，经过淬火和时效处理后，抗拉强度可以从196MPa提高至

392-490MPa；热处理过程：加热---保温---降温冷却。有色金属的热处理有色金属及其合金最常用的热处理方法：退火；固溶处理（淬火）；时效；变形热处理；化学热处理退火

在金属材料的半成品或者制成品中常常存在有残余应力、成分不均匀、组织不稳定等缺陷，严重影响合金的工艺性能和使用性能，例如塑性低、耐蚀性差、力学性能差等。要消除或者减少这些缺陷，则需要进行退火。

退火：加热到适当温度-----保温一定时间-----缓慢速度冷却。去应力退火；再结晶退火；均匀化退火；退火退火图去应力退火、再结晶退火和均匀化退火规范示意图去应力退火去应力退火：铸件、焊接件、切削加工件、塑性变形件的内部往往存在很大的残余应力，使合金的应力腐蚀倾向大大增加，组织及力学性能稳定性显著降低。因此，必须进行退火。去应力退火是把合金加热到一个较低温度（低于材料再结晶开始温度），保持一定时间，以缓慢的速度冷却的热处理工艺。冷却速度视合金能否热处理强化而定，对可热处理强化的合金要缓慢冷却。在去应力退火的温度范围内保温，原子活动能力增加，消除或减少某些晶格中的缺陷（例：同一滑移系中异号为错相互抵消、空位及原子扩散的相互抵消等）。从而使晶格弹性畸变能下降，保证合金制品的尺寸稳定，应力腐蚀倾向下降，但合金强度和硬度基本不下降。去应力退火质量的主要因素是加热温度：过高，则工件强度和硬度大幅降低；过低，则需要长时间加热才能充分消除内应力，影响生产效率。再结晶退火再结晶退火：把工件加热到再结晶温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却的工艺。

再结晶退火的目的：细化晶粒，充分消除内应力，降低合金的强度和硬度，提高塑性。再结晶过程是一个形核和晶核长大（聚集再结晶）的过程。为了获得细小的晶粒组织，必须正确控制加热温度、保温时间和冷却速度三个因素。对同一合金而言，加热温度越高，保温时间就要越短。否则将很快进入再结晶晶核长大阶段；加热温度越低，保温时间就要越长。否则再结晶过程不充分，达不到再结晶退火的目的。

根据现有工业有色金属合金再结晶退火温度统计表明，最佳再结晶退火温度为：0.7-0.8Tm（Tm为合金熔点的绝对温度）。再结晶退火

金属在冷变形后加热，开始再结晶的最低温度称为再结晶起始温度。一般所说的再结晶温度是指冷变形70%以上，在一小时保温时间之内能完全再结晶的最低温度。

影响再结晶温度的主要因素：变形程度：变形程度越大，再结晶温度越低；成分：材料成分越纯，再结晶温度越低。合金元素扩散系数越小，固溶体成分越复杂，再结晶温度可能越高；第二相质点性质：合金为两相混合物时，对于不承受塑性变形的硬质点，当其尺寸大，间距大时，将加速基体相的再结晶。对于能同基体一起塑性变形的第二相质点，对基体相的再结晶不起促进作用。

再结晶退火

再结晶退火的冷却速度：在加热或者冷却过程中有溶解和析出相变，因而有热处理强化效果的合金进行再结晶退火时，冷却速度关系很大。这类合金在加热及保温过程中，强化相将溶入固溶体，并在冷却时又从固溶体中析出。若冷却速度很慢，强化相能从固溶体中充分析出，并长大为颗粒状，则合金的强度、硬度降低，塑性增大；若冷却速度快则获得过饱和固溶体；冷速稍慢，但不够慢，则强化相只能称弥散状态析出，来不及聚集粗化，此时合金的硬度将仍然很高，特别是热处理强化效果大的合金更是如此。因此对热处理强化效果大的合金进行再结晶软化退火时，必须以很慢的速度冷却，例如超硬铝软化退火时须以每小时30°C的冷速冷至150-200°C，然后才能空冷。

再结晶退火后合金的强度、硬度降低，塑性变形能力显著提高。因此在材料冷变形加工过程中，当加工硬化使变形难以继续进行时，常对材料进行再结晶退火，使其软化，这种便于继续变形加工的退火称为中间退火。再结晶退火图加热温度对冷塑性变形金属的性能和组织的影响均匀化退火

浇注铸件和铸锭时，由于冷速过快，会使结晶在不平衡状态下进行。常常出现偏析、不平衡共晶体、第二相晶粒粗大以及硬脆相沿晶界分布等缺陷，使合金的强度、硬度及抗腐蚀性严重降低。为消除此类缺陷，必须进行均匀化退火。即将合金加热到接近熔点的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却。在均匀化退火过程中，温度高，原子扩散快，枝状偏析消失，沿晶界分布的不平衡共晶体和不平衡相被溶解。在均匀化温度下是过饱和固溶体，保温过程中将析出过剩相。有的过剩相可能被球化，从而显著提高合金的塑性以及组织稳定性。合金化程度较高的变形合金铸锭，一般都进行均匀化退火，以提高它们的塑性变形能力。均匀化过程是一个原子扩散过程。因此又称为扩散退火。影响均匀化退火质量的因素主要是加热温度和保温时间。对某些合金，冷却速度也有重要影响。均匀化退火

加热温度越高，原子扩散越快。这时保温时间可以缩短，使生产效率得到提高。但加热温度过高，容易出现过烧，以致力学性能下降，造成废品。有色金属合金的均匀化温度一般为0.95Tm。保温时间取决于加热温度以及合金的原始组织，合金化程度越高，合金组织越粗大，耐热性越好时，所需要保温时间就越长。铝、镁合金铸锭的均匀化时间一般为8-36小时。经过变形的合金均匀化时间可大大缩短。冷却速度（与再结晶退火的情况相同）。对于形状复杂，合金化程度高，组织复杂，而使其塑性很差的铸件，其加热速度不能快，否则热应力即组织应力将会使铸件在加热过程中开裂。固溶处理（淬火）

对第二相在基体相中的固溶度随温度降低而显著减小的合金，可将它们加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保持一定时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却（淬火），即可获得过饱和固溶体。这种获得过饱和固溶体的热处理过程称为固溶处理或淬火。固溶处理是有色金属合金强化热处理的第一个步骤。固溶处理后，一般随即进行第二个步骤------时效，合金即可得到显著强化。有色金属合金固溶处理后，塑性和耐蚀性一般都显著提高，强度变化则不一样，大多数有所增加，但也有降低的。

有色金属合金淬火的目的是把合金在高温的固溶体组织固定到室温，获得过饱和固溶体，以便在随后的时效中使合金强化。钢淬火的目的一般是为了得到马氏体，使合金大大强化，随后回火，根据需要调整其性能。固溶处理（淬火）

有些有色金属合金，例如Ti，Cu-Zn等淬火也可以得到马氏体组织，但这些合金的马氏体是置换式过饱和固溶体，因此他们的马氏体硬度比基体金属增加的不多，达不到显著强化合金的目的。图铜（a）与一般有色金属（铝、镁等）（b）在淬火过程中的组织变化比较示意图固溶处理（淬火）

影响固溶处理的主要因素：加热温度、保温时间和冷却速度。加热温度一般又称为淬火温度。淬火温度越高，保温时间越长，则强化相溶解越充分，合金元素在晶格中的分布越均匀，同时晶格中的空位浓度增加也越多。以上这些因素的结合，可以很好的促进时效效果的提高。加热温度：最佳的温度是能够保证最大数量的强化相溶入基体，但又不引起过烧及晶粒长大温度；保温时间：要保证能溶入固溶体的强化相充分溶入，以得到最大的过饱和度。因此成分复杂、强化相粗大的铸态合金的保温时间比较长，但时间过长会引起晶粒长大；冷却速度：不足够快时，固溶体空位浓度会减少，从而降低时效效果。淬火冷速小于过饱和固溶体分解的临界冷速时，不仅空位浓度更多的减小，而且固溶体还会发生不同程度的分解，使时效效果降低更多。冷速过快，又会产生强大内应力，使塑性较低的合金发生开裂，形成废品。淬火介质：根据合金性质，选择水、热水或者油。时效

有色金属淬火后形成不稳定组织（亚稳定组织）。这种组织为了向稳定组织发展而进行固溶体分解和析出过剩溶质原子。在室温下进行的过饱和固溶体的分解称为自然时效。但对多数合金来讲，自然时效过程非常缓慢。为了提高固溶体的分解速度，将合金加热到一定温度（远低于淬火温度），使固溶体分解加速。这种过程称为人工时效。大多数合金来讲，在低温下分解一般经历三个阶段。首先是过饱和固溶体中，溶质原子沿基体的一定晶面富集，形成偏聚区（G.P.区），与母相共格，往往呈薄片状。进一步延长时间或提高温度，G.P.区长大并转变为中间过渡相，其成分与晶体结构处于母相与稳定的第二相之间的某种中间过度状态。最后中间过度相转变为具有独立晶格结构的稳定第二相，与母相不共格。开始析出的第二相处于弥散状态，一般是薄片状。计算表明，这种形状的弹性能最低，因此固溶体析出的新相最容易形成薄片状。进一步延长时间或升高温度，弥散第二相开始聚集粗化，温度越高，粗化越快，硬化性能下降。时效

。

对于同一成分的合金来讲，影响时效效果的主要工艺因素有时效温度和时间、淬火加热温度和冷却速度以及时效前的塑性变形等。（1）时效温度对时效强化效果的影响当固定时效时间，对同一成分合金在不同温度下进行时效，合金硬化与时效温度的关系如图所示。图时效温度对合金时效硬化效果的影响时效

随着时效温度的升高，合金的硬度增大。当硬度增大到某一数值后，达到极大值。进一步升高温度，硬度下降。合金硬度增大的阶段称为强化时效。下降的阶段称为软化时效或者过时效。时效温度与合金硬化的这种变化规律是同过饱和固溶体分解过程有关的。不同成分的合金获得最佳强化效果的时效温度不同。对各种工业合金最佳时效温度的统计表明，所有有色金属合金的最佳时效温度与它们的熔点有关，其关系式为：

Ta=（0.5-0.6）TmTa：合金获得最佳强化效果的时效温度（绝对温度）。时效

。（2）时效时间对时效强化效果的影响当固定时效温度，对同一成分合金在不同时间下进行时效，合金硬化与时效时间的关系如图所示。图不同温度下时效时间与合金硬度的关系t7>t6>t5>t4>t3>t2>t1

从图中可以看出，在较低温下，随着时效时间的增加，硬度缓慢上升。当温度上升到Ta后曲线T4出现极大值，并获得最佳硬化效果。进一步提高时效温度，则合金在较早的时间内开始软化。而且硬化效果随温度的升高而降低。时效（3）淬火温度、淬火冷却速度和塑性变形对时效强化效果的影响

实验表明，淬火温度越高，淬火冷却速度越快，在淬火过程中固定下来的固溶体晶格中的空位浓度越大，则固溶体的分解速度及硬化效果都将增大。淬火速度减慢时，晶格中淬火产生的过剩空位将减少。若冷却速度过低，固溶体在冷却过程中还可能发生分解，使过饱和度降低。无论降低固溶体对溶质原子的过饱和度，还是减少晶体中过剩空位的浓度，都会降低合金时效速率和强化效果。

合金淬火后进行冷塑性变形，将强烈影响过饱和固溶体的分解过程。合金淬火后进行冷塑性变形，其作用与高温淬火的作用相似，增加过饱和固溶体的晶格缺陷，从而提供更多非自发晶核，提高固溶体分解速度和析出物密度，得到更为弥散的析出物质点，使合金的硬化效果增大。时效淬火温度、淬火冷却速度和塑性变形对时效强化效果的影响。图淬火冷却速度、塑性变形量对Al-4%Cu合金在200°C时效硬度的影响1-空冷；2-水冷；3-水冷+淬火后压下10%；4-空冷+淬火后压下10%形变热处理

化学热处理是将塑性变形和热作用结合起来的热处理方式。只有将那些能提高金属材料内部晶体缺陷密度的塑性加工与能发生相变的热处理作用结合起来，能显著地改变材料的组织和结构，并明显地提高材料性能的工艺才是形变热处理。其结果是合金性能优于仅用基本热处理或者仅用变形工艺所能达到的性能。

化学热处理

化学热处理是将热处理作用和化学作用有机地结合在一起的一种热处理方法。由于热作用和化学作用同时发生，使某些元素（金属或非金属）渗入合金中，就是说化学热处理不仅改变金属材料的组织，而且还改变其化学成分（一般是表面成分）。化学热处理主要目的是改善材料的表面性能（例如提高材料的表面硬度，耐磨性和耐蚀性等）。

有色金属的热处理铝及铝合金的热处理镁及镁合金的热处理铝及铝合金的热处理一、纯铝及其合金化

（1）纯铝的特性（2）铝中的杂质（3）纯铝的牌号（4）铝的合金化

纯铝及其合金化地壳中总储量首位，占8.8%；产量仅次于钢铁；是有色金属中应用最广泛的金属结构材料；密度小，导电、导热、耐蚀性好；（1）纯铝的特性原子序数13；面心立方结构；机械强度不高；（2）铝中的杂质铝中最主要的杂质元素是Fe和Si；铝中的Fe、Si如果单独存在，则以共晶（初晶）FeAl3和共晶（初晶）Si形式出现。FeAl3呈针状，Si呈条状或块状，性质硬脆，使铝塑性显著降低；若Fe，Si同时存在，可能出现骨骼状、枝条状α(Fe3SiAl12)及针状β(Fe2Si2Al9)；实际经验表明，控制Fe+Si的总含量，以及比例成分；所有杂质都降低铝的导电性，Mn、Ti和Fe最显著。纯铝及其合金化（3）纯铝的牌号高纯铝工业高纯铝工业纯铝纯铝及其合金化（4）铝的合金化铝合金主要强化方式：固溶强化、沉淀强化、细晶强化、加工硬化、过剩相强化Al-Mg，Al-Mn：防锈铝合金系列Al-Cu：高强铝合金系，耐热铝合金系Al-Si：铸造铝合金系固溶强化纯铝及其合金化（4）铝的合金化铝合金主要强化方式：二元合金不能充分满足沉淀强化的条件，一般选用复杂合金系，形成新的强化相。可热处理强化的铝合金：Al-Zn-Mg：Mg2Zn，Al2Mg3Zn3相；Al-Mg-Si：Mg2Si相；Al-Cu-（Mg）：CuAl2，Al2CuMg相。沉淀强化

为了考虑合金的耐热性，可添加少量过渡族元素Ni、Mn等，生成高温难熔耐热相。但加入数量不宜过多，避免生成大量脆硬相而降低韧性和塑性。纯铝及其合金化铝合金的热处理原理铝合金的基本热处理形式：退火、固溶处理+时效1.Al-4%Cu的时效θ相CuAl2铝合金的热处理原理Al-4%Cu的时效

将其加热到固溶温度，保温，并迅速淬于干冰(-78°C)，形成过饱和固溶体，若长期在干冰内保存，其力学性能没有明显改变。但若置于室温，则2小时候开始出现硬化现象，并随时间增长而加剧，8天后达到最大值。若置于50°C环境，两天后硬度即达到最高值（自然时效）。若将合金置于100°C以上的环境中（人工时效），硬度变化要复杂一些。但时效温度越高，达到峰值硬度所需时间越短。铝合金的热处理原理（1）过饱和固溶体的性质：

固溶体处于双重过饱和状态：溶质原子过饱和、空位过饱和。沉淀过程是原子扩散的过程，空位的存在时原子扩散的必须条件。铝合金的热处理原理（1）过饱和固溶体的性质：原子扩散包含空位的形成和空位运动两个过程，因此原子扩散速度：其中为原子扩散激活能。表明原子扩散激活能包含和两个部分，即形成空位激活能和空位运动激活能。对于固溶处理获得过饱和溶质原子和空位的合金而言，已存在大量过剩空位，因此原子扩散激活能大大减小（不需空位形成的激活能），其扩散速度显著增加：例如Al-Cu合金，形成空位激活能为0.7电子伏特，空位运动激活能0.5电子伏特，合计1.2电子伏特。如果淬火组织中存在多余空位，则扩散激活能只需0.5电子伏特，铜原子的扩散可提高1010倍，可见过饱和空位对时效动力学的影响作用之大。铝合金的热处理原理（2）时效过程：

从体积自由能角度看，Al-4Cu过饱和固溶体直接析出θ平衡相CuAl2最有利。但由于该相与基体相在成分和晶体结构上相差很大，新相成核和长大需要克服很大能垒，而首先形成预沉淀产物或者过渡相，如G.P.区、θ″相、θ′相，则相变所需激活能较低。铝合金的热处理原理（2）时效过程：

在固态相变中，根据合金的性质和热处理条件，新相和母相之间的界面有三种基本形式，即共格界面、半共格界面和非共格界面。共格界面：新相与母相之间不可能有完全相同的晶面，两相的晶格要产生一定的应变。晶格常数小的相受拉应力。两相分开时，弹性应变消失；对于共格界面，晶格连续过度，界面能很低，但弹性能较高。为减少弹性应变能，新相以片状成核长大最有利；非共格界面：弹性应变能很小，但界面能成为新相的决定因素。为降低两相之间的界面能，新相晶核趋向于以球形出现；半共格界面：介于上述两者之间。铝合金的热处理原理（2）时效过程：Al-Cu合金的G.P.区：在室温即可生成，没有独立的晶体结构，完全与母相共格。但Cu原子半径比Al小，G.P.区产生一定弹性收缩。

G.P.区的厚度只有几个原子，直径随时效温度高低而不同，一般不超过100埃。室温时效时的直径约50埃，间距为20-40埃。130°C时效15小时，直径长大到90埃，厚4-6埃。温度再高，G.P.区数目开始减少，200°C即不再生成G.P.区。

G.P.区界面能很低，形核功很小，在母相中各处皆可生核。G.P.区铝合金的热处理原理（2）时效过程：G.P.区的形状取决于溶质原子与铝原子的直径差异。差值小于3%时，为降低表面能，一般呈球形。差值超过5%，弹性能起主导作用，一般呈薄片状或者针状。G.P.区G.P.区形状合金系原子直径差（%）球形Al-AgAl-ZnAl-Zn-Mg+0.7-1.9+2.6圆盘状Al-Cu-11.8针状Al-Mg-SiAl-Cu-Mg+2.5-6.5

表不同铝合金系的G.P.区形状铝合金的热处理原理（2）时效过程：

如将Al-4Cu合金在较高温度下时效，G.P.区急剧长大，铜原子与铝原子逐渐形成规则排列，即正方有序化结构，称θ″相。

θ″相厚度为8-20埃，直径150-400埃，该过渡相与基体完全共格，但Z轴方向的晶格常数接近基体铝的晶格常数两倍，造成弹性共格应变场，或晶格畸变区。随时效时间延长，θ″相密度不断提高，使基体内产生大量畸变区，从而对位错运动的阻碍作用不断增大，使合金的硬度、强度，尤其是屈服强度显著增加。θ″相铝合金的热处理原理（2）时效过程：

继续增加时效时间或提高实效温度，如将Al-4Cu合金在200°C时效12小时，过渡相转变为θ′相。θ′相属于立方点阵，名义成分为CuAl2。厚度为100-150埃，直径100-6000埃，在Z轴方向错配度过大，使共格关系遭到部分破坏。在过渡相与基体之间的界面上存在位错环，形成半共格。

θ′相与基体局部失去共格关系，则界面处的应力场势减小，意味着晶格畸变减小，合金的硬度和强度下降，开始进入过时效阶段。θ′相铝合金的热处理原理（2）时效过程：

进一步延长时效时间或提高实效温度，θ′相过渡到平衡相θ。θ相属于体心立方有序化结构，与基体完全失去共格关系。因此θ

相的出现意味着合金的硬度和强度显著下降。θ相铝合金的热处理原理（2）时效过程：Al-4Cu合金时效过程中，过饱和α固溶体的沉淀阶段如下：

α固溶体→G.P.区→θ″过渡相→θ′过渡相→θ稳定相（CuAl2）

沉淀过程与合金的成分和时效参数有关，而且不同沉淀阶段相互重叠，沉淀产物可能同时存在。例如Al-4Cu合金在130°C以下时效，以G.P.区为主，但也可能出现θ″和θ′过渡相；在150-170°C时效以θ″为主；在225-250°C以θ′为主；而高于250°C以后则以θ相为主。铝合金的热处理原理（2）时效过程：固溶体淬火后过饱和固溶体过饱和空位过饱和溶质原子过渡沉淀相平衡沉淀相晶界位错环/位错螺旋线/堆垛层错聚集区铝合金的热处理原理（3）时效动力学：

过饱和固溶体的沉淀过程是一个扩散过程，沉淀速度与温度也具有C曲线特点，由过冷度与原子扩散速度相互制约，使沉淀在某一温度达到最大值。铝合金的热处理原理（3）时效动力学：铝合金的热处理原理时效硬化的原因内应力场变化引起的强化；位错切过沉淀物引起的强化；位错绕过沉淀物粒子引起的强化。铝合金的热处理原理铝合金的时效自然时效或人工时效：两者从物理本质上并无绝对的界限。前者以G.P.区强化为主，后者以过渡沉淀强化为主。自然时效后的性能特点：塑性较高（10%~15%），抗拉强度和屈服强度的差值较大（σ0.2/σb=0.7-0.8），冲击韧性和抗蚀性好。人工时效后的性能特点：强度高，屈服强度增加的更明显（σ0.2/σb=0.8-0.9），但韧性、塑性和抗蚀性一般较差。人工时效可分为：欠时效、峰时效、过时效和稳定化时效等。欠时效---不完全时效：保留较高的塑性；过时效：综合性能较好，抗蚀性较高；稳定化时效：温度比过时效更高，稳定合金性能和零件尺寸。铝合金的热处理原理时效理论在铝合金中的应用单级时效；

简单----固溶处理+一次时效（自然、人工）。分级时效；固溶处理+在不同温度进行两次或多次时效（预时效+最终时效）形变时效；把变形和时效相结合，改善过渡相分布。淬火---变形---时效时效---变形（室温、时效温度）---时效回归处理

将经过自然时效的铝合金在200-250°C加热几分钟，然后迅速冷却，使合金硬度和强度恢复到接近新淬火状态的水平。铸造铝合金的热处理铸造铝合金可分为五类：（1）Al-Si及Al-Si-Mg系优良铸造工艺，中等强度，常温使用，复杂铸件；（2）Al-Cu系高耐热性，适合高温使用，但铸造性和耐蚀性较差；（3）Al-Mg系高强、高耐蚀性，但耐热性和铸造工艺较差；（4）Al-RE系良好耐热性和铸造工艺性，但室温强度低，合金成分复杂；（5）Al-Zn系可自淬火，自行进行人工时效，适合尺寸稳定性要求高的铸件。但比重大，耐热性低。铸铝用ZL表示，其后有三位数字；第一位代表合金系，其余代表合金顺序号。变形铝合金的热处理变形铝合金的分类：（1）防锈铝合金

Al-Mn系。不能热处理强化，强度低。以LF为字头，例如LF3等；（2）硬铝有强烈时效硬化能力，Al-Cu-Mg系为主。除室温强度高外，耐热性好，但耐蚀性和焊接性差。LY表示；（3）锻铝以Al-Mg-Si系为主，有良好加工型，耐蚀性，适合制作各类锻件，以LD为字头，例如LD6。；（4）超硬铝变形铝合金中强度最高的一种，以Al-Zn-Mg-Cu系为主。热稳定性较差，对应力集中比较敏感。牌号LC；地壳中总储量第三位，占2.35%；密度小，是最轻的金属结构材料；原子序数12；密排六方结构；机械强度低，弹性模量低；减振性能好，切削加工性能好。镁及镁合金的热处理镁中的主要杂质元素是：Fe，Ni，Cu。严重降低镁的耐腐蚀性。镁的合金化主要强化方式：镁的合金化原则与铝相似，都是利用固溶强化和时效处理生成的沉淀硬化来提高合金的力学性能。因此所选择的合金元素在镁中应该具有较高的固溶度，并随温度有较明显的变化，在时效过程中能形成强化效果显著的第二相。目前实际应用的镁合金系：Mg-Al-Zn系：例如MB2,MB3,ZM5;Mg-Zn-Zr系：例如ZM1,MB15;Mg-RE-Zr系或Mg-RE-Mn系：例如ZM3,MB8等MB-变形镁合金；ZM铸造镁合金；YM-压铸镁合金固溶强化、沉淀强化、细晶强化、加工硬化、过剩相强化镁及镁合金的热处理Al在镁中的最大固溶度：12.6%Zn在镁中的最大固溶度：8.4%Zr在镁中的最大固溶度：3.8%

镁合金的基本固态相变形式与铝合金相同，是过饱和固溶体的分解，它也是时效硬化的理论根据。镁合金的固态相变特点以Mg-Al系合金为例：

Mg-Al系合金在共晶温度以下，平衡组织为δ固溶体+Mg17Al12化合物。铝在镁中的固溶度从437°C的12.6%降到室温的1%左右。因此利用淬火处理可以获得过饱和δ固溶体。试验表明，在随后的时效过程中，过饱和δ固溶体不经过任何中间阶段直接析出非共格平衡相Mg17Al12，不存在预沉淀阶段或者过渡相。

Mg17Al12相在形成方式上有两种类型：连续析出和非连续析出。通常以非连续析出为先导，然后再进行连续析出。非连续析出大多从晶界或位错处开始，Mg17Al12相以片状形式按一定取向往晶内生长，整个反应区呈片层状结构，反应区和未反应区有明显的分界面。镁合金的固态相变特点以Mg-Al系合金为例：

从晶界开始的非连续析出进行到一定程度后，晶内产生连续析出。Mg17Al12相以细小片状形式沿基面（0001）生长，基体中含铝量不断下降，晶格常数连续增大，因晶格常数变化是连续的，因此成为连续析出。镁合金的固态相变特点以Mg-Al系合金为例：

连续与非连续析出在时效组织中所占的相对量与成分、淬火温度、冷却速度和时效参数等因素有关。一般来说，非连续析出先进行，特别是过饱和度较低，固溶体内存在成分偏析及时效不充分的情况下；反之，在含铝量较高，快速淬火及时效温度较高的条件下，连续析出占主导地位。有关文献指出，在100-250°C时效，同时存在两种析出方式；而250°C以上时效，扩散速度较高，只进行连续析出。镁合金的主要热处理类型

镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但镁合金原子扩散速度慢，淬火加热后通常在空气中冷却即可达到固溶处理的目的。对自然时效不敏感，长期放置在室温条件下可保持淬火状态下的原有性能。镁合金氧化倾向比铝合金强烈，热处理炉内应保持一定中性气体。镁合金常用热处理类型如下：（1）T1：铸造、加工后直接人工时效。Mg-Zn合金晶粒容易长大，重新淬火晶粒会粗大，因此不如使用T1处理；（2）T2：消除残余应力和冷作硬化而进行的退火处理；（3）T4：固溶处理。可提高抗拉强度和延伸率；（4）T6：固溶（空冷）+人工时效，提高合金的屈服强度，但塑性降低；（5）T61：固溶（热水）+人工时效，针对对冷速敏感的Mg-RE-Zr合金，可比T6强化效果更好。常见热处理缺陷：不完全淬火、晶粒长大、表面氧化、过烧、变形等。

有色金属的热处理铜及铜合金的热处理钛及钛合金的热处理铜及铜合金的热处理一、纯铜（紫铜）铜是人类历史上应用最早的金属。现主要用作导电、导热并有耐蚀性的器材。导电元件、弹性元件、管道和耐磨零件（轴承、衬套、小齿轮等）。密度：8.94g/cm3；导电性和导热性仅次于金和银；面心立方晶体结构，在极低温度下仍然保持良好塑性；熔点：1084°C铜及铜合金的热处理一、纯铜（紫铜）（1）导电性好、导热性好。（导线、电缆、散热管、热交换器等），任何杂质元素的加热都会降低铜的导电性和导热性；冷变形对铜导电性能影响不大，纯铜经80%冷变形，导电率降低不到3%，因此铜导线可在冷作硬化状态使用。冷作硬化是提高铜及铜合金强度的常用方法。图杂质元素对铜导电和导热性影响铜及铜合金的热处理一、纯铜（紫铜）

（2）化学稳定性高，耐蚀性好。铜的标准电极电位比氢高，在许多介质中的化学稳定性都很好。（电线、冷热水配水设备、热水泵及废热锅炉）；（3）无磁性，磁化系数极低，用来制造不允许受磁性干扰的磁学仪器（罗盘、航空仪器、炮兵瞄准环等）；（4）塑性变形能力高。面心立方晶格。但中温区塑性剧烈降低，应避免在此区间进行压力加工。热压加工一般在800-900°C进行。中温脆性区一般认为是Pb等低熔点杂质引起的。图铜的力学性能与温度的关系（99.5%Cu，0.005%Pb，600°C退火1小时）铜及铜合金的热处理一、纯铜（紫铜）

工业纯铜的热处理一般只进行再结晶退火，目的是消除内应力、使金属软化或改变晶粒度。退火温度一般为500-700°C。工业纯铜的牌号T1---99.95%Cu；T2---99.90%Cu；T3---99.70%Cu；T4---99.5%Cu含Bi、Pb、Sb、S、P、O等杂质。无氧铜：TU1,TU2。含氧量低于0.01%。具有更高导电性、导热性、耐蚀性、可焊性和塑性。铜及铜合金的热处理二、铜合金的分类及编号

按照化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜及白铜三大类。（1）黄铜：以Zn为主要合金元素，以H表示，H后面的数字表示含铜量。若还有另一种合金元素，则H后面添加上所加元素的化学符号，并在表示含铜量的数字后面划一短横线，写上它的百分含量；例：H68，HPb59-1。（2）白铜：以Ni为主要合金元素，以B表示。例：BAl6-1.5。（3）青铜：除Zn和Ni以外的元素为主要合金元素，以Q表示。例：QSn7。铜及铜合金的热处理

黄铜

良好的机械性能、耐蚀性、导电性和导热性等。与纯铜和其它铜合金相比，价格较低，是重有色金属中应用最广的合金材料。分为二元黄铜（普通黄铜）和多元黄铜（复杂黄铜、特殊黄铜）。图Cu-Zn合金相图Cu>50%H70H62铜及铜合金的热处理

黄铜

从铜锌合金相图可以看出黄铜有和+’

两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。

单相黄铜两相黄铜铜及铜合金的热处理

黄铜的性能

图Zn含量对铸态Cu合金力学性能的影响单相黄铜塑性好。H96和H85具有良好导热性和耐蚀性，一定强度和良好塑性。大量用于冷凝器和散热器。H70和H68强度较高，塑性特别好，用于冷冲压或深拉伸法制造复杂零件。枪弹壳、炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。两相黄铜热塑性好,强度高.H62有很高强度，热态下塑性好，以板材、棒材、管材、线材等供工业大量使用，有“商业黄铜”之称。H59强度高，含Zn量高，价格便宜。极好地承受热压力加工，有一般耐蚀性，多以棒材和型材用于机械制造业。冷凝器管汽车机油泵衬套铜及铜合金的热处理

黄铜的应用

黄铜的主要热处理方式：退火（再结晶退火、去应力退火）。再结晶退火：加工工序之间的中间退火，产品最终退火。目的是消除加工硬化，恢复塑性及获得细晶组织。再结晶温度随合金成分不同，多在300-400°C。再结晶退火温度多在600-700°C。去应力退火：含锌量较高的黄铜，应力腐蚀破裂倾向很严重，其冷变形产品必须进行去应力退火，清除变形中产生的残余应力，防止自裂。一般230-300°C。退火硬化现象.α黄铜冷变形后于再结晶温度以下退火，其硬度不但不降低，反而有所升高。例如H70，冷变形50%后在235°C退火1小时，抗拉强度升高30MPa，延伸率降低2%。试验证明，含Zn大于10%的黄铜、含Al大于4%的青铜、含Mn大于5%的青铜和含Ni大于30%的白铜都有这种退火异常硬化现象，也称变形时效。铜及铜合金的热处理

黄铜的热处理制度

铜及铜合金的热处理

锡青铜

铜与锡的合金称为锡青铜。锡青铜的应用在我国已有两千多年历史，最主要特点是耐蚀、耐磨、弹性好和铸件体积收缩率很小。图Cu-Sn合金相图锡青铜的用途：（1）高强弹性材料：弹簧、弹片、弹性元件；（2）耐磨材料：轴承套、齿轮等；（3）艺术铸件，铜像等。铜及铜合金的热处理

锡青铜

在α相区，Sn含量增加，强度及塑性均增大，约10%Sn附近的塑性最好，在21%-23%Sn附近的抗拉强度最大。δ相(Cu31Sn8)脆而硬，随该相增多，强度急剧下降。图Sn含量对锡青铜力学性能的影响Sn：3~14%铜及铜合金的热处理

锡青铜的热处理

铜锡合金中的原子扩散速度进行很慢，共析转变只有在长时间保温才能进行。另外，一般生产条件下，冷却速度快，合金中不出现α+ε组织。从工程角度出发，锡青铜的锡含量一般都小于10%，得到的是单相α组织，故锡青铜不能热处理强化。根据锡青铜的使用目的和加工方法，常用热处理是均匀化退火、再结晶退火和去应力退火。消除枝晶偏析的均匀化退火，通常处理温度为625-725°C，1-6小时；锡青铜在冷变形工序之间，中间再结晶退火消除形变硬化，例如QSn6.5-0.4的再结晶退火温度为600°C；用作弹性元件的锡青铜QSn4-3等不能进行再结晶退火，只进行去应力退火，退火温度为250-300°C。铜及铜合金的热处理

铝青铜

锡价格昂贵，所以用其它合金元素代替锡。铝青铜就是其中之一。铝青铜具有良好的力学性能、耐蚀性和抗磨性。图Cu-Al合金相图铜及铜合金的热处理

铝青铜

图Al含量对铝青铜力学性能的影响含铝量为5%-8%的铝青铜（QAl5和QAl7）为α单相合金，塑性良好，可进行冷热加工；含铝量为9%-10%的合金（QAl10）在高温具有α+β组织，能承受热压力加工。565°C以下共析分解后，合金塑性下降，不能进行冷变形。铜及铜合金的热处理

铝青铜的热处理

当铝合金含量小于7.4%时，在所有温度下，均为单相α固溶体，塑性好、易于加工。压力加工时，一般进行中间再结晶退火和去应力退火。含铝量为9.4%-15.6%的铝青铜，可进行热处理强化。当温度达到β相区时，快速冷却发生β→β′相变，形成β′马氏体。铜及铜合金的热处理

铍青铜

含铍的铜合金为铍青铜，铍含量一般为1.5%-2.5%。铍青铜有很强的沉淀强化相应，经过淬火时效，得到强度约1400MPa，并具良好的导热、导电性，耐蚀和耐磨性。图Cu-Be合金相图

铍青铜可用于制造高级弹性元件和特殊耐磨元件，还用于电器转向开关（无磁、冲击无火花）、点接触器等。铜及铜合金的热处理

铍青铜的热处理

（1）淬火：含铍量超过1.7%，最佳淬火温度780-790°C，保温时间8-15min。（2）时效：时效温度0.5-0.6Tm。含铍量高于1.7%的合金，最佳时效温度为300-330°C，保温1-3小时；含铍量低于0.5%的合金，熔点升高，则最佳时效温度为450-480°C。过饱和固溶体→G.P.区→γ′→γ（3）退火：铍青铜退火最好在β共析转变温度以下进行，一般为550-570°C，保温2-3小时。退火温度过高，超过共析转变温度，会导致β相聚集粗化，低于550°C则不能有效软化合金。去应力退火一般在150-200°C保温15-20min。铜及铜合金的热处理

白铜

铜与镍形成无限固溶体，普通白铜组织为单相固溶体。突出优点是高力学性能和在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，在海船、医疗器械和化工部门广泛应用。铁白铜、铝白铜、锌白铜和电工白铜。图Cu-Ni合金相图Ni<30%B10B20B30BZn15-20钛及钛合金的热处理钛及钛合金的热处理纯钛广泛用于飞机制造业、宇航工业、舰船工业、冶金、化学工业等。密度：4.5g/cm3，所有金属材料中几乎最高的比强度；良好的耐热和耐蚀性；密排六方晶体结构，但具有良好的塑性；熔点：1668°C

钛具有同素异构转变，转变温度为882.5°C。此温度以下为α钛，米排六方结构；此温度以上直到熔点是β钛，体心立方结构。钛及钛合金的热处理钛合金中的合金元素按合金元素对同素异构转变温度的影响和在α相或β相中的固溶度，合金元素可分为三大类：α稳定元素：它们能提高α↔β相转变温度，可较多地固溶于α相，扩大α相区；β稳定元素：它们能降低α↔β相转变温度，可较多地固溶于β相，扩大β相区；中性元素：对相转变温度影响不大，并能在α相和β相中大量溶解或完全互溶；分类元素名称α稳定元素间隙式O