铝合金时效硬化曲线

1. 铝合金时效硬化曲线 的测定

2. 一、实验目的 • 掌握固溶淬火及时效处理的基本操作。 • 了解时效温度和时效时间对时效强化效果的影响规律。 • 加深对时效强化及其机制的理解。

3. 二、实验原理概述 • 定义：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。 • 条件 ：合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度降低而减少。

4. 二、实验原理概述 • 如果将C0成分的合金自单相固溶体状态缓慢冷却到固溶度线（MN）以下温度(如T3)保温时， 相将从 相固溶体中脱溶析出， 相的成分将沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种转变可表示为 。 其中 相为平衡相，可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物为 双相组织。将这种双相组织加热到固溶度线以上某一温度（如T1）保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体相，这种处理称为固溶处理。 图1 固溶处理与时效处理的工艺过程示意图

5. 二、实验原理概述 • 时效硬(强)化或沉淀硬(强)化：若将经过固溶处理后的C0成分合金急冷，抑止 相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和 相固溶体。这种过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保持时，亦将发生脱溶，但脱溶相往往不是状态图中的平衡相，而是亚稳相或溶质原子聚集区。这种脱溶可显著提高合金的强度和硬度，称为时效硬(强)化或沉淀硬(强)化。 • 时效：合金在脱溶过程中，其力学性能、物理性能和化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效。室温下产生的时效称为自然时效，高于室温的时效称为人工时效。

6. 二、实验原理概述 • 脱溶顺序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相 合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱溶相或称为过渡相。 以Al-4％Cu合金为例，其室温平衡组织为 相固溶体和 相（CuAl2）。该合金经固溶处理并淬火冷却获得过饱和 相固溶体，加热到130℃进行时效，其脱溶顺序为：G.P.区→ 相→ 相→ 相，即在平衡相（ ）出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。

7. 二、实验原理概述 • 冷时效：是指在较低温度下进行的时效，其硬度变化曲线的特点是硬度一开始就迅速上升，达到一定值后硬度缓慢上升或者基本上保持不变。 冷时效的温度越高，硬度上升就越快，所能达到的硬度也就越高。在Al基和Cu基合金中，冷时效过程中主要形成G.P.区。 • 温时效：是指在较高温度下发生的时效 。其硬度变化规律是：开始有一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢，称为孕育期。接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延长而下降。 温时效的温度越高，硬度上升就越快，达到最大值的时间就越短，但所能达到的最大硬度值反而就越低。

8. 二、实验原理概述 图2 冷时效和温时效过程硬度变化示意图

9. 二、实验原理概述 图3 Al-Cu合金在130℃时效时的硬度和析出相的关系

10. 二、实验原理概述 • 时效温度是影响过饱和固溶体脱溶速度的重要因素。时效温度越高，原子活性就越强，脱溶速度也就越快。但是随着时效温度升高，化学自由能差减小，同时固溶体的过饱和度也减小，这些又使脱溶速度降低，甚至不再脱溶。因此，可以提高温度来加快时效过程，缩短时效时间。 • 过时效：在一定温度下，随时效时间延长，合金强度、硬度逐渐增高。至一定时间、其强度、硬度达到最大值（峰值）。时效时间再延长则其强度硬度反而下降，此即所谓“过时效” 。

11. 三、实验设备及材料 • 坩埚电阻炉：内置不锈钢盐浴槽，作试样的淬火加热用。加热介质为硝酸盐及亚硝酸盐的混合物，成分为50％KNO3+50 %NaNO2 • 控温装置：用WZK可控硅温度控制器控制炉膛温度，盐浴温度用数字式温度显示仪或电位差计测量 • 淬火水槽：用于淬火冷却 • 恒温箱：用来人工时效处理 • 布氏硬度计：测定淬火及时效合金硬度 • 读数显微镜：测定压痕直径 • 实验材料：2024铝合金试样

12. 四、实验步骤与方法 • 每班分成五个小组，每组分别领取一套样品（12块），作好标记。 • 将试样用砂纸或预磨机磨掉车痕，以达平整、光洁，然后用铁丝绑好。 • 将绑好试样在盐浴槽中加热。加热温度为500±3℃，保温约10～15分钟，保温结束后快速淬入水槽中。 • 每组取一个试样立即测定淬火后的硬度。

13. 四、实验步骤与方法 • 每组的其它试样立即进入恒温箱进行时效处理（除室温自然时效组外）。时效温度分别为室温、130℃、160℃、190℃，220℃，每组取一个温度进行时效。 • 将各时效温度时效不同时间后的试样立即水冷，用细砂纸磨去氧化皮后测定硬度，取三点进行测定。查布氏硬度对照表，将所查出的三个硬度三点均值填入表1（建议试样测定布氏硬度HB值的参数选定为负荷250Kgf，钢球直径Φ5mm，负荷保持时间30s）。

14. 五、实验注意事项 • 不要将带有水的试样和钳子放入盐浴槽，以防爆炸、烫伤。 • 每次取样、放试样时，宜轻拿轻放，防止乱样及烫伤。 • 每次试验完成后切断电源，以防设备事故。

15. 六、实验报告要求 • 将本组所得硬度数据绘成硬度—时效时间关系曲线，并将其它各组（即不同时效温度）所得数据绘在同一硬度—时效时间关系曲线上。 • 分析比较所得时效硬化曲线的异同，并根据时效强化机制解释曲线的变化规律。

16. Thank you！