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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-11-12 08:48
鋁合金中的主要合金元素
1、鉻
鋁合金中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過0.35%。如超過該成分范圍，則會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，形成極粗大的初生相 Al7Cr。商用合金中的合金元素和雜質(zhì)元素可能會(huì)降低鉻在鋁中的固溶度，使Al7Cr初生相在包晶反應(yīng)中形成。鋁合金中鉻的上限值取決于其他合金和雜質(zhì)元素的數(shù)量和性質(zhì)。如鑄造鋁合金含有過量的鉻，則會(huì)因其在包晶反應(yīng)過程中停留而產(chǎn)生殘存的相。
在AI-Mg、AI-Mg-Si和Al-Mg-Zn合金體系的許多合金中，鉻是常用的合金元素。鉻形成細(xì)小顆粒相，在不可熱處理強(qiáng)化鋁合金中，有利于細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度;在可熱處理強(qiáng)化鋁合金中，可控制晶粒尺寸和再結(jié)晶程度。由于鉻的擴(kuò)散速度慢，在變形鋁合金中形成了細(xì)小彌散相。對(duì)5xxx系列合金，在(鑄)鍛錠預(yù)熱過程中形成面心立方的 AlsMg;Cr彌散相;在7xxx合金中,彌散相的成分則更接近于Al1MgzCr。這些細(xì)小彌散相抑制了 A1-Mg合金中的形核和晶粒長大，并阻礙了Al-Mg-Si合金和Al-Zn合金在熱加工或熱處理過程中發(fā)生再結(jié)晶。在可熱處理強(qiáng)化鋁合金中，鉻的主要缺點(diǎn)是增加了強(qiáng)化相在已存在的鉻顆粒處的析出傾向，由此增加了合金的淬火敏感性。
2、銅
銅在鋁中具有相當(dāng)大的固溶度，具有明顯的析出強(qiáng)化作用，因此，銅是鋁合金中最重要的合金元素之一。二元鋁-銅合金體系是典型的析出強(qiáng)化例子，是最受關(guān)注的研究系統(tǒng)之一。盡管如此，實(shí)際上很少看到商用二元鋁-銅合金。大多數(shù)商用鋁-銅合金都含有其他合金元素。通常，鋁-銅合金體系含有銅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~10%)和其他合金元素，包括2xxx變形鋁合金系列和2xx.x鑄造鋁合金系列。此外，許多其他可熱處理強(qiáng)化鋁合金中也含有銅。根據(jù)合金中其他成分的不同，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~6%時(shí)對(duì)鋁合金的強(qiáng)化效果達(dá)到最大。不同熱處理?xiàng)l件下鋁-銅合金薄板的性能如圖 1所示。
圖1 高純度變形鋁-銅合金的拉伸性能
注:薄板試樣寬13mm(0.5in)寬，厚1.59mm(0.06in)。0-退火;W一固溶水淬后立即測(cè)試;T4-固溶水淬后在室溫下時(shí)效;T6-在 T4后高溫時(shí)效。
與其他合金體系相比，對(duì)二元鋁-銅合金的時(shí)效特性已進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但很少有商用的二元鋁-銅合金。大多數(shù)鋁-銅合金都含有鎂等其他合金元素。在鋁-銅合金中加入鎂的主要優(yōu)點(diǎn)是，通過固溶淬火能進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度。如對(duì)某些變形鋁合金進(jìn)行室溫時(shí)效，在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)還能提高其塑性。如對(duì)合金進(jìn)行人工時(shí)效，則可獲得更高的強(qiáng)度，但塑性會(huì)有所降低。在鑄造和變形鋁合金中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.05%的鎂，能有效提高合金的時(shí)效強(qiáng)化性能。
3、鐵
在精煉鐵釩土和熔煉生成氧化鋁后，鐵作為雜質(zhì)元素殘存于鋁合金中，因此，實(shí)際上所有鋁合金中都會(huì)殘存一定的鐵元素。鋁-鐵二元合金體系的共晶成分為w(Fe)=1.8%，在共晶溫度655℃(1211℉)下，鐵在鋁中最大的固溶度為0.05%。盡管可能存在其他相，在固溶度極限溫度出現(xiàn)的平衡相是Al3Fe(θ)。根據(jù)凝固速率和存在錳等其他合金元素，合金中可能出現(xiàn)亞穩(wěn)相。如采用適中的速率淬火冷卻，則出現(xiàn)FeAl6相;快速火冷卻時(shí)出現(xiàn) Fe2Al9相。鋁中鐵的固溶度非常有限，因此常用作導(dǎo)電材料。固溶的鐵使鋁的強(qiáng)度略有提高，在溫度略有升高的條件下，將具有更好的抗蠕變性能。雖然鋁合金中存在少量的鐵可減少壓鑄過程中出現(xiàn)的焊合危害，但通常在鋁-硅鑄造合金中，鐵會(huì)形成粗大的富鐵相，因此通常不希望鋁-硅合金中含有鐵。
圖2 鐵和硅作為雜質(zhì)元素對(duì)鋁的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響
由于鋁合金中總是會(huì)殘存少量的鐵，鐵在鋁中的影響應(yīng)根據(jù)三元或四元相圖來分析。隨著添加其他合金元素，鐵在鋁合金中的固溶度會(huì)進(jìn)一步降低在大多數(shù)鋁合金中，鐵的最大固溶度可降低到w(Fe)=0.01%或以下。由于鐵和硅是工業(yè)純鋁中常見的雜質(zhì)元素，因此，人們非常注重對(duì)A1-Fe-Si三元相圖的富鋁角的研究。在硅含量低的情況下幾乎所有的鐵元素都形成 Al3Fe 相。
4、鎂
鋁-鎂合金是變形5xxx系列和鑄造5xxx系列中，不可熱處理強(qiáng)化鋁合金。合金中的鎂能提高固溶強(qiáng)化效果，而不會(huì)過度降低合金的塑性。鋁-鎂合金具有優(yōu)異的固溶強(qiáng)化和耐蝕綜合性能，通過形變強(qiáng)化，變形鋁合金的強(qiáng)度得到了進(jìn)一步提高。目前，5xxx變形鋁合金系列中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5.5%，而鑄造鋁合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%~10%。當(dāng)鑄造鋁合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，在室溫下會(huì)形成第二相。當(dāng)鑄造鋁合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時(shí)，在室溫下合金是穩(wěn)定的，在高于室溫時(shí)則是不穩(wěn)定的。
為控制晶?；騺喚ЫY(jié)構(gòu)，以及殘存鐵和硅雜質(zhì)元素形成的金屬間化合物顆粒，通常在鋁-鎂合金中添加少量鉻、錳、鋯等過渡族元素。雖然鎂在鋁中的最大固溶度約為17%，但之前的冷加工工序會(huì)加速 Mg2Al;相的析出，因此，目前變形鋁合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過5.5%。相對(duì)于鋁-鎂合金基體而言，這種析出相呈高度陽極電位，并沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，由此在長期室溫環(huán)境或短時(shí)間高溫環(huán)境下，合金具有很高的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性。在正常情況下，由于5182、5083、5086、5154、5356和5456合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%，因此易受到應(yīng)力腐蝕開裂的影響。一般來說，對(duì)于經(jīng)嚴(yán)重冷變形的合金，大多數(shù)有害析出相是在室溫下長年累月形成的，或者持續(xù)暴露在65~180℃(150~350℉)的溫度下而形成。在較高的溫度下析出相會(huì)發(fā)生粗化，在晶界呈不連續(xù)析出，此時(shí)會(huì)降低或去除應(yīng)力腐蝕開裂。
在鋁-鎂合金中添加錳，可提高合金強(qiáng)度。添加錳主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):第一，促進(jìn)鎂析出相在組織中更加均勻地析出;第二，在達(dá)到合金所要求強(qiáng)度的條件下，添加錳可降低合金中鎂的含量，從而確保合金的穩(wěn)定性更高，使變形鋁合金具有更高的強(qiáng)度和耐蝕性。在鑄造鋁-鎂合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的錳，對(duì)合金耐蝕性的影響很小，但提高了合金的硬度且降低了塑性。
5、硅
硅和鐵一樣，是工業(yè)鋁合金中常見的雜質(zhì)元素。電解鋁中雜質(zhì)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%~0.15%，當(dāng)鋁中存在鐵時(shí)，硅在鋁中的固溶度將極大地下降。隨著硅含量的增加，工業(yè)鋁中先形成六角晶系的α相(Al8Fe2Si)，然后形成單斜晶系的β相(以化學(xué)計(jì)量的 Al5FeSi或 Al9Fe2Si2)。
作為合金元素，硅加入鋁或鋁合金中，能顯著改善合金的鑄造性能。不含銅的鋁-硅合金具有良好的鑄造性能和耐蝕性。二元鋁-硅合金體系是一個(gè)簡單的共晶體系，其共晶點(diǎn)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%。在共晶溫度577℃(1071℉)，硅在鋁中的最大固溶度為w(Si)=1.65%。在很大程度上，硅提高了鋁合金的鑄造性能和流動(dòng)性能。因此，合金元素硅在4xxx鋁合金釬焊薄板和3xx.x4xx.x鑄造鋁合金中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)已有硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至2%的鑄造鋁合金，但通常鑄造鋁合金中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%~13%范圍內(nèi)，有時(shí)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 20%，為過共晶合金。
含銅量高的鋁-銅合金[w(Cu)=7%~8%]，是最早的常用鑄造鋁合金，現(xiàn)已完全被Al-Si-Cu/Mg(3xx.x)合金所取代。Al-Cu-Si合金系列是使用最廣泛的鑄造鋁合金之一，不同合金牌號(hào)中銅和硅兩種元素的含量在很大范圍內(nèi)變化，其中一部分合金中銅占主導(dǎo)地位，而另一部分合金中硅為主要合金成分。在這類合金中，銅有助于提高合金的強(qiáng)度，硅則可提高合金的鑄造性能和降低其熱脆性。在Al-Cu-Si合金系列中，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%~4%時(shí)為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，通常這部分合金中還含有一定量的鎂，以進(jìn)一步提高合金的熱處理強(qiáng)化效果。
6、鋅
多年來鋁-鋅合金早已為人所知，但是鋁-鋅鑄造鋁合金的熱裂問題，以及變形鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性問題限制了它們的使用。鋅的固溶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化作用很小，因此，單獨(dú)在鋁中添加鋅沒有明顯的作用。然而，在添加銅和/或鎂的同時(shí)添加鋅以及少量的鉻，則鋁合金可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化或自然時(shí)效。
在鋁-鋅合金，特別是在w(Zn)=3%~7.5%的鋁合金中添加鎂，可以有效提高該系列合金的強(qiáng)度。合金中的鎂和鋅形成MgZn2，其熱處理強(qiáng)化效果明顯大于鋁-鋅二元合金體系。Al-Zn-Mg合金體系中的析出相是7xxx變形鋁合金系列和7xx.x鑄造鋁合金系列的強(qiáng)化基礎(chǔ)。在商用Al-Zn-Mg合金的共晶分解過程中，可以形成六方晶系的MgZn2相和體心立方的Al2Mg3Zn3相。根據(jù)合金中的鋅鎂比，不含銅的鋁合金通過析出MgZn2或Al2Mg3Zn3亞穩(wěn)態(tài)過渡相來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。在Al-Zn-Mg-Cu合金體系中，銅和鋁置換了MgZn2相中的鋅，形成了Mg(Zn，Cu，AI)相。在這類合金中也可以通過共晶分解和固相析出形成Al2CuMg顆粒。
在A1-Zn-Mg合金體系中添加銅和少量且重要的鉻和錳，可得到商用高強(qiáng)度鋁合金。在該合金體系中，銅的作用是提高固溶體的過飽和度，在時(shí)效時(shí)提高CuMgAl2相的形核速率，從而提高時(shí)效速率鋅和鎂的作用是控制時(shí)效進(jìn)程。在熱處理過程中銅也會(huì)提高淬火敏感度。一般來說，銅降低了Al-Zn-Mg合金的耐蝕性，但能提高合金抗應(yīng)力腐蝕的能力。鉻、鋯等附加合金元素對(duì)提高合金的力學(xué)性能和耐蝕性有顯著的影響。
7、鋰
鋰可以降低鋁合金的密度，提高其模量。在鋁-鋰二元合金中，鋰以亞穩(wěn)態(tài)Al3Li相析出。在Al-Cu-Li合金中，形成了大量的 Al-Cu-Li 相。與其他合金元素相比，鋰的成本較高，因此迄今為止，鋁-鋰合金主要在航天航空和軍工等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
8、鈧
鈧是鋁合金中新的合金元素。鋁-鈧合金在凝固或過飽和固溶體分解過程中，形成立方結(jié)構(gòu)的Al3Sc相，由此使鋁-鈧合金具有獨(dú)特的性能組合。Al3Sc立方相屬Ll2晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)與鋁的參數(shù)略有不同，比任何其他平衡相與基體的匹配都要好，與鋁基體保持共格。此外，Al3Sc相能有效地阻礙晶界遷移和再結(jié)晶過程。
由于鈧的價(jià)格非常昂貴，現(xiàn)在的生產(chǎn)原料基本來源于蘇聯(lián)的Sc203儲(chǔ)備，而且該資源還在不斷減少，因此僅限應(yīng)用于特定的場(chǎng)合。目前，絕大多數(shù)鈧的生產(chǎn)都來自于稀土生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，鈧的主要生產(chǎn)國是中國、俄羅斯、烏克蘭和哈薩克斯坦。由于缺乏可靠性、安全性和穩(wěn)定的長期生產(chǎn)，因此限制了鈧在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
同時(shí)添加鈧和鋯，可以將合金中鈧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少到0.15%~0.20%，由此可在提高力學(xué)性能、服役性能和熱穩(wěn)定性的情況下，降低合金的成本。在這種情況下，形成了致密晶體結(jié)構(gòu)立方相(Al3Sc平衡相和亞穩(wěn)態(tài)立方Al3Zr相)，在300~400℃(570~750℉)范圍內(nèi)，這兩種析出相都為共格析出。
熱處理對(duì)鋁合金性能的影響
鋁合金材料的研發(fā)主要是圍繞提高材料的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展的，而合金的性能又是由其組織決定的，熱處理是鋁合金性能優(yōu)化的關(guān)鍵手段，通過控制溫度、時(shí)間和冷卻速度等工藝參數(shù)，可以顯著改變合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性等性能。熱處理不僅影響合金的晶粒大小和析出相的分布，還能促使強(qiáng)化相的形成和轉(zhuǎn)變，為不同使用環(huán)境和力學(xué)要求提供精準(zhǔn)的性能調(diào)控?；诖?，針對(duì)鋁合金的強(qiáng)化方法，如固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等，成為提升合金性能的核心手段。
1、鋁合金的強(qiáng)化方法
鋁合金在常溫和中等應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，主要由位錯(cuò)滑移所致，而高溫和低應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形則由位錯(cuò)蠕動(dòng)和擴(kuò)散流變產(chǎn)生?？偟膩碚f，不管工作溫度高低，合金抵抗變形能力主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難易所決定。因而，把增加鋁合金對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的抗力稱為鋁合金強(qiáng)化。
鋁合金的強(qiáng)化及其分類方法很多，一般將其分為加工硬化和合金化強(qiáng)化兩大類。鋁合金強(qiáng)化方法可細(xì)分為加工硬化、固溶強(qiáng)化、異相強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和復(fù)合強(qiáng)化七類。在實(shí)際應(yīng)用過程中往往是幾種強(qiáng)化方法同時(shí)起作用。
A 加工強(qiáng)化
通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強(qiáng)度的方法，稱為加工硬化。塑性變形時(shí)增加位錯(cuò)密度是合金加工硬化的本質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬強(qiáng)烈變形后，位錯(cuò)密度可由106根/cm2增至1012根/cm2以上。因?yàn)楹辖鹬形诲e(cuò)密度越大，繼續(xù)變形時(shí)位錯(cuò)在滑移過程中相互交割的機(jī)會(huì)越多，相互間的阻力也越大，因而變形抗力也越大，合金即被強(qiáng)化。
金屬材料加工強(qiáng)化的原因是：金屬變形時(shí)產(chǎn)生了位錯(cuò)不均勻分布，先是較紛亂地成群糾纏，形成位錯(cuò)纏結(jié)，隨變形量增大和變形溫度升高，由散亂分布位錯(cuò)纏結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顏喗Y(jié)構(gòu)組織，這時(shí)變形晶粒由許多稱為“胞”的小單元組成;高密度位錯(cuò)纏結(jié)集中在胞周圍形成包壁，胞內(nèi)則位錯(cuò)密度甚低。這些胞狀結(jié)構(gòu)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使不能運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量劇增，以至需要更大的力才能使位錯(cuò)克服障礙而運(yùn)動(dòng)。變形越大，亞結(jié)構(gòu)組織越細(xì)小，抵抗繼續(xù)變形的能力越大，加工硬化效果越明顯，強(qiáng)度越高。由于產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，故也稱亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。
加工強(qiáng)化的程度因變形率、變形溫度及合金本身的性質(zhì)不同而異。同一種合金材料在同一溫度下冷變形時(shí)，變形率越大則強(qiáng)度越高，但塑性隨變形率的增加而降低。合金變形條件不同，位錯(cuò)分布亦有所不同。當(dāng)變形溫度較低(如冷軋)時(shí)，位錯(cuò)活動(dòng)性較差，變形后位錯(cuò)大多呈紊亂無規(guī)則分布，形成位錯(cuò)纏結(jié)，這時(shí)合金強(qiáng)化效果好，但塑性也強(qiáng)烈降低。當(dāng)變形溫度較高時(shí)，位錯(cuò)活動(dòng)性較大，并進(jìn)行交滑移，位錯(cuò)可局部集聚、糾結(jié)、形成位錯(cuò)團(tuán)，出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)化，屆時(shí)強(qiáng)化效果不及冷變形，但塑性損失較少。
加工硬化或亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化在常溫時(shí)是十分有效的強(qiáng)化方法，適用于工業(yè)純鋁、固溶體型合金和熱處理不可強(qiáng)化的多相鋁合金，但在高溫時(shí)通常因回復(fù)和再結(jié)晶而對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)顯著變小。
某些鋁合金冷變形時(shí)能形成較好的織構(gòu)而在一定方向上強(qiáng)化，稱為織構(gòu)強(qiáng)化。
表1 形變強(qiáng)化鋁合金的狀態(tài)代號(hào)
表2 冷加工對(duì)不可熱處理強(qiáng)化鋁合金拉伸性能的影響
B 固溶強(qiáng)化
合金元素固溶到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度一般都會(huì)得到提高，稱為固溶強(qiáng)化。所有可溶性合金化組元甚至雜質(zhì)都能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。特別可貴的是，對(duì)合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化時(shí)，在強(qiáng)度、硬度得到提高的同時(shí)，塑性還能保持在良好的水平上，但僅用這一種方法不能獲得特別高的強(qiáng)度。
合金元素溶入基體金屬后，使基體金屬的位錯(cuò)密度增大，同時(shí)晶格發(fā)生畸變?；兯a(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)交互作用，使合金元素的原子聚集到位錯(cuò)線附近，形成所謂“氣團(tuán)”，位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)就必須克服氣團(tuán)的釘扎作用，帶著氣團(tuán)一起移動(dòng)，或者從氣團(tuán)中掙脫出來，因而需要更大的切應(yīng)力。另外，合金元素的原子還會(huì)改變固溶體的彈性系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、內(nèi)聚力和原子的排列缺陷，使位錯(cuò)線變彎，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，包括位錯(cuò)與溶質(zhì)原子間的長程交互作用和短程交互作用，從而使材料得到強(qiáng)化。
固溶強(qiáng)化作用大小取決于溶質(zhì)原子濃度、原子相對(duì)尺寸、固溶體類型、電子因素和彈性模量。一般來說，溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化效果越大；原子尺寸差別越大，對(duì)置換固溶體的強(qiáng)化效果亦可能越大；溶質(zhì)原子與鋁原子的價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用亦越大；彈性模量大小的差異度越大，往往強(qiáng)化效果越好。
在采用固溶強(qiáng)化的合金化時(shí)，要挑選那些強(qiáng)化效果高的元素作為合金元素。但更重要的是要選那些在基體金屬中固溶度大的元素作為合金元素，因?yàn)楣倘荏w的強(qiáng)化效果隨固溶元素含量的增大而增加。只有那些在基體金屬中固溶度大的元素才能大量加入。例如，銅、鎂是鋁合金的主要合金元素；鋁、鋅是鎂合金的主要合金元素，都是因?yàn)檫@些元素在基體金屬中的固溶度較大的緣故。
進(jìn)行固溶強(qiáng)化時(shí)，往往采用多元少量的復(fù)雜合金化原則（即多種合金元素同時(shí)加入，但每種元素加入量少），使固溶體的成分復(fù)雜化，這樣可以使固溶體的強(qiáng)化效果更高，并能保持到較高的溫度。
圖3 原子尺寸對(duì)強(qiáng)化的影響
圖4 固溶體中鎂對(duì)退火鋁-鎂合金拉伸性能的影響
C 過剩相強(qiáng)化
過量的合金元素加入到基體金屬中去，一部分溶入固溶體，超過極限溶解度的部分不能溶入，形成過剩的第二相，簡稱過剩相。過剩相對(duì)合金一般都有強(qiáng)化作用，其強(qiáng)化效果與過剩相本身的性能有關(guān)，過剩相的強(qiáng)度、硬度越高，強(qiáng)化效果越大。但硬脆的過剩相含量超過一定限度后，合金變脆，力學(xué)性能反而降低。此外，強(qiáng)化效果還與過剩相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相呈等軸狀、細(xì)小和均勻分布時(shí)，強(qiáng)化效果最好。第二相很大、沿晶界分布或呈針狀，特別是呈粗大針狀時(shí)，合金變脆，合金塑性損失大，而且強(qiáng)度也不高，常溫下不宜大量采用過剩強(qiáng)化，但高溫下的使用效果可以很好。另外，強(qiáng)化效果還與基體相與過剩相之間的界面有關(guān)。
過剩相強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化有相似之處，只不過沉淀強(qiáng)化時(shí)，強(qiáng)化相極為細(xì)小，彌散度大，在光學(xué)顯微鏡下觀察不到;而在利用過剩相強(qiáng)化合金時(shí)，強(qiáng)化相粗大，用光學(xué)顯微鏡的低倍即能清楚看到。過剩和強(qiáng)化在鋁合金中應(yīng)用廣泛，幾乎所有在退火狀態(tài)使用的兩相合金都應(yīng)用了過剩相強(qiáng)化?；蛘吒鼫?zhǔn)確地說，是固溶強(qiáng)化與過剩相強(qiáng)化的聯(lián)合應(yīng)用。過剩相強(qiáng)化有時(shí)亦稱復(fù)相強(qiáng)化或異相強(qiáng)化。
D 彌散強(qiáng)化
非共格硬顆粒彌散物對(duì)鋁合金的強(qiáng)化稱彌散強(qiáng)化。為取得好的強(qiáng)化效果，要求彌散物在鋁基體中有低的溶解度和擴(kuò)散速率、高硬度（不可變形）和小的顆粒（0.1μm左右）。這種彌散物可用粉末冶金法制取或由高溫析出獲得，產(chǎn)生粉末冶金強(qiáng)化和高溫析出強(qiáng)化。
由彌散質(zhì)點(diǎn)引起的強(qiáng)化包括兩個(gè)方面:彌散質(zhì)點(diǎn)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的直接作用，彌散質(zhì)點(diǎn)為不可變形質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻后，必須繞越通過質(zhì)點(diǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)化，彌散物越密集，強(qiáng)化效果就越好;彌散質(zhì)點(diǎn)影響最終熱處理時(shí)半成品的再結(jié)晶過程，部分或完全抑制再結(jié)晶（對(duì)彌散粒子的大小和其間距有一定要求），使強(qiáng)度提高。彌散強(qiáng)化對(duì)常溫或高溫下均適用，特別是粉末冶金法生產(chǎn)的燒結(jié)鋁合金，工作溫度可達(dá)350℃。彌散強(qiáng)化型合金的應(yīng)變不太均勻，在強(qiáng)度提高的同時(shí)，塑性損失要比固溶強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化的大。熔鑄冶金鋁合金中采用高溫處理，獲得彌散質(zhì)點(diǎn)使合金強(qiáng)化，越來越得到人們關(guān)注。在鋁合金中添加非常低的溶解度和擴(kuò)散速率的過渡族金屬和稀土金屬元素，如含Mn、Cr、Zr、Sc、Ti、V等，鑄造時(shí)快速冷卻，使這些元素保留在α(Al)固溶體中，隨后高溫加熱析出非常穩(wěn)定的0.5μm以下非共格第二相彌散粒子，即第二類質(zhì)點(diǎn)。其顯微硬度可大于5000MPa，使合金獲得彌散強(qiáng)化效果。
這些質(zhì)點(diǎn)一旦析出，很難繼續(xù)溶解或聚集，故有較大的彌散強(qiáng)化效果。以Al-Mg-Si系合金為例，加入不同量的過渡元素可使抗拉強(qiáng)度增加6%~29%，屈服強(qiáng)度提高最多，達(dá)52%。此外，彌散質(zhì)點(diǎn)阻止再結(jié)晶即提高再結(jié)晶溫度，使冷作硬化效果最大限度保留，尤以Zr和Sc提高Al的再結(jié)晶溫度最顯著。
E 沉淀強(qiáng)化
從過飽和固溶體中析出穩(wěn)定的第二相，形成溶質(zhì)原子富集亞穩(wěn)區(qū)的過渡相的過程，稱為沉淀。凡有固溶度變化的合金從單相區(qū)進(jìn)入兩相區(qū)時(shí)都會(huì)發(fā)生沉淀。鋁合金固溶處理時(shí)獲得過飽和固溶體，再在一定溫度下加熱，發(fā)生沉淀生成共格的亞穩(wěn)相質(zhì)點(diǎn)，這一過程稱為時(shí)效。由沉淀或時(shí)效引起的強(qiáng)化稱沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化。第二相的沉淀過程也稱析出，其強(qiáng)化稱析出強(qiáng)化。鋁合金時(shí)效析出的質(zhì)點(diǎn)一般為G.P區(qū)，共格或半共格過渡相，尺寸為0.001~0.1μm，屬第三類質(zhì)點(diǎn)。這些軟質(zhì)點(diǎn)有三種強(qiáng)化作用即應(yīng)變強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和化學(xué)強(qiáng)化。時(shí)效強(qiáng)化的質(zhì)點(diǎn)在基體中均勻分布，使變形趨于均勻，因而時(shí)效強(qiáng)化引起塑性損失都比加工硬化、彌散強(qiáng)化和異相強(qiáng)化的要小。通過沉淀強(qiáng)化，合金的強(qiáng)度可以提高百分之幾十至幾百倍。因此，沉淀強(qiáng)化是Ag、Mg、Al、Cu等有色金屬材料常用的有效強(qiáng)化手段。
沉淀強(qiáng)化的效果取決于合金的成分、淬火后固溶體的過飽和度、強(qiáng)化相的特性、分布及彌散度以及熱處理制度等因素。強(qiáng)化效果最好的合金位于極限溶解度成分，在此成分下可獲得最大的沉淀相體積分?jǐn)?shù)。
F 晶界強(qiáng)化
鋁合金晶粒細(xì)化，晶界增多，由于晶界運(yùn)動(dòng)的阻力大于晶內(nèi)且相鄰晶粒不同取向使晶粒內(nèi)滑移相互干涉而受阻，變形抗力增加，即合金強(qiáng)化。晶粒細(xì)化可以提高材料在室溫下的強(qiáng)度、塑性和韌性，是金屬材料最常用的強(qiáng)韌化方法之一。晶界上原子排列錯(cuò)誤，雜志腹肌
晶界上原子排列錯(cuò)亂，雜質(zhì)富集，并有大量的位錯(cuò)、孔洞等缺陷，而且晶界兩側(cè)的晶粒位向不同，所有這些都阻礙位錯(cuò)從一個(gè)晶粒向另一個(gè)晶粒的運(yùn)動(dòng)。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積就越大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力也越大，因而合金的強(qiáng)度越高。晶界自身強(qiáng)度取決于合金元素在晶界處的存在形式和分布形態(tài)，化合物的優(yōu)于單質(zhì)原子吸附的，化合物為不連續(xù)、細(xì)小彌散點(diǎn)狀時(shí)，晶界強(qiáng)化效果最好。晶界強(qiáng)化對(duì)合金的塑性損失較少，常溫下強(qiáng)化效果好，但高溫下不宜采用晶界強(qiáng)化，因高溫下晶界滑移為重要形變方式，使合金趨向沿晶界斷裂。
鋁合金的晶粒細(xì)化的方法主要有三種。
（1）細(xì)化鑄造組織晶粒
熔鑄時(shí)采用變質(zhì)處理，在熔體中加入適當(dāng)?shù)碾y溶質(zhì)點(diǎn)（或與基體金屬能形成難熔化合物質(zhì)點(diǎn)的元素）作為非自發(fā)晶核，由于晶核數(shù)目大量增加，熔體即結(jié)晶為細(xì)晶粒。例如，添加Ti、Ti-B、Zr、Sc、V等都有很好的細(xì)化晶粒的作用；另外，在熔體中加入微量的，對(duì)初生晶體有化學(xué)作用從而改變其結(jié)晶性能的物質(zhì)，可以使初生晶體的形狀改變，如Al-Si合金的Na變質(zhì)處理就是一個(gè)很好的例子。用變質(zhì)處理方法，不僅能細(xì)化初生晶粒，而且能細(xì)化共晶體和粗大的過剩相，或改變它們的形狀。此外，在熔鑄時(shí)，采取增加一級(jí)優(yōu)質(zhì)廢料比例、避免熔體過熱、攪動(dòng)、降低鑄造溫度、增大冷卻速度、改進(jìn)鑄造工具等措施，也可以（或有利于）獲得細(xì)晶粒鑄錠。
（2）控制彌散相細(xì)化再結(jié)晶晶粒
抑制再結(jié)晶的彌散相MnAl?、CrAl?、TiAl?、ScAl?、VAl?和ZrAl?質(zhì)點(diǎn)，在顯微組織中它們有許多都是釘扎在晶界上，使晶界遷移困難，這不僅阻礙了再結(jié)晶，而且增加了晶界的界面強(qiáng)度，它們可以明顯細(xì)化再結(jié)晶晶粒。這些彌散相的大小和分布，是影響細(xì)化效果的主要因素，越細(xì)小越彌散，細(xì)化效果越好。彌散相的大小和分布主要受高溫?zé)崽幚砗蜔峒庸さ挠绊?。獲得細(xì)小彌散相的方法主要有：在均勻化時(shí)先進(jìn)行低溫預(yù)處理形核，然后在進(jìn)行正常熱處理；對(duì)含Sc的合金采用低溫均勻化處理；對(duì)含Mn、Cr的合金采用較高溫度均勻化處理；還可以采用熱機(jī)械加工熱處理的方法獲得細(xì)小彌散相，即對(duì)熱加工后的鋁合金進(jìn)行高溫預(yù)處理，然后再進(jìn)行正常的熱加工，如7175-T74合金鍛件就采用過這種工藝；此外，也可以通過熱加工的加熱過程和固溶處理過程來調(diào)控彌散相。
（3）采用變形及再結(jié)晶方法細(xì)化再結(jié)晶晶粒
采用強(qiáng)冷變形后進(jìn)行再結(jié)晶，可以獲得較細(xì)的晶粒組織;采用中溫加工可以獲得含有大量亞結(jié)構(gòu)的組織；采用適當(dāng)?shù)臒釘D壓并與合理的再結(jié)晶熱處理相結(jié)合，可以獲得含有大量亞結(jié)構(gòu)的組織，得到良好的擠壓效應(yīng)；在再結(jié)晶處理時(shí)，采用高溫短時(shí)，或多次高溫短時(shí)固溶處理均可以獲得細(xì)小的晶粒組織。
G 復(fù)合強(qiáng)化
采用高強(qiáng)度的粉、絲和片狀材料和壓、焊、噴涂、溶浸等方法與鋁基體復(fù)合，使基體獲得高的強(qiáng)度，稱為復(fù)合強(qiáng)化。按復(fù)合材料形狀，復(fù)合強(qiáng)化可分為纖維強(qiáng)化型、粒子強(qiáng)化型和包覆材料三種。晶須和連續(xù)纖維常作纖維強(qiáng)化原料，粒子強(qiáng)化型有粉末冶金和混合鑄造兩類。對(duì)燒結(jié)鋁合金屬粒子復(fù)合強(qiáng)化合金，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是彌散強(qiáng)化的典型合金。復(fù)合強(qiáng)化的機(jī)理與異相強(qiáng)化相近。這種強(qiáng)化在高溫下強(qiáng)化效果最佳，在常溫下也可顯著強(qiáng)化，但塑性損失大?？梢杂米髟鰪?qiáng)纖維的材料有碳纖維、硼纖維、難熔化合物(Al3O2、SiC、BN、TiB2等)纖維和難熔金屬(W、Mo、Be等)細(xì)絲等。這些纖維或細(xì)絲的強(qiáng)度一般為2500~3500MPa。此外，還可用金屬單晶須或Al3O2、B4C等陶瓷單晶須作為增強(qiáng)纖維，它們的強(qiáng)度就更高。但晶須的生產(chǎn)很困難，成本很高。
鋁合金是一種典型的基體材料。以硼纖維增強(qiáng)和可熱處理強(qiáng)化的合金（如Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si）或彌散硬化的Al-Al3O2系為基的金屬復(fù)合材料，其比強(qiáng)度和比剛度為標(biāo)準(zhǔn)鋁合金的2~3.5倍，已被用于航空及航天工業(yè)。
金屬基體復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理與上述固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化等機(jī)理不同，這種強(qiáng)化主要不是靠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而是靠纖維與基體間良好的浸潤性緊密粘結(jié)，使纖維與基體之間獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度。這樣，由于基體材料有良好的塑性和韌性，增強(qiáng)纖維又有很高的強(qiáng)度，能承受很大的軸向負(fù)荷，所以整個(gè)材料具有很高的抗拉強(qiáng)度及優(yōu)異的韌性。此外，這種材料還能獲得很高的比強(qiáng)度、很高的耐熱性及抗腐蝕性，是目前材料發(fā)展的一個(gè)新方向。
2、各類強(qiáng)化方法在鋁合金生產(chǎn)中的應(yīng)用
不可熱處理強(qiáng)化鋁合金的強(qiáng)化
純鋁、Al-Mg、Al-Mg-Sc、Al-Mn合金屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，主要靠加工硬化和晶界強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度，輔助強(qiáng)化機(jī)制還有固溶強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化、彌散相強(qiáng)化等。加工硬化可通過熱變形、冷變形、冷變形后部分退火而不同程度地獲得。熱變形產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，變形溫度越高，亞晶尺寸越粗大，強(qiáng)化效果越差，但塑性相當(dāng)高。經(jīng)完全退火的材料進(jìn)行不同程度的冷變形，冷變形率越大，制品強(qiáng)度越高，但塑性也越低。冷變形的加工硬化效果最大。充分冷變形的制品在不同溫度下退火，控制回復(fù)和再結(jié)晶階段，可保留不同程度的加工硬化量即不同的強(qiáng)化效果。
可熱處理強(qiáng)化鋁合金的強(qiáng)化
工業(yè)生產(chǎn)的可熱處理強(qiáng)化鋁合金有Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，以及開發(fā)中的Al-Cu-Li和Al-Mg-Li合金等。這些合金普遍采用淬火時(shí)效，并主要通過沉淀強(qiáng)化方法來獲得很高的強(qiáng)度，輔助強(qiáng)化機(jī)制也有固溶強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化、彌散相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等。自然時(shí)效時(shí)G.P區(qū)為主要強(qiáng)化相，人工時(shí)效主要是G.P區(qū)加過渡相起強(qiáng)化作用，過時(shí)效時(shí)才出現(xiàn)穩(wěn)定相，出現(xiàn)穩(wěn)定相后強(qiáng)度降低。
形變時(shí)效與擠壓效應(yīng)強(qiáng)化
在Al-Cu系和Al-Mg-Si系合金中，較多采用形變時(shí)效方法獲得高強(qiáng)度，該方法包括T3、T8和T9三種狀態(tài)，都是利用時(shí)效強(qiáng)化和冷作硬化的交互作用及強(qiáng)化在一定程度上的疊加作用。2124-T8厚板因冷變形產(chǎn)生的大量滑移線，滑移線上成排分布著時(shí)效析出相，二者的聯(lián)合作用使塑性變形更為困難，即強(qiáng)度進(jìn)一步提高。
可熱處理強(qiáng)化鋁合金擠壓制品淬火時(shí)效后的強(qiáng)度比其他方法生產(chǎn)的同一合金相同熱處理狀態(tài)下的強(qiáng)度高，這一現(xiàn)象稱為擠壓效應(yīng)。其組織觀察發(fā)現(xiàn)全部或部分保留了冷作硬化效應(yīng)，基體中保留了大量亞結(jié)構(gòu)，故強(qiáng)化是時(shí)效強(qiáng)化和亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的疊加。
Al-Si合金的強(qiáng)化
Al-Si系變形鋁合金，特別適合于生產(chǎn)活塞等模鍛件，合金中硅含量ω(Si)=12%~13%，還含有一定量的Cu、Mg、Ni等。組織中有較多的結(jié)晶時(shí)生成的共晶硅，均布在軟的α(Al)基體上，尺寸大都在5μm左右，硬且脆。這種共晶硅是鋁合金中異相強(qiáng)化的典型例子。由于異相強(qiáng)化具有耐高溫、耐磨和中強(qiáng)等特點(diǎn)，故特別適合于制作活塞。
來源：《鋁合金的熱處理》、《簡明鋁合金加工手冊(cè)》、網(wǎng)絡(luò)
來源：材易通
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