材料制备与加工实验实验指导书1目录实验1、铝合金时效硬化曲线的测定及其影响因素分析实验2、焊接工艺与焊缝组织检验2实验一、铝合金时效硬化曲线的测定及其影响因素分析一、实验目的1．掌握固溶淬火及时效处理的基本操作，时效工艺制定。2．测定不同时效温度下硬度-时效时间关系曲线，分析时效温度和时效时间对时效强化效果的影响规律；3．表征不同时效处理样品的显微结构，分析和讨论时效强化机制。4.根据时效温度和时间对合金硬度的影响规律，并结合时效机理，讨论时效工艺参数的优化。二、实验原理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，它是一种扩散型相变。发生这种转变的最基本条件是，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，如图2-1所示。如果将C0成分的合金自单相α固溶体状态缓慢冷却到固溶度线(MN)以下温度(如T3)保温时，β相将从α相固溶体中脱溶析出，α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α(C0)→α(C1)+β。其中β为平衡相，它可以是端际固溶体，也可以是中间相，反应产物为(α+β)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，β相将全部溶入α相中，然后再急冷到室温将获得单相过饱和的α固溶体。这种处理称为固溶处理（淬火）。图2-1固溶处理与时效处理的工艺过程示意图然而过饱和的α相固溶体在室温下是亚稳定的，它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。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。3若将过饱和固溶体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α相固溶体和θ相(CuAl2)。该合金经固溶处理获得过饱和α相固溶体，加热到130℃进行时效，其脱溶顺序为：G.PⅠ区→G.PⅡ区（θ″相）→θ′→θ相，即在平衡相θ出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。按时效硬化曲线的形状不同，可分为冷时效和温时效，如图2-2所示。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A1基和Cu基合金中，冷时效过程中主要形成G.PⅠ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，一般认为这是脱溶相形核准备阶段，接着硬度迅速上升，达到一极大值后又随时间延长而下降。温时效过程中将析出G.PⅡ区、过渡相θ′和平衡相θ。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越低。冷时效与温时效的温度界限视合金而异，Al合金一般在100℃左右。图2-2冷时效和温时效过程硬度变化示意图冷时效与温时效往往是交织在一起的。图2-3示出了不同成分的A1-Cu合金在130℃时效时硬度与脱溶相的变化规律。由图可见，A1-Cu合金的时效硬化主要依靠G.PⅠ区和θ″相，θ″相的强化效果最明显，当出现θ′相以后合金的硬度下降。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。4图2-3A1-Cu合金在130℃时效时硬度与析出相的关系因此，可以用提高温度来加快时效过程，缩短时效时间。例如，将A1-4％Cu-5％Mg合金的时效温度从200℃提高到220℃，时效时间可以从4h缩短为1h。但时效温度又不能任意提高，否则强化效果将会减弱。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、...
