铝合金在航空航天、汽车交通、电子电器、建筑结构等领域拥有极其广阔的应用前景。它们兼具轻质、高比强度、良好加工性能和耐蚀性，但针对不同行业的具体要求（如高强度、耐疲劳、易成形等），往往需要通过热处理工艺进行“定制化”性能调控。与许多其它金属材料相比，部分铝合金具有“可热处理强化”的特殊机理，通过特定的退火、淬火和时效操作，可以大幅改变合金的强度、塑性以及耐蚀性。这种“组织—性能”的可调节性，决定了铝合金在现代制造业中的重要地位。实际生产中，不仅要追求更高的强度，还需兼顾塑性、韧性、耐腐蚀、疲劳寿命等多重指标。合理的热处理能够在这些性能需求之间取得最佳平衡，从而满足应用场景对质量和可靠性的要求。今天小编以“退火—淬火（固溶处理）—时效”为主线，总结铝合金热处理知识点，希望大家能够较为全面的掌握这部分知识体系，并在实际生产或科研中灵活运用。

1、铝合金的基础知识

纯铝：银白色轻金属，密度小，导电性、导热性好，化学性质活泼，易与氧反应形成致密的氧化膜，阻止其进一步氧化从而具有抗蚀性。

铝合金：一般情况下工业纯铝难以满足服役要求，通常会以铝为基体，加入少量金属或非金属元素，采用合金化方式使其性能得到显著提升，铝合金具有比强度和比刚度高，弹性好、塑性好、抗冲击性能良好的优势，此外还具有优异的成形和加工性能，可进行精密铸造和粉末冶金成形。

• 与钢铁相比，铝及铝合金的比重低（约 2.7 g/cm³），且具备较高的比强度、良好的塑性变形能力、可回收循环利用等优势。

• 在航空、航天、轨道交通、汽车、电子产品、建筑和包装等众多领域获得广泛应用。

铝合金的发展历史：

铝合金有多种划分方式，常见的是按加工方式与强化机制进行划分。

1. 变形铝合金（Wrought Aluminum Alloys）

   • 这类合金可通过压力加工（轧、挤、锻、冲、拉等）制成板材、带材、管材、型材、锻件和箔材等。

   • 常用牌号按照合金元素分成 1xxx~8xxx 系，如 2xxx（Al-Cu）、5xxx（Al-Mg）、6xxx（Al-Mg-Si）、7xxx（Al-Zn-Mg）等。

2. 铸造铝合金（Cast Aluminum Alloys）

   • 这类合金主要通过铸造工艺（如砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等）获得铸件。

   • 常见如 Al-Si、Al-Cu、Al-Mg 为主的合金体系，牌号如 ZL101、ZL104 等。

1. 可热处理强化铝合金

   • 2xxx（Al-Cu 系，如 2024、2A12）

   • 6xxx（Al-Mg-Si 系，如 6061、6063）

   • 7xxx（Al-Zn-Mg 系，如 7075、7A04）

   • 通过固溶处理＋时效（沉淀强化）可显著提升强度，是铝合金中最具潜力的强化方式。

   • 典型合金系列：

   • 这些合金在航天、航空、汽车和机械领域应用广泛。

2. 不可热处理强化铝合金

   • 无法通过时效析出强化来提高强度，主要依靠加工硬化（冷变形）和合金本身的固溶度提升强度。

   • 常见系列如 3xxx（Al-Mn）、5xxx（Al-Mg）及部分 4xxx（Al-Si）。

   • 应用例如食品包装、建筑装饰、船舶结构（如 5083）等。

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   • 2、铝合金的热处理过程与原理

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     铝合金的热处理可大体分为退火（软化处理）和固溶时效（强化处理）两大类。其中，固溶时效又可拆分为淬火（固溶处理）与时效两个关键步骤。通过合理选择和控制这三大工序，可以有效调节铝合金的组织与性能。

     一、退火

      

     1. 目的与作用

     软化材料，消除加工硬化

     在铝合金的塑性加工（轧制、拉伸、挤压等）过程中，会累积大量位错和内应力，材料强度上升但塑性明显下降。退火可使位错重组与湮灭，材料硬度降低、延展性和韧性提高，便于后续继续加工或满足对软态制品的要求。

     均匀组织，减少成分偏析
     对铸锭或铸造件进行均匀化退火，可以缓解铸造时产生的成分偏析、组织不均和过大的残余应力，为后续热轧或冷轧等变形工序提供更加均匀稳定的材料组织。

     获得特定力学或物理性能
     不同的退火温度和保温时间，会影响再结晶过程的进行程度以及晶粒的大小，从而改变材料的强度、硬度、延伸率等性能，为成品或中间制品打下合适的组织基础。

     2. 退火的类型与工艺要点

     1）铸锭均匀化退火

     适用对象：铸造锭坯，在快速冷却及非平衡结晶条件下易产生宏观或微观成分偏析。

            工艺特点：

     • 温度一般接近但低于合金的低熔点共晶温度 5~40℃；

     • 保温 12~24 小时甚至更长，以便充分原子扩散；

     • 冷却方式通常为空冷或缓冷，让组织均匀化且减少热应力。

     2）坯料退火

     适用对象：热轧或铸锭后、在进行首次冷加工（如冷轧、冷拉）的材料。

     目的：消除部分或全部加工硬化及淬火效应，使材料获得足够的塑性和稳定组织，方便后续大变形量的加工。

     工艺示例：

     • 对非热处理强化合金（如 LF3、5xxx 系）：温度 370~470℃保温1.5~2.5 小时后空冷。

     • 对可热处理强化合金（如 LY12、2xxx 系）：温度 390~450℃保温1~3 小时，然后以不大于 30℃/h 的速度炉冷至 270℃ 以下再出炉空冷。

     3）中间退火

     适用对象：在多道次冷加工工序（轧制、拔制、拉伸）之间进行的退火。

     目的：消除已产生的加工硬化，防止继续冷加工时开裂或难以变形。

     工艺依据：

     • 当累计冷变形量达 45~85% 后，若不退火则很难继续加工；

     • 对于完全退火（总变形量 ε≈60~70%）或简单退火（ε≤50%），温度与坯料退火类似；

     • 若变形量较小（轻微退火），可采用较低温度（320~350℃）加热 1.5~2 小时后空冷。

     4）成品退火

     适用对象：成品或半成品，为满足最终技术要求或取得特定力学性能。

     分类：

     • 高温退火：确保完全再结晶、得到软态制品；

     • 低温退火：包括消除内应力退火、部分软化退火，保留一定强度并释放部分内应力。

     工艺复杂度：需综合考虑前序冷加工量、合金成分、杂质含量以及冷却方式等对组织与性能的影响。

     
     

     二、淬火

     
     

     1. 概念与目的

     • 淬火（固溶处理）的本质：
       铝合金的淬火也称固溶处理,即将铝合金加热到尽可能高但又不会发生过烧或局部熔化的温度范围，确保合金元素（如 Cu、Mg、Zn、Si 等）在基体铝中充分溶解，形成高温单相（α相），随后迅速冷却，使这些已溶解的元素来不及析出，而滞留于室温下的 α 基体之中，形成一种过饱和固溶体。这为后续时效（沉淀强化）奠定了组织基础。铝中绝大多数合金元素能够构成具有这一特点的共晶型相图。以Al-Cu合金为例,共晶温度为548℃,铜在铝中的室温溶解度不足0.1%,加热到548℃,其溶解度则提高到5.6%,因此,含铜在5.6%, 以下的Al-Cu合金,加热温度超过其固溶线以后,进入α单相区,即第二相CuAl2全部溶入基体,淬火后就可获得单一的过饱和α固溶体。

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     • • 意义：

         • 让最大量的强化元素处于溶解状态，时效时可析出更多、更细小且高密度的沉淀相；

         • 若淬火温度或冷却速度不足，残余强化元素在高温或冷却阶段即发生再析出，降低材料强化潜力。

       2. 工艺要点与影响因素

             1. 淬火温度

       • 选择原则：尽可能提高以增大溶解度，同时避免合金过烧；

       • 控制范围：通常控制在共晶熔点或低熔点共晶温度以下的 5~10℃ 或更安全的区间；

       • 工艺举例：

         Al-Cu 合金（2xxx 系）常在 495~505℃ 间固溶；

         Al-Mg-Si 合金（6xxx 系）常在 500~540℃ 固溶等。

       2. 保温时间

       • 需足够长以使强化元素充分溶解，但又不能过长，以免发生晶粒粗化；

       • 一般根据工件厚度、加热炉效率和合金特性综合确定。

       3. 冷却速度（Quenching Rate）

       • 在 290~420℃ 的敏感区间，如果冷却太慢，强化元素会在冷却阶段大量析出（降低强化效果），且耐蚀性降低；

       • 冷却速度越快，合金强度潜力越高，但零件残余应力和变形开裂风险也越大。

       • 常见介质：

       • 水淬（常温 1030℃ 水或 4080℃ 热水），可喷淬或浸淬；

       • 对于复杂零件或厚薄差距大的工件，为减小变形与开裂，往往升高水温或进行分级淬火；

       • 对于非常精密或易变形的组件，可采用聚合物溶液淬火或油淬等方案，但要保证足够冷却速率。

       4. 过烧与防控

       • 一旦过烧，材料晶界熔化或部分熔蚀，性能严重受损且不可逆；

       • 要求炉温精度较高（±3℃ 以内），并保证炉内温度均匀分布。

       三、时效

        

        

       将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效。

       1. 概念与分类

       • 自然时效：

       • 将淬火后的铝合金置于室温下存放，过饱和固溶体中元素逐渐聚集成极微小沉淀（如 GP 区），合金强度和硬度随时间缓慢提升；

       • 常见于 2xxx、6xxx 系合金，有时数天或数周才能达到显著强化效果。

       • 人工时效（中高温时效）：

       • 将淬火后的合金加热到 100~200℃ 范围并保温数小时至数十小时，促进过饱和固溶体中元素迅速析出；

       • 强度上升速度快，易于工业化批量生产控制，强度往往高于自然时效状态；

       • 常见状态代号如 T5（高温成形后直接时效）或 T6（固溶淬火＋人工时效）。

       2. 沉淀强化机理

       1. 过饱和固溶体在时效中的析出顺序

          • 以 Al-Cu 合金为例：α(过饱和)  →  GP区  →  θ′′  →  θ′  →  θ(CuAl2）

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          • 图a是淬火状态的晶体点阵结构此时为单相α过饱和固溶体,铜原子(黑色圆点)均匀随机地分布在铝(白色圆点)基体点阵中。图 b表示析出初期的点阵结构,铜原子在基体点阵的某些区域开始集中,形成一种富铜区,称GP区。GP区尺寸极小,呈圆盘形,其直径大约为5~10μm,厚0.4~0.6nm,GP区在基体中的数量极大,分布密度可达1017~1018cm-3。GP区的晶体结构仍与基体相同,均为面心立方,而且与基体保持共格界面。但因铜原子尺寸比铝原子小,铜原子富集后将造成区域附近的晶体点阵收缩,即引起了点阵畸变。

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          • • 这些析出相在从完全共格到非共格的演变过程中，对位错运动造成强烈障碍，材料强度显著提高；

            • 相似的，在 Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg 等体系也有各自特征析出序列。

            1. 析出相尺寸与强化效果

               • 小而弥散的析出相可以明显阻挡位错；

               • 若时效时间过长或温度过高，析出相会粗化并出现“过时效”，导致强度下降。

            2. 单级时效 vs. 多级时效

               • 单级时效（T6）：典型工艺，获得峰值硬度与强度；

               • 多级时效（T73 或 T76 等）：在抑制过度析出的同时，亦可改善抗应力腐蚀性能或提高韧性、延展性。

            3. 时效工艺参数与性能的关系

            1. 时效温度

               • 温度越高，析出速度越快；

               • 保温时间可缩短，但若温度或时间控制不当，可能快速进入过时效阶段。

            2. 时效时间

               • 过短：析出不充分，强度无法达到峰值；

               • 适中：析出相呈理想尺寸和分布，达到峰值时效硬度；

               • 过长：析出相粗化，强度下降，塑性或韧性相对提升。

            3. 合金成分和前序工艺

               • 含 Cu、Zn、Mg 等强化元素的含量越高，时效强化潜力越大，但也需严格控制淬火质量；

               • 坯料状态或预先形变处理也会影响析出相形态、形核数量等。

               • 3、常见的热处理缺陷及如何避免

               • 1. 过烧

                  

                 在固溶处理或高温退火过程中，由于温度过高或保温过长导致低熔点共晶局部熔化，晶界受到严重破坏。

               • 

               • 会导致：

                 • 材料力学性能（强度、延伸率）明显下降；

                 • 耐蚀性也随之劣化；

                 • 一旦过烧，通常无法恢复，需报废处理。

                 出现原因：

                 • 炉温控制不准确或局部过热，出现温度超调；

                 • 加热时间过长导致局部晶界溶化；

                 • 合金成分不稳定，低熔点共晶过早出现。

                 避免措施：

                 • 精确的炉温控制：保持炉温在目标区间内（一般要求±3~5℃控制精度）；

                 • 缩短高温保温时长：在确保固溶或均匀化的前提下，避免过度保温；

                 • 分级加热：若设备或工艺允许，可采取分段升温以减少过热风险；

                 • 良好的炉内循环：确保炉内温度分布均匀，防止局部温度过高。

                 2、淬火变形与开裂

                 淬火后工件出现翘曲、弯曲，甚至沿弱截面或应力集中部位产生裂纹。会导致：

                 • 影响产品尺寸精度；

                 • 可能导致结构件在后续使用中发生潜在安全问题；

                 • 需要返修或报废，增加生产成本。

                 出现原因：

                 • 冷却速度过快，工件内外形成较大温差和应力；

                 • 工件几何形状复杂、壁厚差别大，热应力不易均衡；

                 • 合金淬透性高，热胀冷缩过程激烈。

                 避免措施：

                 • 择合适的淬火介质和温度：

                 • 对复杂形状或大型工件，可使用较高温度水（如 50~80℃）或聚合物溶液，以减缓冷却速度；

                 • 对形状简单的小件可采用低温水或水温在 20~30℃以保证足够强度。

                 • 优化工件设计：均匀壁厚，减少应力集中部位；

                 • 改进淬火方式：

                 • 分级淬火或喷雾淬火，均匀过渡温度，减少内应力；

                 • 淬火后快速转入拉伸矫直或时效，以释放部分应力。

                 3、过时效

                 时效保温温度过高、时间过长，析出相发生粗化、长大，会导致：

                 • 合金强度和硬度明显下降，无法达到峰值硬度；

                 • 某些合金的疲劳性能、耐蚀性也可能受到影响。

                 出现原因：

                 • 对人工时效温度或时间控制不当，超过了最佳峰值时刻；

                 • 炉温不均匀或升温过快；

                 • 操作管理失误（如延迟出炉或停炉不及时）。

                 避免措施：

                 • 精准制定时效制度：根据合金牌号和零件要求，确定合理的温度、保温时间；

                 • 监控时效过程：定期测硬度或参考已建立的时效曲线，一旦接近峰值硬度即可结束时效；

                 • 炉温均匀性与自动化：自动化温控与时间控制，避免操作失误。

                 4、欠淬火

                 未达到应有的固溶温度或保温不足，部分强化元素未充分溶解，会导致：

                 • 合金实际强化潜力被削弱，时效后强度达不到预期；

                 • 材料性能分散度大。

                 出现原因：

                 • 炉温低于正常固溶温度或温度不均，保温时间不足；

                 • 工件截面太厚，中间部位未达到预期温度。

                 避免措施

                 • 保证固溶处理温度与时间：根据工件尺寸适当延长保温时间；

                 • 增设测温点：在工件中心或关键位置进行温度监测，确保温度达标。

                 5、粗晶与晶粒长大

                 热处理后材料晶粒明显变粗，尤其在过烧或高温保温过长情况下易出现；会导致后果：

                 • 强度、塑性均下降；

                 • 疲劳性能衰减，且表面质量可能变差。

                 出现原因：

                 • 热处理温度过高或保温过久；

                 • 合金中缺乏足够的晶粒细化剂或弥散相控制晶粒长大。

                 避免措施：

                 • 合理控制加热温度和时间：避免在过高温度下长时间停留；

                 • 改进合金成分：添加微量元素（Zr、Cr、Mn 等）以抑制晶粒生长。

                 6、残余应力

                 淬火后或冷却不均时，工件内部存在较大残余拉应力或压应力；会导致后果：

                 • 可能在后续加工或服役中发生尺寸变化甚至开裂；

                 • 应力腐蚀开裂风险增大。

                 出现原因：

                 • 冷却速度过快，内外温差导致体积收缩不一致；

                 • 厚壁差异较大的工件在淬火时应力集中。

                 避免措施：

                 • 选择合适的冷却方式：高水温、分级淬火或聚合物淬火；

                 • 后续消除应力处理：如应力拉伸(T651 等)、低温回火或在 100~150℃ 下保温以减轻内应力；

                 • 改善工件结构设计，避免大的截面突变。

                 7、表面氧化或腐蚀

                 热处理后材料表面出现氧化斑点、腐蚀坑或变色；会导致：影响外观质量，甚至削弱耐蚀性或后续涂装效果。

                 出现原因：

                 • 炉内气氛不洁净，含有氧化性或腐蚀性成分；

                 • 淬火介质不纯、pH 值偏酸性或碱性；

                 • 料件暴露在高湿度或腐蚀性环境中过久。

                 避免措施：

                 • 保持热处理环境清洁，若有条件可用惰性气氛或良好通风；

                 • 定期检测淬火水质、控制水中杂质和腐蚀离子浓度；

                 • 淬火后及时干燥或封闭存储，必要时进行表面防护处理（阳极氧化、电泳涂装等）。

                 8、应力腐蚀或析出不当带来的耐蚀性降低

                 时效或淬火质量不当导致析出相在晶界集中，使材料在服役时发生应力腐蚀开裂；会导致：

                 • 极易产生沿晶开裂或孔蚀，严重影响使用寿命；

                 • 需要更换或特种防护，加大成本。

                 出现原因：

                 • 高强铝合金（如 2xxx、7xxx 系）在 T6 等高强度状态下常见此问题；

                 • 强化相在晶界偏聚或析出连续带；

                 • 淬火不及时或冷却速度过慢，晶界处局部析出。

                 避免措施：

                 • 多级时效：如 T73、RRA 等方式可减轻应力腐蚀敏感性；

                 • 快速淬火：减少晶界第二相偏聚；

                 • 表面防护：如阳极氧化、喷漆涂装；

                 • 选择合适合金及杂质控制：降低敏感元素或添加微量 Cr、Zr 细化晶粒，减少沿晶析出。