铝合金的析出硬化处理.docx
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铝合金的析出硬化处理
鋁合金的析出硬化處理
1.實驗目的
1.瞭解析出硬化的機制。
2.學習鋁合金析出硬化處理之適當作業步驟。
3.學習析出硬化效果之量測。
2.實驗設備
中溫加熱爐、低溫加熱爐、淬火槽、硬度試驗計及金相觀察設備。
3.實驗原理
1.析出硬化簡介【1~8】：
二十世紀初德國人AlfredWilm把含有4%Cu及微量Mg和Mn之鋁合金，經高溫淬火後，室溫放置或於稍高溫下恆溫處理一段時間，發現此合金有時效硬化現象；即其硬度和強度會隨放置（或處理）時間之增長逐漸增加。
1930年代Guinier和Preston利用X-Ray繞射法量測出微細析出物的存在，1950年代TEM發明而可直接觀察析出粒子，使析出硬化之理論快速進展而逐漸建立。
目前已可使某些鋁、鈦、鎂和銅之合金、不銹鋼、超合金及麻時效鋼等結構材料，利用析出硬化處理大幅提高它們之強硬度。
析出硬化處理的最基本程序至少須包含三個步驟：
溶體化處理（solutiontreatment）、快速淬火（quenching）及時效處理（agingtreatment）。
溶體化處理是將材料加熱至固溶線以上之單相區，持溫一適當時間使合金元素全部溶入基地而形成單相固溶體。
快速淬火至低溫，則材料形成過飽和固溶體。
時效處理是要把過飽和固溶體放置於室溫或在稍高溫恆溫加熱，使超過溶解度的合金元素或金屬間化合物逐漸析出，來產生強硬化的效應。
因此，能析出硬化的材料必需具備兩項基本的特性：
（1）主要合金元素的溶解度須隨溫度之升高而增加，亦即能在淬火後形成過飽和固溶體。
（2）能在室溫或稍高溫析出微細又密集的非平衡相析出物。
2.熱處理型鋁合金【3】
鋁合金因所含的合金元素及產生的組成結構對熱處理的反應不同，一般可粗分成兩種類型，熱處理型與不能熱處理型鋁合金；前者是指鋁合金之強硬度主要可藉熱處理（析出硬化）來增大，後者之強硬度只有利用固溶硬化或加工硬化來增大。
屬於熱處理型之商用鋁合金有2000系之Al-Cu-（Mg），6000系之Al-Mg-Si及7000系之Al-Zn-Mg-（Cu）；其他1000系之純鋁，3000系之Ai-Mn，4000系之Al-Si及5000系之Al-Mg等合金雖亦具有析出硬化所需的第一項特性，但因析出物為粗大之平衡相，而不適合用為析出硬化型鋁合金。
3.鋁合金析出硬化的機制【3~6】
茲以Al-Cu合金為例，圖1【3，6】顯示此合金平衡圖靠富鋁之部份。
在548℃以下Cu在Al內之溶解度由5.7%降至0.5%，因此，如把Al-5%Cu之鋁合金在545℃固溶體處理一星期後，合金元素Cu或金屬間化合物CuAl2粒子就完全溶入固溶體之內而成單相固溶體。
此時若緩慢冷卻，則降至525℃左右將開始析出AlCu2，隨溫度持續的緩慢下降至室溫，AlCu2會長成沒有析出硬化作用的粗大析出物，如圖2【6】所示。
如果固溶體處理後快速淬火至室溫水中，則高溫之析出被抑制而形成過飽和固溶體，如圖3【6】所示，大部份之溶質仍留在基地內。
把此過飽和固溶體放置在室溫下（自然時效）或在稍高溫度中（人工時效）保持一段適當時間，使合金中過量的合金原子或金屬間化合物粒子於低溫中析出，此種微細之析出物在溶體內會產生應力場，對差排之滑移產生阻力而達到使合金硬化的效果，材料最後的性質就依析出粒子的大小和粒子在晶粒內的分佈而定。
進行人工時效的溫度愈高，析出粒子的粒徑愈大、顆粒數愈少及分佈愈疏鬆，此種析出粒子對變形的阻力愈小，亦即對硬化之效益愈少；圖4【6】顯示出Al-4%Cu鋁合金在不同時效溫度下的時效硬化曲線，可清楚的看出在每一特定的溫度時效，其硬度均隨時效時間之增加先逐漸上升至最大硬度再逐漸下降，而溫度在110℃~130℃之間可獲得最大之硬化效益，溫和度太高或太低，其最高硬度都較小。
鋁合金在固溶體處理及淬火後的質地為一相當軟、常溫時狀態不安定的過飽和固溶體。
欲安定，乃析出第二相，如G.P.一區和G.P.二區等中間相，這些相的晶粒和基地晶粒具有完全整合性（fullycoherency），這種整合性使兩種晶粒間產生具有「鏈」與「鎖」的作用之應力場，在材料承受外力時阻止差排的滑移，如圖5【6】所示，亦即可阻止基材內部結構的滑動和變形，達到硬化鋁合金的目的。
由於析出需要時間，所以其硬度會隨時效時間的增加而增大。
在常溫下進行即可獲得所需硬度者稱為自然時效（naturalaging），一般以T4表示其鍊度（temper）。
需要在稍高於室溫的條件下進行者稱為人工時效（artificialaging），一般以T6表示其鍊度。
人工時效主要是要使析出硬化作用能在合理的期間內完成，因為時效溫度愈高達到最大硬度的時間愈短，唯所穫得的硬度愈低，如圖4所示。
時效時間太長時，硬度會從最高點逐漸下降，即產生過時效（overaging）現象，這是因為析出粒子和基地間之整合性，將因析出粒子的成長而逐漸消失，先成為部份整合性（partiallycoherency），最後變成不整合性（noncoherency），亦即逐漸失去晶粒間的應力場，而失去硬化基地的功能，如圖6所示。
4.實驗方法與步驟
1.材料及試片準備
（1）材料：
AA2024，AA6061或AA7075鋁合金之板材。
（2）試片尺寸：
60㎜×30㎜×2㎜。
（3）試片之邊緣須去除毛邊並用砂紙研磨。
2.析出硬化處理
（1）把三組試片放入中溫爐內、加熱至固溶體化溫度；各種鋁合金的固溶溫度參考表一。
（2）在固溶溫度保持1小時後，急速從爐中取出試片淬火於室溫之水中；容許之淬火延遲時間參考表二。
（3a）第一組試片淬火後，放置於室溫自然時效；時效時間分別為0.5、1、2、5、10、20、50及100小時。
（3b）第二組試片淬火後，放入低溫爐內作人工時效；人工時效溫度參考表一，時效時間同第一組試片。
（3c）第三組試片淬火後，先室溫自然時效1天（24小時），再人工時效，時效溫度及時間同第二組試片。
（4）對不同的時效處理型式及時效時間的試片作硬度量測、拉伸試驗及衝擊試驗。
（5）觀察並攝取各試片的光學顯微鏡組織。
5.實驗結果
1.分別繪製硬度、抗拉強度、伸長率和衝擊值與時效時間之變化曲線。
2.分析各試片金相組織的變化與時效溫度和時效時間的關係。
6.問題與討論
1.如何計算淬火延遲時間？
為什麼淬火時須注意淬火延遲？
2.為什麼2024鋁合金一般以自然時效進行硬化，而7075常以人工時效來進行硬化？
3.討論人工時效時、溫度與時間對顯微組織（析出物）及機械性質的影響。
4.比較三組試片的硬化效益。
7.補充資料
1.析出過程的說明示意圖如圖7所示。
2.淬火延遲對時效後鋁合金機械性質的影響。
圖1：
Al－Cu平衡圖及富Al之部份平衡圖【3，6】
圖2：
Al－5%Cu合金在545℃固溶處理一週後，緩慢冷卻至20℃之顯微組織【6】
圖3：
Al－5%Cu合金在545℃固溶處理一週後，快速冷卻（水淬）至20℃之顯微組織【6】
表一：
鍛鋁的熱處理條件[3]表二：
最小保溫時間及容許的淬火延遲[3]
合金名
固溶處理溫度
人工時效
AAA
℃
溫度（℃）
時間（hr）
2014
495~505
約175
約8
2017
495~505
－
－
2117
495~510
－
－
2108
500~520
約170
約10
2024
490~500
約190
8-16
2025
510~520
約170
約12
4032
505~520
約170
約12
6151
510~525
約170
約12
6061
515~530
約175
6-10
7075
460~490
約120
約24
材料厚度
最小保溫時間（min）
容許延遲
（mm）
鹽浴爐
空熱爐
（sec）
<0.5
10
20
5
0.5~0.8
15
25
7
0.8~1.6
20
30
10
1.6~2.3
25
35
10
2.3~3.2
30
40
15
3.2~6.4
35
55
15
6.4~13
45
65
15
13~25
60
90
15
每再增13
+20
+30
－
圖4：
Al－4%Cu合金在520℃固溶處理至少48小時後，快速冷卻至20℃，再進行不同溫度的時效處理之時效硬化曲線【6】
圖5：
差排受硬粒子阻礙，再滑移切過二個硬粒子的說明圖【6~8】
圖6：
（a）析出原子與基地完全整合，顯出界面的局部應變，（b）部份整合，顯出界面生成差排來舒緩應變，（c）不整合析出物【1】
圖8：
淬火延遲時間對2024鋁合金時效後機械性質的影響【3】
圖7：
時效處理時原子析出過程的說明示意圖【6】
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