铝合金的析出硬化处理.doc

鋁合金的析出硬化處理 陳克昌教授編撰 實驗目的 瞭解析出硬化的機制。 學習鋁合金析出硬化處理之適當作業步驟。 學習析出硬化效果之量測。 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。 實驗原理 1.析出硬化簡介【1~8】： 二十世紀初德國人Alfred Wilm 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（solution treatment）、快速淬火（quenching）及時效處理（aging treatment）。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（fully coherency），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（natural aging），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（artificial aging），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