铝合金的热处理工艺
热处理型合金：特性、处理工艺与状态解读
热处理型合金，像2000、4000、6000及7000系列铝合金，在材料科学领域有着独特的地位。它们的特性和性能提升，很大程度上依赖于一系列特定的热处理工艺。
热处理型合金的特性与原理：溶解度变化驱动性能改变
这些合金含有可在固态溶解的元素，其溶解度会随温度发生有趣的变化：高温时的溶解度大于室温以及100 - 200℃时的溶解度，并且在接近共晶温度时，可溶解元素或化合物的溶解度达到最高。
以铝铜合金相图（图5 - 1[1]）为例，能更直观地理解这一特性。当铜含量为4.5%时，若在515 - 550℃的温度区间保持足够长的时间，铜就会从固态逐渐溶解到固溶体中，最终形成铝的单一相（α相），这一过程就是固溶处理。而当铜含量达到6.3%时，在共晶温度下，铜在铝中的溶解度达到最高值。经过固溶处理（温度需控制在共晶温度550℃以下）后，除了固溶相之外，还会有一小部分未溶解的CuAl₂相。
在固溶处理之后，当温度降至515℃以下时，铝的固溶体就变成了过饱和状态，溶质有从固溶体中析出的趋势。这种析出的驱动力与过饱和程度紧密相关，冷却速度越快、温度越低，过饱和度就越高，析出驱动力也就越大。不过，析出速度还与析出温度有关，温度越低，原子移动速度越慢，相应地，析出速度也就越慢。而析出相的种类、析出相与基体的共格或不共格状态、析出化合物的大小及数量等因素，都会对合金材料的物理、化学及机械性能产生显著影响。
固溶、淬火及时效处理：塑造合金性能的“三部曲”
- 固溶处理：这个过程需在共晶熔点（548℃，质量分数5.65%）以下进行。通常，退火温度大约在280 - 420℃，人工时效温度约为200℃。在固溶处理中，合金被加热到特定温度，使合金中的某些相充分溶解，为后续的性能调整奠定基础。
- 淬火：当合金达到固溶状态后，需要以足够快的速度进行冷却，这样才能保持合金的超饱和状态，避免或减少在冷却过程中溶质析出形成粗大的非共格相。可以把淬火想象成是给合金“急刹车”，迅速固定住固溶状态下的结构，为下一步时效处理创造条件。
- 时效处理：淬火后的合金，在室温或高于室温的温度下，通过控制析出物的结构及大小，来实现对热处理型合金力学性能的精准控制。如果淬火后在室温下析出，这就是自然时效；而在升温环境下析出则被称为人工时效，例如Al - Cu合金的人工时效温度范围大约在150 - 260℃。从图5 - 2[2]可以清晰地看到固溶、淬火及时效析出的过程：固溶处理将粗大的析出相（粗大θ相）熔掉，淬火使材料保持固溶状态α相（超饱和状态），而时效处理则析出细小的θ相，从而强化材料的性能。
T状态及热处理代号：精确标识合金的“成长路径”
热处理型合金的状态通过在合金代号后加上T来表示，T后面的数字1 - 10代表着不同的热处理方式。这些处理方式主要包括在淬火或冷却后直接进行时效处理，部分合金在淬火或时效后还会施加一定的冷加工量，这样做可以提高工件的精度，增加材料的强度或硬度，或者在淬火后通过冷加工来加速析出速度等。不同的处理方法对应着不同的T代号，详细的T热处理定义可参考第一章附注。
例如，T4状态通过自然时效来增加强度，并且这种强度不会随着时间的延长而下降。而升高温度进行人工时效时，强度会随着时间的延长达到最高强度T6状态，之后强度会下降并开始软化，这就是过时效阶段。在过时效阶段，析出物逐渐变大，结构也变得出格。合金最软的状态是析出物最大且析出物间距最大，此时相结构与基体完全非共格，也就是退火状态或全退火状态（O状态），Al - Cu合金的退火温度范围在280 - 420℃。值得注意的是，所有系列的铝合金（1000 - 7000系列）可能都需要进行退火软化热处理，以便为后续的塑性冷加工提供良好的条件。
铸锭的均质处理：提升加工性能的关键步骤
对于铝合金的2000、3000、4000、5000、6000及7000合金系列来说，铸锭的均质处理是一种至关重要的热处理方式。在铸锭凝固形成的树状晶组织中，晶粒中心与晶界之间存在着溶质成分的偏析现象，也就是微偏析。均质处理的主要目的就是消除这种微偏析，从而提高材料的加工性能。
均质处理的温度范围一般设定在固溶温度范围或者更高的温度。经过长时间加热后，铸锭的冷却方法或速度会对材料的加工性以及加工后的机械强度产生影响。在均质处理过程中，会出现高温析出物或高温弥散体效益，而均质后的冷却过程同样涉及到析出相的问题。本章将会对铝合金的固溶、时效、退火及均质等热处理过程进行详细的探讨，帮助我们更深入地理解这些热处理工艺如何塑造铝合金的性能。