铝合金的时效强化是如何进行和完成的经淬火后的铝合金强度、硬度随时间延长而发生显著提高的现象称之为时效，也称铝合金的时效硬化。

这是铝合金强化的重要方法之一。

由定义可知，铝合金时效强化的前提，首先是进行淬火，获得饱和单相组织。

在快冷淬火获得的固溶体，不仅溶质原子是过饱和的，而且空位(晶体点缺陷)也是过饱和的，即处于双重过饱和状态。

以Al -4%Cu 合金为例，固溶处理后，过饱和α固溶体的化学成分就是合金的化学成分，即固溶体中钢含量为4%。

由Al-Cu 相图可知，在室温平衡态下，α固溶体的含铜量仅为0.5%，故3.5%Cu过饱和固溶于α相中。

当温度接近纯铝熔点时，空位浓度接近10-3数量级，而在常温下，空位浓度为10-11数量级，二者相差10-8级。

经研究可知；铝合金固溶处理温度越高，处理后过饱和程度也越大，经时效后产生的时效强化效果也越大。

因此固溶处理温度选择原则是：在保证合金不过烧的前提下，固溶处理温度尽可能提高。

固溶处理后的铝铜合金，在室温或某一温度下放置时，发生时效过程。

此过程实质上是第二相Al2Cu 从过饱和固溶体中沉淀的过程。

这种过程是通过成型和长大进行的，是一种扩散型的固态相变。

它依下列顺序进行：a过→G.P区→θ’’相→θ’相→θ相G.P区就是指富溶质原子区，对Al-Cu合金而言，就是富铜区。

铝钢合金的G.P区是铜原子在(100)晶面上偏聚或从聚而成的，呈圆片状。

它没有完整的晶体结构，与母相共格。

200℃不再生成G.P 区。

室温时效的G.P区很小，直径约50A，密度为1014-1015/mm3，G.P区之间的距离为20-40 ?。

130℃时效15h后，G.P 区直径长大到90 ?，厚为4-6 ?。

温度再高，G.P区数目开始减少。

它可以在晶面处引起弹性应变。

θ’’相是随时效温度升高或时效时间延长，G.P区直径急剧长大，且铜、铝原子逐渐形成规则排列，即正方有序结构。

在θ’’过渡相附近造成的弹性共格应力场或点阵畸变区都大于G.P区产生的应力场，所以θ’’相产生的时效强化效果大于G.P区的强化作用。

θ’相是指当继续增加时效时间或提高时效温度，θ’’相转变成为θ’相。

θ’相属正方结构，θ’在(001)面上与基体铝共格，在z轴方向由于错配度过大，在(001)和(100)面上共格关系遭到部分破坏。

θ相是平衡相，θ相的成分是Al2Cu，为正方有序结构。

由于θ相完全脱离了母相，完全丧失了与基体的共格关系，引起应力场显著减弱。

这也就意味着合金的硬度和强度显著下降。

影响时效强化效果的因素有哪些？时效是按一定顺序进行的，强化效果受以下因素影响：(1) 时效温度。

固定时效时间，对同一成分的合金而言，时效温度与时效强化效果(硬度)之间关系。

在某一时效温度时，能获得最大硬化效果，这个温度称为最佳时效温度。

不同成分的合金获得最大时效强化效果的时效温度是不同的。

统计表明，最佳时效温度与合金熔点之间存在如下关系：T0 = (0.5 – 0.6)T(2) 时效时间。

硬度与强度峰值出现在θ’’相的末期和θ’过渡相的初期，θ’后期已过时效，开始软化。

当大量出现θ相时，软化已非常严重。

故在一定的时效温度内，为获得最大时效强化效果，应有一最佳时效时间，即在θ’’产生并向θ’转变时所需的时间。

(3) 淬火温度、淬火冷却速度和淬火转移时间。

实践证明，淬火温度越高，淬火冷郄速度越快，淬火中间转移时间越短，所获得的固溶体过饱和程度越大，时效进行后强化效果越大。

(4) 时效工艺。

时效可选单级或分级时效。

单级时效指在室温或低于100℃温度下进行的时效过程。

它工艺简单，但组织均匀性差，抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、断裂性、应力腐蚀抗力性能很难得到良好的配合。

分级时效是在不同温度下进行两次时效或多次时效。

在较低温度进行预时效，目的在于在合金中获得高密度的G.P区，由于G.P区通常是均匀成核的，当其达到一定尺吋后，就可以成为随后沉淀相的核心，从而提高了组织的均匀性。

在稍高温度保持一定时间进行最终时效。

由于温度稍高，合金进入过时效区的可能性增大，故所获得合金的强度比单级时效略低，但是这样分级时效处理后的合金，其断裂性值高，并改善了合金的抗腐蚀性，提高了应力腐蚀抗力。

鋁合金的析出硬化處理陳克昌教授編撰一. 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。

二. 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。

三. 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（partially coherency），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。

四. 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。

五. 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。

六. 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。