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1、教学课题 非铁金属的热处理教学课时 2教学目的 让学生了解铝和铝合金的热处理方式了解铝和铝合金的热处理方式教学难点 铝和铝合金的热处理方式教学重点 铝和铝合金的热处理方式教学方法 讲解法、举例教具准备 教材教学过程 复习导入铸铁热处理主要可以分为以下几种：(1)去应力退火热处理；(2) 石墨化热处理；(3) 改变基体组织热处理。新课学习课题导入非 铁 金 属 的 种 类 很 多 ， 但 常 用 的 非 金 属 主 要 是 铝 和 铜 及 相 应 合 金 的 应 用 ，所 以 我 们 本 次 课 就 来 了 解 一 下 铝 和 铜 的 相 关 热 处 理 方 式授课内容一、铝合金热处理铝合金铸件
2、的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间以一定的速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。1 铝合金热处理特点众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如 46 昼夜后） ，强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围
3、（如 100200）内发生，称人工时效。2 铝合金时效强化原理铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大
4、，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度温度关系，可用铝铜系的 Al4Cu 合金说明合金时效的组成和结构的变化。图 31 铝铜系富铝部分的二元相图，在 548进行共晶转变L（Al2Cu） 。铜在 相中的极限溶解度 5.65（548） ，随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为 0.05。在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程：2.1 形成溶质原子偏聚区
5、GP（）区在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称 GP（）区。GP（）区与基体 保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。2.2 GP 区有序化形成 GP（）区随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成GP（）区。它与基体 仍保持共格关系，但尺寸较 GP（）区大。它可视为中间过渡相，常用 ”表示。它比 GP（）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，”相析出阶段为合金达到最大强化的
6、阶段。2.3 形成过渡相 随着时效过程的进一步发展，铜原子在 GP（）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为 1：2 时，形成过渡相 。由于 的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此 相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。2.4 形成稳定的 相过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为 相此时 相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的延长， 相的质点聚集长大，合
7、金的强度、硬度进一步下降，合金就软化并称为“过时效” 。 相聚集长大而变得粗大。铝铜二元合金的时效原理及其一般规律对于其他工业铝合金也适用。但合金的种类不同，形成的 GP 区、过渡相以及最后析出的稳定性各不相同，时效强化效果也不一样。几种常见铝合金系的时效过程及其析出的稳定相列于表 31。从表中可以看到，不同合金系时效过程亦不完全都经历了上述四个阶段，有的合金不经过 GP（）区，直接形成过渡相。就是同一合金因时效的温度和时间不同，亦不完全依次经历时效全过程，例如有的合金在自然时效时只进行到 GP（）区至 GP（）区即告终了。在人工时效，若时效温度过高，则可以不经过 GP区，而直接从过饱和固溶体
8、中析出过渡相，合计时效进行的程度，直接关系到时效后合金的结构和性能。表 31 几种铝合金系的时效过程及其析出稳定的强化相3 影响时效的因素3.1 从淬火到人工时效之间停留时间的影响研究发现，某些铝合金如 AlMgSi 系合金在室温停留后再进行人工时效，合金的强度指标达不到最大值，而塑性有所上升。如 ZL101 铸造铝合金，淬火后在室温下停留一天后再进行人工时效，强度极限较淬火后立即时效的要低1020Mpa，但塑性要比立刻进行时效的铝合金有所提高。3.2 合金化学成分的影响一种合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。如硅、锰在铝中的固溶度比较小，
9、且随温度变化不大，而镁、锌虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度，但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大，强化效果甚微。因此，二元铝硅、铝锰、铝镁、铝锌通常都不采用时效强化处理。而有些二元合金，如铝铜合金，及三元合金或多元合金，如铝镁硅、铝铜镁硅合金等，它们在热处理过程中有溶解度和固态相变，则可通过热处理进行强化。3.3 合金的固溶处理工艺影响为获得良好的时效强化效果，在不发生过热、过烧及晶粒长大的条件下，淬火加热温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体。另外在淬火冷却过程不析出第二相，否则在随后时效处理时，已析出相将起晶核作用，造成局部不均匀析出而降低时效强化效果。二、铜合金
10、的热处理1.锡青铜的热处理 锡青铜不能经热处理强化，而要通过冷却变形来提高强度和弹性性能。主要方式有:(1)完全退火，用于中间软化工序，以保证后续工序大变形量加工的塑性变形性能.(2)不完全退火，用于弹性元件成型前得到与后续工序成形相一致的塑性，以保证后续工序一定的成型变形量，并使弹簧达到使用性能。(3)稳定退火，用于弹簧成形后的最终热处理，以消除冷加工应力，稳定弹簧的外形尺寸及弹性性能2.铍青铜的热处理铍青铜的热处理可以分成退火处理、固溶处理和固溶处理以后的时效处理。退(回)火处理又分成：(1)中间软化退火，可以用来做加工中间的软化工序。(2)稳定化回火，用于消除精密弹簧和校正时所产生的加工
11、应力、稳定外形尺寸。(3)消除应力回火，用于消除机械加工和校正时产生的加工应力。3.硅青铜线的热处理硅青铜是一种 Cu-si-Mn 三元合金。有较好的强度、硬度、弹性、塑性和耐磨性，它的冷热加工性能也比较好。它不能热处理强化，只能在退火和加工硬状态下使用。弹簧成形后只需要进行 200280消应力回火处理。补充设计金属表面在各种热处理、机械加工、运输及保管过程中，不可避免地会被氧化，产生一层厚薄不均的氧化层。同时，也容易受到各种油类污染和吸附一些其他的杂质。油污及某些吸附物，较薄的氧化层可先后用溶剂清洗、化学处理和机械处理，或直接用化学处理。对于严重氧化的金属表面，氧化层较厚，就不能直接用溶剂清
12、洗和化学处理，而最好先进行机械处理。通常经过处理后的金属表面具有高度活性，更容易再度受到灰尘、湿气等的污染。为此，处理后的金属表面应尽可能快地进行胶接。经不同处理后的金属保管期如下：（1）湿法喷砂处理的铝合金，72h ；（2）铬酸-硫酸处理的铝合金，6h ；（3）阳极化处理的铝合金，30 天；（4）硫酸处理的不锈钢，20 天；（5）喷砂处理的钢，4h ；（6）湿法喷砂处理的黄铜，8h 。课堂小结1.铝及铝合金表面处理方法2.铜及铜合金表面处理方法布置作业 利用上机周去网上查询其他金属的相关热处理方式教学反思热处理一直都是机械中一个比较抽象的一个概念，理论性比较强，所以学生接受起来有些困难，可能也只有借助多媒体等手段展示在学生面前可能效果好点，特别是铝的热处理相对于铁碳合金有一定的特殊性，不仔细的同学很容易弄混淆，所以强调的比较多
