固溶强化和沉淀硬化的定义
华正精密
铝合金的固溶强化和沉淀硬化是两种重要的金属强化机制，常结合使用以优化材料性能。以下是两者的详细对比说明：
一、固溶强化（Solid Solution Strengthening）
1. 原理
原子置换/间隙：向铝基体中添加合金元素（如Cu、Mg、Zn、Si等），这些元素原子占据铝晶格的间隙或置换位置，导致晶格畸变。
位错钉扎：晶格畸变产生的应力场阻碍位错滑移，从而提高强度和硬度。
2. 工艺步骤
固溶处理：
加热至固溶线以上（如500-550℃），使合金元素完全溶解于铝基体。
快速淬火（水冷或油冷），形成过饱和固溶体。
典型合金：
如2024铝合金（Al-Cu-Mg系），淬火后强度显著提升但尚未达到峰值。
3. 特点
优势：提升材料塑性和成形性，适合后续加工（如冲压、锻造）。
局限：单一固溶强化效果有限，通常需结合沉淀硬化。
二、沉淀硬化（Precipitation Hardening）
1. 原理
析出强化相：通过时效处理，过饱和固溶体析出纳米级第二相颗粒（如Al₂Cu、MgZn₂）。
奥罗万机制：析出相阻碍位错运动，位错需绕过或剪切颗粒，大幅提升强度。
2. 工艺步骤
时效处理：
自然时效：室温下放置数天（如6061铝合金需96小时以上），析出GP区。
人工时效：加热至120-200℃，保温数小时（如7075铝合金在120℃×24h），析出θ'或η'相。
过时效风险：温度过高或时间过长导致析出相粗化（如θ相），强度下降。
3. 特点
优势：显著提升强度（如7075-T6抗拉强度可达570MPa），适用于高载荷部件。
局限：过度时效会降低韧性，需严格控制工艺参数。
三、协同作用与典型应用
1. 组合工艺
流程示例：
固溶处理（淬火）→ 冷加工（可选）→ 人工时效 → 最终产品。协同效果：
固溶强化提供基础强度，沉淀硬化实现高强度倍增（如飞机蒙皮用2024-T3铝合金）。
2. 典型合金及应用
2000系（Al-Cu-Mg）：飞机结构件（如机翼桁架），依赖θ'相析出。
6000系（Al-Mg-Si）：汽车车身（如Audi A8铝合金框架），T6状态强度达310MPa。
7000系（Al-Zn-Mg-Cu）：航天火箭燃料箱（如7075-T651），抗拉强度＞500MPa。
四、关键参数对比
| 特性 | 固溶强化 | 沉淀硬化 |
|---|---|---|
| 强化机制 | 晶格畸变阻碍位错 | 析出相阻碍位错 |
| 工艺核心 | 高温溶解+淬火 | 低温时效析出 |
| 强度增幅 | 中等（提升20-50%） | 显著（提升100-300%） |
| 典型合金 | 5xxx系（如5083-O） | 2xxx/7xxx系（如2024-T3） |
| 应用场景 | 船舶甲板、储罐（需耐蚀成形） | 飞机起落架、导弹壳体（高强度） |
五、常见问题与解决
固溶不充分：
现象：合金元素未完全溶解，出现未溶粗大相。
对策：提高固溶温度或延长保温时间（需防过烧）。
时效不足/过时效：
检测：硬度测试（HV）或TEM观察析出相尺寸。
调整：优化时效温度-时间曲线（如T6 vs T7处理）。
通过固溶强化与沉淀硬化的协同作用，铝合金可在轻量化的同时实现高强度，广泛应用于航空航天、交通运输等领域。实际生产中需根据合金成分及性能需求，精准控制热处理工艺参数。
