纯铝的力学性能不高，不适宜作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素，制成铝合金，铝合金仍保持纯铝的密度小和抗腐蚀性好的特点，且力学性能比纯铝高得多。

8.1.2.1　铝合金的分类

目前，用于制造铝合金的合金元素大致分为主加元素（铜、锰、硅、镁、锌、铁、锂）和辅加元素（铬、钛、锆、稀土、钙、镍、钒、硼等）两类。铝与主加元素的二元相图一般都具有如图 8.1 所示的形式。根据该相图可以把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。相图上最大饱和溶解度点D是这两类合金的理论分界线。

图8.1　铝合金分类示意图

（1）铸造铝合金：凡成分在D点以右的合金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，塑性较低，适于铸造，可直接铸成各种形状复杂的零件，甚至是薄壁的成型件，浇注后，只需进行切削加工即可成为成品零件。

（2）变形铝合金：凡成分在D点以左的合金，有单相固溶体区，可得到均匀的单相固溶体，其塑性变形能力很好，适合进行锻造、轧制和挤压等压力加工，制成板材、带材、管材、棒材、线材等半成品。

变形铝合金又可分为两类，凡成分在F点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变化，不能通过时效处理强化合金，故称为不能热处理强化的铝合金。

凡成分在F、D之间的合金，其固溶体的成分将随温度而变化，可以进行时效处理强化，故称为能热处理强化的铝合金。

8.1.2.2　铝合金的热处理特点

固态铝无同素异构转变，因此不能像钢一样借助热处理相变强化。合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化。

Zn、Mg、Li、Cu、Mn、Si等合金元素能与Al形成有限固溶体，且有较大溶解度，能起固溶强化作用。

单纯的固溶强化效果是有限的，因此铝合金要想获得高的强度，还得配合其他强化手段，时效强化便是其中的主要方法。

能热处理强化的铝合金，其合金元素在铝中有较大的固溶度，且随着温度的降低而急剧减小，故铝合金加热到单相区，保温后在水中急冷（淬火处理），使第二相来不及析出，在室温下将形成过饱和的固溶体，强度提高不明显，而塑性明显提高；过饱和的固溶体放置在室温或加热到一较低的温度，随着时间的延长，其强度和硬度将明显提高，而塑性、韧性则降低的现象即为时效强化。

铝合金的淬火处理，因淬火时不发生晶体结构的转变，故称为固溶处理。室温下合金自然强化的过程称为自然时效，低温加热条件下进行的时效，称为人工时效。

例如 4%Cu-Al 合金，退火态的Rm=180～220 MPa ，A=18%；固溶处理后其Rm=240～250 MPa，A=20%～22%；时效处理后其Rm=400～420 MPa ，A=18%。由此可见铝合金的时效强化效果非常明显。

铝合金时效强化的基本过程，就是过饱和固溶体分解（沉淀）的过程，以4%Cu-Al合金为例，它包含以下4个阶段。(www.daowen.com)

第一阶段：Cu原子偏聚，形成富铜区，称为GPⅠ区，其晶体结构类型仍与基体相同，并与基体保持共格关系，但GPⅠ区中Cu原子浓度较高，引起严重的晶格畸变，阻碍位错运动，因而合金的强度、硬度提高。

第二阶段：富铜区有序化，形成′θ相，称为GPⅡ区，其晶体结构变为正方点阵，但仍与基体共格，加重了晶格畸变，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大。GPⅡ区——相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。

第三阶段：相转变为过渡相θ′相，其晶体结构仍为正方点阵，但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，周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用减小，故合金的硬度开始降低。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。

第四阶段：相从固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为θ相，其点阵结构也是正方点阵，但点阵常数比相大些。此时θ相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，因此θ相的析出导致合金软化，并随时效温度的提高或时间的延长，θ相的质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步下降。

以上讨论表明，4%Cu-Al合金时效强化的基本过程（即时效序列）可以概括如下：

过饱和固溶体→形成富铜区（GPⅠ区）→富铜区有序化（GPⅡ区）→形成过渡沉淀相→析出稳定相θ（CuAl2）＋平衡的固溶体。

Al-Cu 二元合金的时效原理及其一般规律，对其他工业合金也适用。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相各不相同，时效强化效果也不一样。

影响时效强化效果的因素除合金元素及强化相的种类外，还有固溶处理和时效处理工艺条件等。

在不过热、过烧的前提下，固溶处理温度高些，保温时间长些，有利于获得最大过饱和度的均匀固溶体；其次，冷却速度越快，所获得的固溶体过饱和程度越大，时效后时效强化效果越大。

固定时效时间，对同一成分的合金，时效温度与时效强化效果（硬度）之间有如图 8.2所示的关系，即在某一时效温度时，能够获得最大的强化效果，这个温度称为最佳时效温度。统计表明，最佳时效温度Ta与合金熔点Tm的关系为

图8.3是硬铝合金的时效曲线，从图中可见，不同时效温度下，达到的最大强度值不同，出现最大强度值的时间也不同，自然时效时，5～15 h内强化速度最快，4～5 d后达到最大值。而人工时效时，时效的温度越高，时效速度越快，所获得的最大强度值越低。当时效温度超过150 °C，保温一定时间后，合金开始软化，称为“过时效”。

图8.2　时效温度与硬度关系曲线

　图8.3　含4%Cu的Al-Cu合金的时效曲线

变形铝合金中添加微量钛、锆、铍以及稀土等元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时，作为非自发晶核，起细化晶粒作用，从而提高了合金的强度和塑性。