什么是沉淀硬化？综合指南

什么是沉淀硬化？综合指南

沉淀硬化是一种重要的金属热处理工艺，广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域的关键部件制造。本文将为您详细介绍沉淀硬化的原理、过程、应用及其与其他强化机制的比较，帮助您全面了解这一重要的材料强化技术。

沉淀硬化的基本原理

沉淀硬化化学涉及晶粒结构的细小沉淀形成。由于沉淀硬化，材料的屈服强度和硬度得到提高。位错运动受到基质中细小颗粒的阻碍，从而为材料提供强度。

沉淀硬化示例

沉淀硬化热处理用于生产航空航天应用的合金。例如，铝合金 7075 用于飞机结构。7075 铝合金含有镁、锌和硅合金元素。该合金经过沉淀硬化处理，可实现结构应用所需的耐用性和强度。

基本步骤

在沉淀硬化热处理中，需要进行受控的加热和冷却过程。这些加热和冷却过程将使材料增强强度和硬度。沉淀硬化热处理的三个基本步骤是固溶热处理、淬火和时效。首先，将材料加热至高温以溶解合金元素，形成均匀溶液。将该溶液在水中快速冷却，然后在低温下重新加热，以便合金元素沉淀出来，形成过饱和溶液。

沉淀硬化的同义词

时效硬化是沉淀硬化的基本同义词，反映高温和室温下的老化。另一个同义词是颗粒硬化指的是Ph硬化过程中基质中颗粒的形成。

关键术语

下面给出了沉淀硬化中使用的一些关键术语。

• 实在的方法：固溶热处理后形成的均匀溶液。合金元素溶解在基体中。
• 过饱和度：合金元素在溶液中析出，这种溶液称为过饱和溶液。
• 成核：过饱和固体溶液中，初始阶段的小晶核形成后，即形成第二相沉淀。
• 成长：晶核长大，沉淀物尺寸增大。

沉淀硬化化学

沉淀硬化化学涉及在合金基体中形成大小相同的细颗粒。细颗粒的分布应均匀，以获得更好的强度和硬度。

沉淀硬化合金的微观结构分析

整个基质中的颗粒大小和分布对于确定合金的强度和硬度至关重要。每一步之后都会对合金进行 TEM 和 SEM 分析，以观察温度和时间对颗粒大小和分布的影响。TEM 和 SEM 图像还可以分析颗粒的形态。

PH 硬化后，在 TEM 图像中可以看到沉淀。

不同类型的沉淀物

下面给出了不同类型的沉淀及其对材料性质的影响。

• 吉尼尔-普雷斯顿 (GP) 区域
• 西塔素数 (θ')
• Theta 双素数 (θ'')
• η 阶段

GP 区域 (Guinier-Preston 区域)

形成了正弦溶质原子的连贯簇。这提高了硬度和强度，而不会影响延展性。

示意图显示了时效过程中从过饱和固溶体到 GP1 区再到 GP2 区的转变。

θ' (Theta Prime) 沉淀

AL-Cu 合金中存在棒状沉淀和半共格沉淀硬化化学。阻止位错运动并提供足够的硬度和强度。

AL-CU 合金的 SEM 图像显示 θ' (Theta Prime) 沉淀物。

β''（β双素数）沉淀

Al-Mg-Si（6xxx 系列）合金中存在连贯针状沉淀硬化化学。它具有良好的硬度、强度和延展性，还具有良好的耐腐蚀性。

β''（Beta Double Prime）沉淀物的 TEM 图像。

η' (Eta Prime) 沉淀

通常在 Al-Zn-Mg-Cu (7xxx 系列) 合金中形成连贯且片状的沉淀硬化化学。为可用于航空航天结构的合金提供高硬度和强度。

7075-LCu η' (Eta Prime) 沉淀物的 TEM 图像。

S' (S素数) 沉淀

半共格和片状沉淀物主要形成于 Al-Cu-Mg（2xxx 系列）合金中。为承重应用提供高硬度和强度。

位错在沉淀硬化中的作用

位错运动受到沉淀的阻碍，从而提高了材料的强度和硬度。晶体结构中的缺陷和位错运动在解释材料的机械行为方面起着重要作用。沉淀物和位错的相互作用解释了强化过程的基本原理。

沉淀硬化的优点和缺点

下面给出沉淀硬化的优点和缺点。

为什么选择

• 提高硬度和强度。
• 耐磨性得到提高。
• 高强度重量比。
• 提高抗疲劳性。
• 延长使用寿命。

缺点

• 热处理工艺复杂，需要适当的加热和冷却过程。
• 耗时的过程。
• 年龄过大敏感。
• 提高硬度会损害延展性。
• 对腐蚀和应力腐蚀开裂敏感。

影响沉淀硬化的因素

沉淀硬化的三个步骤

第二阶段硬化热处理分为 3 个步骤：固溶热处理、淬火和时效。这三个步骤对于增强材料的机械性能至关重要。延展性和硬度之间的平衡非常重要。

固溶处理

将金属合金加热至固相线以上。这种高温加热会将所有合金元素溶解在固溶体中。元素在整个金属基质中的均匀分布。

淬火

淬火是第二步，材料在水中快速淬火。这一步对于时效至关重要。这些步骤使材料形成过饱和的中期。沉淀物被困在材料基质中。

老化

时效是为了让沉淀物长成金属基体。这些沉淀物可提高材料的强度和硬度。时效有两种类型：自然时效和人工时效。铝合金的时效温度范围为 120°C 至 190°C。

示意图解释了沉淀硬化的整个过程。

YouTube 视频解释了沉淀硬化机制。

https://www.youtube.com/watch?v=fsTUDSrXt84&pp=ygUYcHJlY2lwaXRhdGlvbiBoYXJkZW5pbmcg

自然衰老与人工衰老

自然时效在室温下进行。需要的时间更长，甚至长达数周至数月。人工时效通常在 120°C 至 190°C 的高温下进行。与自然时效相比，人工时效所需的时间更短，从几小时到几天不等。

适合沉淀硬化的金属

对软质和延展性材料进行沉淀硬化热处理，以提高其硬度和强度。颗粒硬度是在材料基质内形成沉淀物的过程。这些沉淀物与位错相互作用并强化材料。下面给出了一些沉淀硬化的材料。

铝合金

铝重量轻，可用于飞机和汽车工业。铝延展性好且柔软，可提高其硬度和强度，用于高级应用，它是颗粒硬化的。以下系列的铝是颗粒硬化的。

• 2xxx系列也称为铝铜合金。
• 6xxx系列也称为铝镁硅合金。
• 7xxx 系列也称为铝锌合金。

镍基高温合金（Inconel 718）

这种合金主要含有铬和镍，但也含有铌、钛和钼。当 Inconel 经过颗粒硬化时，会形成γ-双素 (γ') 沉淀物，老化后会形成γ-素 (γ')。这为材料提供了抗蠕变性和高温强度。

钛合金（Ti-6Al-4V）

是应用最广泛的钛合金，含 4% 钒和 6% 铝。时效后形成 β 相基体，其中形成细小的 α 相沉淀物。这些相增强了合金的强度和韧性。

PH 不锈钢（17-4 PH、15-5 PH）

17-4 PH：含有镍、铜、铬、铌，所形成的析出物为富铜细粒，可提高合金的硬度和强度。

15-5 PH：整体成分与 17-4 PH 不锈钢相同，但每种元素的含量略有不同。这种成分旨在提高合金的韧性。在时效过程中会形成富铜沉淀物，以改善机械性能。

硬度测试方法

硬度测试可以通过下面描述的 3 种设备进行。

洛氏硬度测试

是预紧压入时大载荷压痕深度的量度，有HRA、HRB、HRC三种量度。

洛氏硬度设备。

维氏硬度测试

测量压痕的尺寸来计算硬度。金刚石金字塔压头可用于此目的。HV 是维氏硬度值。

维氏硬度设备。

布氏硬度

使用硬质合金或钢球在特定负载下压入材料。通过测量压痕直径来计算硬度。HBW 用于碳化钨球。HBS 用于钢球。

布氏硬度设备。

沉淀硬化在各个行业的应用

沉淀硬化热处理被不同行业用来调整合金的机械性能。

航天工业：7075 和 2025 铝合金 PH 用于制造不同的航空航天部件。机翼、机身框架和起落架部件由这些粒子硬化合金制成。Inconel 718 用于汽车和航空航天发动机部件。

汽车行业：6xxx 和 7xxx 系列铝合金用于高性能发动机。Ti-6Al-4V 用于汽车和车辆的结构件。排气系统采用 17-4 PH 不锈钢制造。

医疗行业：Ti-6Al-4V钛合金由于其生物相容性而用于植入物和假肢。17-4 PH不锈钢和15-5 PH不锈钢用于手术器械。

油气行业：镍基超级合金沉淀硬化用于钻井设备、配件和阀门。17-4 PH 不锈钢用于制造压力容器和管道。

海洋产业：5xxx和6xxx系列铝合金用于制造上层建筑和船体。镍基沉淀硬化合金用于制造轴和螺旋桨。

电子行业：经过颗粒硬化的铜合金用于制造电触点和连接器。铝合金用于制造散热器。

CNC 加工和沉淀硬化：强大的组合

Tuofa CNC 加工提供沉淀硬化热处理，可生产出耐用且高精度的部件。Toufa 的 CNC 加工提供出色的表面光洁度、一致的生产和准确性。沉淀硬化热处理可提高材料的耐磨性和强度。Tuofa 凭借装备精良的沉淀硬化金属 CNC 加工提供最佳服务。有关更多详细信息，您可以查看下面的网站。

与其他强化机制的比较

工业上采用多种强化机制来提高合金的机械性能。强化机制包括沉淀硬化、晶粒细化和固溶硬化。下面讨论不同强化机制与沉淀硬化之间的区别。

沉淀硬化与加工硬化

加工硬化是材料塑性变形的过程。材料内部会产生位错。这些累积的位错会阻碍彼此的运动，从而增强材料强度。而第二相硬化是形成沉淀物的过程，这些沉淀物与位错相互作用并增强金属强度。

沉淀硬化与晶粒细化

晶粒细化是减小晶粒尺寸的过程。减小晶粒尺寸会导致更多的晶粒边界。这些晶粒边界限制了位错的移动并增强了金属的强度。另一方面，第二相硬度是热处理过程。这种沉淀硬化化学反应涉及在金属基质中形成沉淀物，从而增强材料强度。

沉淀硬化与固溶强化

固溶强化涉及向金属基体中添加合金元素以提高强度。而沉淀强化是热处理的 3 个步骤。固溶强化沉淀物作为阻碍位错运动的合金元素添加。沉淀强化化学是指通过热处理形成沉淀物。

常见问题

沉淀硬化与时效硬化

这两个同义词均指涉及固溶热处理、淬火和时效的热处理工艺。

弥散硬化与沉淀硬化

弥散硬化不是像沉淀硬化那样的热处理，而是将非金属颗粒添加到金属基体中以增加材料的硬度和强度的过程。

回火和沉淀硬化有什么区别？

回火用于降低硬化钢的脆性并提高韧性。这是一种在低温下重新加热以消除材料内部应力的过程。在此过程中不会形成沉淀物。另一方面，沉淀硬化涉及三个步骤，并形成沉淀物以增加硬度。

沉淀硬化不锈钢和铝哪种更坚固？

PH 不锈钢的抗拉强度为 850 MPa 至 1,700 MPa，而铝的抗拉强度为 90 MPa 至 690 MPa。因此，PH 不锈钢比铝更坚固。

本文原文来自Tuofa CNC加工