鋁合金材料的研發主要是圍繞提高材料的強度、塑性、韌性、耐蝕性以及疲勞性能等綜合性能來開展的，而合金的性能又是由其組織決定的，熱處理是鋁合金性能優化的關鍵手段，通過控制溫度、時間和冷卻速度等工藝參數，可以顯著改變合金的內部微觀結構，從而增強其強度、硬度和耐腐蝕性等性能。熱處理不僅影響合金的晶粒大小和析出相的分布，還能促使強化相的形成和轉變，為不同使用環境和力學要求提供精準的性能調控。基于此，針對鋁合金的強化方法，如固溶強化、時效強化和細晶強化等，成為提升合金性能的核心手段。

鋁合金在常溫和中等應力作用下產生塑性變形，主要由位錯滑移所致，而高溫和低應力作用下產生塑性變形則由位錯蠕動和擴散流變產生。總的來說，不管工作溫度高低，合金抵抗變形能力主要由位錯運動難易所決定。因而，把增加鋁合金對位錯運動的抗力稱為鋁合金強化。

鋁合金的強化及其分類方法很多，一般將其分為加工硬化和合金化強化兩大類。鋁合金強化方法可細分為加工硬化、固溶強化、異相強化、彌散強化、沉淀強化、晶界強化和復合強化七類。在實際應用過程中往往是幾種強化方法同時起作用。

通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強度的方法，稱為加工硬化。塑性變形時增加位錯密度是合金加工硬化的本質。據統計，金屬強烈變形后，位錯密度可由106根/cm²增至1012根/cm²以上。因為合金中位錯密度越大，繼續變形時位錯在滑移過程中相互交割的機會越多，相互間的阻力也越大，因而變形抗力也越大，合金即被強化。

金屬材料加工強化的原因是：金屬變形時產生了位錯不均勻分布，先是較紛亂地成群糾纏，形成位錯纏結，隨變形量增大和變形溫度升高，由散亂分布位錯纏結轉變為胞狀亞結構組織，這時變形晶粒由許多稱為“胞”的小單元組成;高密度位錯纏結集中在胞周圍形成包壁，胞內則位錯密度甚低。這些胞狀結構阻礙位錯運動，使不能運動的位錯數量劇增，以至需要更大的力才能使位錯克服障礙而運動。變形越大，亞結構組織越細小，抵抗繼續變形的能力越大，加工硬化效果越明顯，強度越高。由于產生亞結構，故也稱亞結構強化。

加工強化的程度因變形率、變形溫度及合金本身的性質不同而異。同一種合金材料在同一溫度下冷變形時，變形率越大則強度越高，但塑性隨變形率的增加而降低。合金變形條件不同，位錯分布亦有所不同。當變形溫度較低(如冷軋)時，位錯活動性較差，變形后位錯大多呈紊亂無規則分布，形成位錯纏結，這時合金強化效果好，但塑性也強烈降低。當變形溫度較高時，位錯活動性較大，并進行交滑移，位錯可局部集聚、糾結、形成位錯團，出現亞結構及其強化，屆時強化效果不及冷變形，但塑性損失較少。

加工硬化或亞結構強化在常溫時是十分有效的強化方法，適用于工業純鋁、固溶體型合金和熱處理不可強化的多相鋁合金，但在高溫時通常因回復和再結晶而對強度的貢獻顯著變小。

某些鋁合金冷變形時能形成較好的織構而在一定方向上強化，稱為織構強化。

合金元素固溶到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時，合金的強度、硬度一般都會得到提高，稱為固溶強化。所有可溶性合金化組元甚至雜質都能產生固溶強化。特別可貴的是，對合金進行固溶強化時，在強度、硬度得到提高的同時，塑性還能保持在良好的水平上，但僅用這一種方法不能獲得特別高的強度。

合金元素溶入基體金屬后，使基體金屬的位錯密度增大，同時晶格發生畸變。畸變所產生的應力場與位錯周圍的彈性應力場交互作用，使合金元素的原子聚集到位錯線附近，形成所謂“氣團”，位錯要運動就必須克服氣團的釘扎作用，帶著氣團一起移動，或者從氣團中掙脫出來，因而需要更大的切應力。另外，合金元素的原子還會改變固溶體的彈性系數、擴散系數、內聚力和原子的排列缺陷，使位錯線變彎，位錯運動阻力增大，包括位錯與溶質原子間的長程交互作用和短程交互作用，從而使材料得到強化。

固溶強化作用大小取決于溶質原子濃度、原子相對尺寸、固溶體類型、電子因素和彈性模量。一般來說，溶質原子濃度越高，強化效果越大；原子尺寸差別越大，對置換固溶體的強化效果亦可能越大；溶質原子與鋁原子的價電子數相差越大，固溶強化作用亦越大；彈性模量大小的差異度越大，往往強化效果越好。

在采用固溶強化的合金化時，要挑選那些強化效果高的元素作為合金元素。但更重要的是要選那些在基體金屬中固溶度大的元素作為合金元素，因為固溶體的強化效果隨固溶元素含量的增大而增加。只有那些在基體金屬中固溶度大的元素才能大量加入。例如，銅、鎂是鋁合金的主要合金元素；鋁、鋅是鎂合金的主要合金元素，都是因為這些元素在基體金屬中的固溶度較大的緣故。

進行固溶強化時，往往采用多元少量的復雜合金化原則（即多種合金元素同時加入，但每種元素加入量少），使固溶體的成分復雜化，這樣可以使固溶體的強化效果更高，并能保持到較高的溫度。

圖3 原子尺寸對強化的影響

圖4 固溶體中鎂對退火鋁-鎂合金拉伸性能的影響

過量的合金元素加入到基體金屬中去，一部分溶入固溶體，超過極限溶解度的部分不能溶入，形成過剩的第二相，簡稱過剩相。過剩相對合金一般都有強化作用，其強化效果與過剩相本身的性能有關，過剩相的強度、硬度越高，強化效果越大。但硬脆的過剩相含量超過一定限度后，合金變脆，力學性能反而降低。此外，強化效果還與過剩相的形態、大小、數量和分布有關。第二相呈等軸狀、細小和均勻分布時，強化效果最好。第二相很大、沿晶界分布或呈針狀，特別是呈粗大針狀時，合金變脆，合金塑性損失大，而且強度也不高，常溫下不宜大量采用過剩強化，但高溫下的使用效果可以很好。另外，強化效果還與基體相與過剩相之間的界面有關。

過剩相強化與沉淀強化有相似之處，只不過沉淀強化時，強化相極為細小，彌散度大，在光學顯微鏡下觀察不到;而在利用過剩相強化合金時，強化相粗大，用光學顯微鏡的低倍即能清楚看到。過剩和強化在鋁合金中應用廣泛，幾乎所有在退火狀態使用的兩相合金都應用了過剩相強化。或者更準確地說，是固溶強化與過剩相強化的聯合應用。過剩相強化有時亦稱復相強化或異相強化。

非共格硬顆粒彌散物對鋁合金的強化稱彌散強化。為取得好的強化效果，要求彌散物在鋁基體中有低的溶解度和擴散速率、高硬度（不可變形）和小的顆粒（0.1μm左右）。這種彌散物可用粉末冶金法制取或由高溫析出獲得，產生粉末冶金強化和高溫析出強化。

由彌散質點引起的強化包括兩個方面:彌散質點阻礙位錯運動的直接作用，彌散質點為不可變形質點，位錯運動受阻后，必須繞越通過質點，產生強化，彌散物越密集，強化效果就越好;彌散質點影響最終熱處理時半成品的再結晶過程，部分或完全抑制再結晶（對彌散粒子的大小和其間距有一定要求），使強度提高。彌散強化對常溫或高溫下均適用，特別是粉末冶金法生產的燒結鋁合金，工作溫度可達350℃。彌散強化型合金的應變不太均勻，在強度提高的同時，塑性損失要比固溶強化或沉淀強化的大。熔鑄冶金鋁合金中采用高溫處理，獲得彌散質點使合金強化，越來越得到人們關注。在鋁合金中添加非常低的溶解度和擴散速率的過渡族金屬和稀土金屬元素，如含Mn、Cr、Zr、Sc、Ti、V等，鑄造時快速冷卻，使這些元素保留在α(Al)固溶體中，隨后高溫加熱析出非常穩定的0.5μm以下非共格第二相彌散粒子，即第二類質點。其顯微硬度可大于5000MPa，使合金獲得彌散強化效果。

這些質點一旦析出，很難繼續溶解或聚集，故有較大的彌散強化效果。以Al-Mg-Si系合金為例，加入不同量的過渡元素可使抗拉強度增加6%~29%，屈服強度提高最多，達52%。此外，彌散質點阻止再結晶即提高再結晶溫度，使冷作硬化效果最大限度保留，尤以Zr和Sc提高Al的再結晶溫度最顯著。

從過飽和固溶體中析出穩定的第二相，形成溶質原子富集亞穩區的過渡相的過程，稱為沉淀。凡有固溶度變化的合金從單相區進入兩相區時都會發生沉淀。鋁合金固溶處理時獲得過飽和固溶體，再在一定溫度下加熱，發生沉淀生成共格的亞穩相質點，這一過程稱為時效。由沉淀或時效引起的強化稱沉淀強化或時效強化。第二相的沉淀過程也稱析出，其強化稱析出強化。鋁合金時效析出的質點一般為G.P區，共格或半共格過渡相，尺寸為0.001~0.1μm，屬第三類質點。這些軟質點有三種強化作用即應變強化、彌散強化和化學強化。時效強化的質點在基體中均勻分布，使變形趨于均勻，因而時效強化引起塑性損失都比加工硬化、彌散強化和異相強化的要小。通過沉淀強化，合金的強度可以提高百分之幾十至幾百倍。因此，沉淀強化是Ag、Mg、Al、Cu等有色金屬材料常用的有效強化手段。

沉淀強化的效果取決于合金的成分、淬火后固溶體的過飽和度、強化相的特性、分布及彌散度以及熱處理制度等因素。強化效果最好的合金位于極限溶解度成分，在此成分下可獲得最大的沉淀相體積分數。

鋁合金晶粒細化，晶界增多，由于晶界運動的阻力大于晶內且相鄰晶粒不同取向使晶粒內滑移相互干涉而受阻，變形抗力增加，即合金強化。晶粒細化可以提高材料在室溫下的強度、塑性和韌性，是金屬材料最常用的強韌化方法之一。晶界上原子排列錯誤，雜志腹肌

晶界上原子排列錯亂，雜質富集，并有大量的位錯、孔洞等缺陷，而且晶界兩側的晶粒位向不同，所有這些都阻礙位錯從一個晶粒向另一個晶粒的運動。晶粒越細，單位體積內的晶界面積就越大，對位錯運動的阻力也越大，因而合金的強度越高。晶界自身強度取決于合金元素在晶界處的存在形式和分布形態，化合物的優于單質原子吸附的，化合物為不連續、細小彌散點狀時，晶界強化效果最好。晶界強化對合金的塑性損失較少，常溫下強化效果好，但高溫下不宜采用晶界強化，因高溫下晶界滑移為重要形變方式，使合金趨向沿晶界斷裂。

鋁合金的晶粒細化的方法主要有三種。

采用高強度的粉、絲和片狀材料和壓、焊、噴涂、溶浸等方法與鋁基體復合，使基體獲得高的強度，稱為復合強化。按復合材料形狀，復合強化可分為纖維強化型、粒子強化型和包覆材料三種。晶須和連續纖維常作纖維強化原料，粒子強化型有粉末冶金和混合鑄造兩類。對燒結鋁合金屬粒子復合強化合金，多數學者認為是彌散強化的典型合金。復合強化的機理與異相強化相近。這種強化在高溫下強化效果最佳，在常溫下也可顯著強化，但塑性損失大。可以用作增強纖維的材料有碳纖維、硼纖維、難熔化合物(Al₃O₂、SiC、BN、TiB₂等)纖維和難熔金屬(W、Mo、Be等)細絲等。這些纖維或細絲的強度一般為2500~3500MPa。此外，還可用金屬單晶須或Al₃O₂、B4C等陶瓷單晶須作為增強纖維，它們的強度就更高。但晶須的生產很困難，成本很高。

鋁合金是一種典型的基體材料。以硼纖維增強和可熱處理強化的合金（如Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si）或彌散硬化的Al-Al₃O₂系為基的金屬復合材料，其比強度和比剛度為標準鋁合金的2~3.5倍，已被用于航空及航天工業。

金屬基體復合材料的強化機理與上述固溶強化及彌散強化等機理不同，這種強化主要不是靠阻礙位錯運動，而是靠纖維與基體間良好的浸潤性緊密粘結，使纖維與基體之間獲得良好的結合強度。這樣，由于基體材料有良好的塑性和韌性，增強纖維又有很高的強度，能承受很大的軸向負荷，所以整個材料具有很高的抗拉強度及優異的韌性。此外，這種材料還能獲得很高的比強度、很高的耐熱性及抗腐蝕性，是目前材料發展的一個新方向。

不可熱處理強化鋁合金的強化

純鋁、Al-Mg、Al-Mg-Sc、Al-Mn合金屬于不可熱處理強化鋁合金，主要靠加工硬化和晶界強化獲得高強度，輔助強化機制還有固溶強化、過剩相強化、彌散相強化等。加工硬化可通過熱變形、冷變形、冷變形后部分退火而不同程度地獲得。熱變形產生亞結構強化，變形溫度越高，亞晶尺寸越粗大，強化效果越差，但塑性相當高。經完全退火的材料進行不同程度的冷變形，冷變形率越大，制品強度越高，但塑性也越低。冷變形的加工硬化效果最大。充分冷變形的制品在不同溫度下退火，控制回復和再結晶階段，可保留不同程度的加工硬化量即不同的強化效果。

可熱處理強化鋁合金的強化

工業生產的可熱處理強化鋁合金有Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，以及開發中的Al-Cu-Li和Al-Mg-Li合金等。這些合金普遍采用淬火時效，并主要通過沉淀強化方法來獲得很高的強度，輔助強化機制也有固溶強化、過剩相強化、彌散相強化、晶界強化等。自然時效時G.P區為主要強化相，人工時效主要是G.P區加過渡相起強化作用，過時效時才出現穩定相，出現穩定相后強度降低。

形變時效與擠壓效應強化

在Al-Cu系和Al-Mg-Si系合金中，較多采用形變時效方法獲得高強度，該方法包括T3、T8和T9三種狀態，都是利用時效強化和冷作硬化的交互作用及強化在一定程度上的疊加作用。2124-T8厚板因冷變形產生的大量滑移線，滑移線上成排分布著時效析出相，二者的聯合作用使塑性變形更為困難，即強度進一步提高。

 可熱處理強化鋁合金擠壓制品淬火時效后的強度比其他方法生產的同一合金相同熱處理狀態下的強度高，這一現象稱為擠壓效應。其組織觀察發現全部或部分保留了冷作硬化效應，基體中保留了大量亞結構，故強化是時效強化和亞結構強化的疊加。

Al-Si合金的強化

Al-Si系變形鋁合金，特別適合于生產活塞等模鍛件，合金中硅含量ω(Si)=12%~13%，還含有一定量的Cu、Mg、Ni等。組織中有較多的結晶時生成的共晶硅，均布在軟的α(Al)基體上，尺寸大都在5μm左右，硬且脆。這種共晶硅是鋁合金中異相強化的典型例子。由于異相強化具有耐高溫、耐磨和中強等特點，故特別適合于制作活塞。

來源：《鋁合金的熱處理》、《簡明鋁合金加工手冊》、網絡