變形鋁合金熱處理的退火包括：鑄錠的均勻化退火、坯料退火、中間退火和成品退火。鑄錠均勻化退火在熔鑄的篇章中進(jìn)行了講述。坯料退火是指壓力加工過(guò)程中第一次冷變形前的退火。對(duì)于鋁擠壓企業(yè)來(lái)說(shuō)，都是熱擠壓后的冷加工，因此不存在坯料退火。所以本節(jié)只討論中間退火和成品退火。

一、冷變形金屬加熱時(shí)的組織與性能的變化

    金屬經(jīng)過(guò)冷變形后，自由能增加，晶格發(fā)生畸變，晶格的各種缺陷如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、亞晶界等增加。金屬的性能出現(xiàn)加工硬化，即抗拉強(qiáng)度、硬度、電阻增加，而伸長(zhǎng)率和韌性下降。
    由于冷變形金屬自由能增加，處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，總有一種向冷變形前的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。但尚不足以使它自發(fā)地向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，需要給予熱能的補(bǔ)充。當(dāng)冷變形金屬加熱后，促使原子擴(kuò)散、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)回復(fù) (又稱(chēng)恢復(fù))、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大(包括聚集再結(jié)晶)，這三個(gè)階段而又有交疊的過(guò)程，使金屬的組織和性能又恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)，如圖3—5—14所示。

圖3—5—14冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化
Ａ一再結(jié)晶開(kāi)始溫度；B一再結(jié)晶終了溫度

1．回復(fù)
    回復(fù)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及其重新組合，在精細(xì)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多邊化過(guò)程，形成亞晶組織。
    回復(fù)是在較低溫度下進(jìn)行，退火溫度越高，性  能的恢復(fù)越快；退火溫度越低，性能的恢復(fù)越慢。一般開(kāi)始時(shí)進(jìn)行得較快，隨后逐漸減慢。主要是以晶格畸變所引起的內(nèi)應(yīng)力和電阻的恢復(fù)，性能的恢復(fù)較慢。在回復(fù)過(guò)程中，由于金屬在變形時(shí)內(nèi)部的變化不均，有變形量大的地方，回復(fù)過(guò)程中需要的熱能供給量少，首先進(jìn)行回復(fù)。因此，對(duì)同一塊金屬而言，回復(fù)不是同時(shí)發(fā)生的，而是有先有后，甚至有的地方尚未回復(fù)，而有的地方已開(kāi)始再結(jié)晶了。
    回復(fù)不能使金屬的冷變形儲(chǔ)能完全釋放，因此不能完全消除加工硬化效應(yīng)。只有通過(guò)再結(jié)晶過(guò)程才能完全消除金屬的加工硬化效應(yīng)。
2．再結(jié)晶
    冷變形鋁及鋁合金加熱從某一溫度開(kāi)始，顯微組織發(fā)生明顯變化，加工硬化完全消除，形成了新晶粒的顯微組織，這種現(xiàn)象稱(chēng)為再結(jié)晶。
    冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶的熱處理過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶退火。生產(chǎn)中采用再結(jié)晶退火主要是為了消除產(chǎn)品冷變形所產(chǎn)生的加工硬化和提高產(chǎn)品的塑性。
    1)再結(jié)晶溫度
    再結(jié)晶與液體結(jié)晶及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變不同，它沒(méi)有一個(gè)固定的結(jié)晶溫度，而是在加熱過(guò)程中自某一個(gè)溫度開(kāi)始隨溫度升高或時(shí)間的延長(zhǎng)而進(jìn)行成核及長(zhǎng)大的過(guò)程，它是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)完成的?？梢蚤_(kāi)始再結(jié)晶的最低溫度稱(chēng)為再結(jié)晶溫度(又稱(chēng)再結(jié)晶開(kāi)始溫度)如圖3—5—14中A點(diǎn)的溫度。再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行完了的溫度稱(chēng)為再結(jié)晶終了溫度，如圖3—5—14中B點(diǎn)的溫度。表3—5—9為部分?jǐn)D壓合金的再結(jié)晶溫度。
    2)影響再結(jié)晶溫度的因素
    每種合金的再結(jié)晶溫度不是一個(gè)固定不變的溫度，它與變形程度、原始晶粒度、合金成分、退火溫度和保溫時(shí)間等因素有關(guān)。

表3—5—9部分?jǐn)D壓鋁合金的再結(jié)晶溫度表 

    (1)變形程度的影響
    冷變形程度是影響再結(jié)晶溫度的重要因素。金屬的冷變形量越大，金屬的自由能增加就越多，有更大的推動(dòng)力促使金屬進(jìn)行再結(jié)晶，因此其再結(jié)晶的溫度就會(huì)越低。同時(shí)，隨變形程度的增加，完成再結(jié)晶過(guò)程也越快，因而所需的時(shí)間就越短。
    變形程度很小時(shí)，再結(jié)晶不易發(fā)生，即使發(fā)生其孕育期很長(zhǎng)。當(dāng)變形程度達(dá)到一定程度時(shí)才會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶。這個(gè)能夠引起再結(jié)晶的最小變形程度，稱(chēng)為臨界變形程度(或稱(chēng)臨界變形度)，它的再結(jié)晶完成后，形成的晶粒最為粗大。在變形鋁合金中一般臨界變形度為3%～15%，因此這種變形度引起的再結(jié)晶晶粒會(huì)特別粗大。
    (2)原始晶粒度的影響
    在相同條件下，當(dāng)原始晶粒細(xì)小時(shí)，變形后其內(nèi)部?jī)?chǔ)存能較多，有利于再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大，再結(jié)晶進(jìn)行的就順利，因而可以在較低的溫度下進(jìn)行，即可以降低再結(jié)晶溫度。
    (3)合金成分的影響
    在固溶體范圍內(nèi)，加人少量元素通常能急劇提高再結(jié)晶溫度。金屬越純，少量元素的作用越明顯。元素濃度繼續(xù)增加，再結(jié)晶溫度的增量逐漸減少，并在達(dá)到一定濃度后基本不再改變，有時(shí)甚至降低。當(dāng)元素的濃度進(jìn)一步提高，合金中有第二相出現(xiàn)時(shí)，再結(jié)晶溫度的變化較為復(fù)雜，再結(jié)晶溫度的影響與第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量和彌散度有關(guān)。如第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量較少且彌散度不大時(shí)，在第二相質(zhì)點(diǎn)周?chē)纬晌诲e(cuò)塞積，易使再結(jié)晶發(fā)生，因而可能降低再結(jié)晶溫度。
    (4)加熱速度與保溫時(shí)間的影響
    當(dāng)冷變形金屬快速加熱到退火溫度時(shí)，由于回復(fù)過(guò)程來(lái)不及發(fā)生，容易產(chǎn)生再結(jié)晶核心而進(jìn)行再結(jié)晶，即再結(jié)晶溫度相應(yīng)降低，同時(shí)可以獲得細(xì)晶粒組織。
    加熱保溫時(shí)間越短，則再結(jié)晶越要在較高的溫度下才能發(fā)生，相反加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)，再結(jié)晶可以在較低的溫度下發(fā)生。
    (5)退火溫度的影響
    由于再結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)熱激活過(guò)程，提高退火溫度使形核率和長(zhǎng)大速率增加，因而能加快再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行。
3．晶粒長(zhǎng)大
    冷變形金屬在加熱保溫過(guò)程中完成了再結(jié)晶后，如果繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間或提高加熱溫度。再結(jié)晶得到的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，將會(huì)長(zhǎng)大形成粗大的晶粒，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為聚集再結(jié)晶。它使金屬的力學(xué)性能變壞。
    一般晶粒長(zhǎng)大有兩種形式。一種是均勻地逐漸長(zhǎng)大，形成大小相近的粗大晶粒，這種長(zhǎng)大過(guò)程叫一次長(zhǎng)大。另一種是非均勻長(zhǎng)大，大小晶粒相差很大，有的晶粒特別粗大，這種長(zhǎng)大過(guò)程常稱(chēng)為二次長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大過(guò)程從熱力學(xué)條件來(lái)分析，是一種自發(fā)的變化趨勢(shì)。因?yàn)樵谝欢w積的金屬中，晶粒越粗，其總的晶界表面積就越小，則總表面能越低。因而晶粒的粗化可以減少表面能，使金屬或合金處于表面能較低的穩(wěn)定狀態(tài)，在繼續(xù)加熱過(guò)程中正好提供了補(bǔ)充能量的機(jī)會(huì)。促使細(xì)晶粒向粗晶粒轉(zhuǎn)化。
    晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程是晶?；ハ嗤滩⒌慕Y(jié)果。晶粒越小，晶界的曲率越大，其表面能越大，因而一個(gè)彎曲的晶界有向曲率中心移動(dòng)而使其變得平直的趨向，這一過(guò)程稱(chēng)為晶界的平直化。一般小晶粒的晶界多呈凸形，而大晶粒晶界多呈凹形，晶界移動(dòng)的結(jié)果，往往都是小晶粒被大晶粒吞并。

二、中間退火

    中間退火是指兩次冷加工之間的退火。通過(guò)一次加工后，為消除加工硬化，以便進(jìn)一步進(jìn)行冷加工而必須進(jìn)行一次退火。鋁合金擠壓材如擠壓的管毛料、線毛料(小棒材)、需經(jīng)多次拉伸或軋制才能變?yōu)槌善?，其間就必須進(jìn)行中間退火。
    中間退火應(yīng)該注意的是必須是再結(jié)晶退火，對(duì)于熱處理可強(qiáng)化的鋁合金應(yīng)控制冷卻速度，通常采用爐中以不大于30℃/h的速度緩慢冷卻到270℃以下再出爐冷卻，防止高溫出爐造成空氣淬火，降低其塑性。對(duì)于熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金，退火結(jié)束后可以直接在空氣中冷卻。中間退火制度見(jiàn)表3—5—10。

表3—5—10鋁合金中間退火制度表 

三、成品退火

    成品退火是根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件要求，保證材料具備一定的組織和性能的最終熱處理。成品退火分為高溫退火(生產(chǎn)軟制品)和低溫退火(生產(chǎn)不同狀態(tài)的半硬制品)。
    高溫退火是以“0”為標(biāo)志的熱處理狀態(tài)，保證材料為完全再結(jié)晶組織和良好的塑性。對(duì)于熱處理可強(qiáng)化的變形鋁合金，要使強(qiáng)化相充分沉淀形成穩(wěn)定的第二相，防止淬火效應(yīng)和隨后的自然時(shí)效。在保證鋁合金制品獲得良好的組織和性能的條件下，退火溫度不宜太高，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。應(yīng)注意控制好退火后的冷卻速度。熱處理不可強(qiáng)化的變形鋁合金可以出爐后在空氣中冷卻。對(duì)于熱處理可強(qiáng)化的變形鋁合金，退火保溫結(jié)束后應(yīng)以不大于30℃/h的速度在爐中冷卻到270℃以下，隨后出爐在室溫中冷卻。
    低溫退火多用于純鋁和熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金。主要目的是消除內(nèi)應(yīng)力和部分軟化制品。低溫退火由于不是完全軟化，要保持一定的加工硬化，因而制定低溫退火工藝比較復(fù)雜。必須先制定出退火溫度和力學(xué)性能的變化曲線，然后再根據(jù)技術(shù)條件要求的性能，確定出退火溫度范圍。鋁合金擠壓的型、棒材一般不采用低溫退火。冷軋的板材、管材的半硬制品多采用低溫退火。高溫退火制度見(jiàn)表3—5—11。

表3—5—11鋁合金成品退火制度表 

    日本變形鋁合金的熱處理工藝及室溫典型的力學(xué)性能見(jiàn)表3—5—12。
    表3—5—13為美國(guó)變形鋁合金典型熱處理規(guī)范。表3—5—14為美國(guó)變形鋁及鋁合金典型退火規(guī)范。

表3—5—12  日本變形鋁合金熱處理工藝及室溫力學(xué)性能表 

 
    表3—5—13  美國(guó)變形合金典型熱處理規(guī)范表 

 
    表3—5—14  美國(guó)變形鋁及鋁合金典型退火規(guī)范表