淬火敏感性概念定义

淬火敏感性是变形铝合金材料尤其是可热处理强化的2XXX系 ，6XXX系 和 7XXX系 铝合金研究中的常见的概念。在钢的研究中也有涉及，但是没有铝合金中提到的多。可热处理强化的铝合金固溶淬火后固溶体的过饱和程度是后续时效强化的决定性因素，而大的淬火冷却速度是高程度过饱和固溶体的重要方法。因此，铝合金的淬火敏感性可以理解为铝合金过饱和固溶体分解对固溶淬火冷却速度的敏感程度。

淬火敏感性高的铝合金，淬火时如果不能保证足够快的淬火冷却速度，过饱和固溶体就会很快分解，不能形成高程度的过饱和固溶体，那么后续的时效处理时其性能较峰值就会有很大的下降。而淬火敏感性低的铝合金，，时效过程中过饱和固溶体的分解也较迟缓。假设合金的淬火敏感性足够低，那么固溶处理后在空气中冷却而不用水淬就可以形成过饱和固溶体。

淬火敏感性的高低会影响铝合金的淬透性。对于淬火敏感性的高的合金，在固溶淬火过程中就必须使用水淬等冷速较大的冷却方式。如果铝合金产品的尺寸较大、截面积较厚，材料从表面到心部会形成较大的温度梯度，心部的冷却速度往往会低于临界冷却速度，直接导致大型结构件心部的性能不达标。此外，一味的追求较快的冷却速度会导致铝合金产品内部产生较大的残余应力，严重降低产品的力学性能和后续的可加工性能。

以7XXX系铝合金为例，其时效强化主要是通过基体中析出高密度的η’相(MgZn₂)来实现的。固溶处理时Zn、Mg和Cu等合金元素会固溶于Al基体中形成过饱和固溶体，这些过饱和固溶体不稳定，时效过程中过饱和固溶体会分解析出第二相。一般来说，析出强化相的尺寸越细小，体积分数越高，合金的强度也越高。对于某些高淬火敏感性的7XXX系合金而言，当固溶淬火冷却速度比临界冷却速度慢时，过饱和固溶体会分析析出平衡η 相(MgZn₂)。这种平衡相尺寸较大，与基体非共格，因为平衡η 相是较粗大的硬脆相，强化机制为位错绕过机制，强化效果一般不如位错切过机制（如弥散的η’ ）。而且固溶淬火过程中析出平衡相会消耗过饱和固溶体中的Zn、Mg合金元素，严重降低基体中合金元素的浓度和空位浓度，导致时效过程中强化相η’ 的体积分数降低，尺寸增加，弥散程度也降低，最终导致时效后性能的大大降低 。

关于铝合金淬火敏感性的表征方法，主要有TTP曲线法、末端淬火实验法和不同介质淬火实验法等。

1. TTP曲线法

TTP(Temperature-Time-Property)曲线法是研究铝合金淬火敏感性最常用的方法，是一种定量的准确表征铝合金淬火敏感性的方法。TTP曲线即时间-温度-性能曲线，由于其形状像字母C，人们又称其为“C曲线”。

可以将固溶后的铝合金分别淬入不同温度的盐浴炉中，并等温保温不同的时间，然后水冷，再将这些不同淬火条件的试样进行人工时效处理，记录不同时效时间时某一性能指标（如维氏硬度、抗拉强度等）。一般选择时效后性能下降到峰值性能95%时所对应的等温保温温度和时效时间采用如下方程来拟合得到TTP曲线。

2. 末端淬火实验法

末端淬火实验法是通过研究铝合金淬透性来反映铝合金淬火敏感性的方法。通过对铝合金棒状试样一端进行强烈的喷淋冷却，在试样长度方向上可以获得不同的冷却速度梯度。然后通过评估时效后不同深度的性能表现，得到淬透性曲线，以此评价铝合金淬火敏感性的高低。

3.不同介质淬火法

不同介质淬火法是一种定性的、粗略的表征淬火敏感性的方法。是将固溶处理后的合金采用不同的淬火介质进行冷却，从而实现不同的淬火冷却速度。然后分别评估合金在不同淬火介质（即不同淬火冷却速度）中冷却后的性能表现，以此反映材料的淬火敏感性。

（1）含锰钢过热敏感性较大，如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。主要由于Mn降低A1，强化C的促进晶粒长大作用，从而增加过热的可能性。

（2）过热敏感性即是指钢淬火加热时奥氏体晶料发生长大的敏感性，奥氏体晶料长大往往使钢材的机械性能降低，特别是冲击韧性变坏，淬火加热时也容易形成裂纹。本质粗晶粒钢的过热敏感性大，本质细晶粒钢的过热敏感性只有热到930～950℃以上晶粒才显著长大。

裂纹敏感性是金属材料在铸造、焊接等凝固过程中产生裂纹的敏感程度。根据裂纹的类型，一般可分为热裂敏感性和冷裂敏感性。

中文名称

裂纹敏感性

英文名称

crack sensitivity

定　　义

金属材料在焊接时产生裂纹的敏感程度。

应用学科

机械工程（一级学科），焊接与切割（二级学科），焊接缺陷与检验（三级学科）

铝合金淬火炉之淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解。防止强化相析出，降低淬火时效后的力学性能。因此淬火时的冷却速度越快越好。但是冷却速度越大，淬火制品的残余应力和残余变形也越大，因此冷却速度要根据不同的合金和不同形状、尺寸的制品来确定。

一般合金的淬火对冷却速度敏感性强的，选择的冷却速度要大。如2A11，2A12合金淬火冷却速度应在50℃/S以上，而7A04合金对冷却速度非常敏感，其淬火冷却速度要求在170℃/S以上。

对于形状、尺寸大小不同的制品应采用不同的冷却速度，通常主要靠调整淬火介质的温度来实现。对于形状简单、中小型、棒材可用室温水淬火（水温一般L0～35℃），对于形复杂、壁厚差别较大的型材，可用40～50℃的水淬火。而对于特别易产生变形的制品，甚至可以将水温升至75～85℃进行淬火。试验证明随着水温升高使其淬火制品的力学性能和抗蚀性能有所降低。

铝合金淬火炉之铝合金最常用的淬火介质是水。因为水的粘度小、热容量大，蒸发热快，冷却能力强，而且使用非常方便、经济。但是它的缺点是在加热后冷却能力降低。淬火加热的制品在水中冷却可以分为三个阶段：第一阶段为膜状沸腾阶段。当炽热制品与冷水刚接触时，在其表面立即形成一层不均匀的过热蒸汽薄膜，它很牢固，导热性不好，使制品的冷却速度降低。第二阶段为气泡沸腾阶段。当蒸汽薄膜破坏时，靠近金属表面的液体产生剧烈的沸腾，发生强烈的热交换。第三阶段为热量对流阶段，冷却水的循环，或制品左右摆动、或上下移动，增加制品表面与水产生对流的热交换，以提高冷却速度。

根据上面分析，为了很快突破第一阶段，迸一步冷却，保证淬火制品冷却均匀，需要在淬火水槽中装有压缩空气管，以便搅拌，同时制品入水槽后要作适当的摆动。另外为保证水温不会升高太多，淬火槽应有足够的容量（一般应为淬火制品总体积的20倍以上）。而且冷却水应有循环装置。

除了调节水温来控制铝合金淬火炉的淬火冷却速度外，还可以在冷却水中加入不同的溶剂来调节水的冷却能力。通常采用聚乙醇水溶液作为冷却介质，同时还可以调节聚乙醇水溶液浓度来控制制品淬火的冷却速度。一般易变形的制品，经常用这种聚乙醇水溶液来淬火。