第二章 文獻探討
2.7 鋁合金之析出強化機制
一、 析出硬化之基本原理 1. 擴散現象
根據Hirano[36]等人研究指出銅、鎂、矽、和鋅等元素是鋁合 金材料 中主要介入析出硬化作用的溶質成分，這些元素在鋁材質中具有相當 高的擴散速率(diffusion rates)，如圖2.9[36]所示。Altenpohl [37]指出材料 的內部會隨溫度的升高而增加許多晶格空位，有助於原子擴散或置換 型擴散作用進行，且擴散係數係原子躍入空孔的速率與空孔濃度的乘 積，故在時效溫度具有過飽和的空孔，會提高擴散之速率。
圖 2.9 各種元素在鋁金屬內的擴散系數[36]
2. 空孔對GP Zone生成的影響
只要空孔的臨界濃度條件具備，在基質中發生析出GP Zone的均質 核種，可形容為無法預期的快速。固溶體內過飽和空孔影響擴散作用 並促進成核發生。
3. 無析出帶之觀念(PFZ)
基地在某特定溫度時，具有一定臨界空孔濃度以促使GP Zone 的 成核發生，但是在晶界的位置有可能是空孔的消逝地帶，而空孔的濃 度也受固溶溫度及淬火程度的影響，當淬火速率降低，則空孔濃度梯 度也隨之降低，對GP Zone 沒有預期析出，稱之為PFZ(precipitation free zone)。
二、 A2XXX系列強化機制
其中SSS(supersaturated solid solution)表過飽和固溶體，GP Zone (guinier-preston zones)為Cu原子聚集之區，θ”與θ’為次穩定之Al2Cu相，
θ則為穩定之Al2Cu相；而GPB Zone (guinier-preston-bagariastkij zones) 為Cu與Mg原子聚集之區，S”與S’為次穩定之Al2CuMg相，S相為穩定 之Al2CuMg相。S相的型態模式為正菱形的晶體結構，其晶格常數為a = 0.400 nm，b = 0.925 nm，c = 0.714nm。此外，S’相與S相除了晶格常數 有些微的不同外，S’相與S相其它部分皆相同[39]。
另一種機制中，主強化相S”相Wang[40]又稱之為GPB2，此相是由S 相或是GPB Zone轉變而來，S”/GPB2組成的成分為Al5Cu3及Al5Mg3，其
其中整合GP Zone：為過飽和固溶體中產生溶質原子重新排 列，形 成溶質原子集團（cluster），這些溶質原子的區域偏析會產生晶格平面 的扭曲。當析出相與基地之晶體界面是互相連續時，形成整合性應變 場（coherency strain），差排在切過此區域時必須要克服整合應變場，
使得差排不易運動，因而增加材料的強度。
半整合中間相η’：當系統的整合性應變場持續的 累積，並在某個 方位與基地保持整合，此種界面稱之為半整合(semi-coherency)。GP Zone持續析出或會轉變或被取代為其它的析出物時，通常這些中間相 與基地之間會形成一定的方向關係，硬度隨著整合性應變場的增加而 增加，粒子本身會阻礙差排運動而增加強度。
不整合穩定相η：隨時效時間的增加，析出物成長到某臨界尺寸，
與基地的晶格脫離整合關係，與基地形成不整合界面（ incoherency interface）。此時強化的效果只有 來自於差排繞過析出物時所產生的阻 擋效果，而隨著析出物的成長與粗化，其分佈密度越來越低，強化效 果也隨之越來越差。
表 2.6 7XXX 系鋁合金析出相之性質[41]
Precipitates GP Zones η’ η
Stoichlometrye -- MgZn2 MgZn2
Shape Spherical Platelets Rod, Plates
Structure
Alternate layers of Mg, Zn on
Coherency Yes Semi No
Stability Metastable Metastable Pseudostable
Size 3.5 nm 20 nm long
5 nm wide 50 nm Transition
Temperature 120 - 160℃ 120℃ 200 - 250℃
Solvus
Temperature 150℃ 250℃ 370℃
(2.) Cu
高強度Al-Zn-Mg-Cu鋁合金由於Cu的添加，可提高GP Zone的安定 性，並有助於GP Zone轉變為η’（MgZn2）相及增加η 及 η’之穩定性，
因此提高合金之時效硬化能力，增加材料強度及抗氫脆的效果。但是 Cu含量將使銲接性降低，易產生熱裂。延展性也會因Cu的含量增加而 有所降低。
(3.) Cr、Zr、Mn、Ti、Si
對7XXX系鋁合金而言，Si具有增加強度之功用；添加Mn、Ti有細 晶效果，錳含 量過高則會造成MnAl6析出；添加Cr可增加抗應力腐蝕性，
但其淬火敏感性提高；Zr可降低淬火敏感性，同時抑制晶粒的成長，
在鋁基地中會產生整合型分散 粒子Al3Zr 抑制再結晶。