氧化鋁在1808年在實驗室利用電解還原為鋁材，從此金屬世界開啟了新紀元。鋁材加入各種金屬元素而成的鋁合金開始逐漸應(yīng)用于生活、軍事、科技方面，對人類生活產(chǎn)生深遠的影響。

圖 氧化鋁還原鋁（Halvor Kvande1）

鋁合金多為鑄造而成，鑄造鋁合金在凝固過程中常會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，所謂“不患寡而患不均”，成分不均勻就是最天然的缺陷，可在鑄錠內(nèi)部形成很大的內(nèi)應(yīng)力。

快速冷卻時，一些非穩(wěn)定的中間相比如低熔點共晶組織和化合物，造成鑄態(tài)組織愈發(fā)不均勻，使合金熱塑性降低，加工性能變差。因此采取措施消除鑄錠組織與成分不均勻現(xiàn)象是必要的。

當然，自然界的所有存在均為合理，即使這種非均勻的亞穩(wěn)定，亦有自動向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。

但是若將其加熱至一定溫度，提高原子的擴散能力，就可較快完成由非平衡向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。這種熱處理工藝稱為均勻化退火。

均勻化退火又稱擴散退火。在略低于固相線溫度長期保溫的處理方法。減輕或消除鋼錠、鑄件、鋼坯化學成分及顯微組織偏析使其均勻化。

鋁合金的均勻化熱處理工藝可大致分為以下幾種：單級均勻化退火、雙級均勻化退火以及高溫均勻化退火。

圖 均勻化前后對比圖（來源于網(wǎng)絡(luò)）

單級均勻化退火：將鑄態(tài)合金加熱到某一溫度（非平衡固相線以下）保溫較長時間冷卻，這是一種常規(guī)的熱處理工藝，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，如5000系合金組織經(jīng)465℃×35h均勻化退火的中殘留相可基本消除。

雙級均勻化退火：此方法適用于第二相較為豐富的鋁合金，有研究發(fā)現(xiàn)，進行雙級均勻化熱處理的合金，對中間相溶解更充分，其綜合性能高于單級均勻化處理的同種合金，如在600℃×12h+450℃×6h的最佳雙級均勻化工藝方案下，3104鋁合金力學性能能獲得極大改善，這是單級均勻化退火所達不到的。

高溫均勻化退火：將鑄態(tài)合金加熱到非平衡固相線以上溫度進行退火，或者先將鑄錠在非平衡固相線以下溫度保溫一段時間后，再在非平衡線與平衡固相線之間加熱。

此工藝于上世紀五十年代主要針對通過長時間均勻化保溫也難以達到滿意的效果復(fù)雜合金提出的。

均勻化退火的目的是為后續(xù)的加工變形做組織準備。鋁合金經(jīng)過均勻化退火后非平衡相溶解、枝晶偏析消除、殘余相溶解沉淀，溶質(zhì)濃度趨向均勻。

均勻化退火后合金組織更均勻，內(nèi)應(yīng)力降低，室溫下合金塑性提高，冷、熱變形工藝性能得到改善。

同時，均勻化退火降低變形抗力，提高生產(chǎn)效率，改善合金的機械加工性能。所以，均勻化退火是鋁合金加工中不可少的入門環(huán)節(jié)。

我們一開始也談到了鋁合金加工中不可少的入門環(huán)節(jié)，均勻化退火。材料作為一門基礎(chǔ)學科呢，一邊是工藝應(yīng)用，一邊是微觀機理，就像一邊是火焰，一邊是海水，一邊熾熱而接地氣，一邊浩瀚而縹緲。

人總是要生活，經(jīng)驗中得來的生活靈感，也要用形而上的方式去升華智慧。

鋁合金均勻化退火原理是鋁基體中合金化元素原子的熱擴散運動，通過升高溫度降低合金偏析和成分不均勻現(xiàn)象，達到均勻組織的目的。根據(jù)擴散第一定律，溫度升高將使擴散過程大大加速。

因此，為了加速整個均勻化過程，應(yīng)當盡可能的提高均勻化溫度。均勻化溫度通常為0.9-0.95Tm，Tm表示鑄錠實際開始熔化溫度，低于平衡相圖上的固相線溫度。

在某些情況下，采用非平衡固相線以下溫度進行均勻化熱處理，難以達到組織均勻的目的，即使能達到，也需要很長時間保溫。所以高溫均勻化退火工藝研究就開展起來，在非平衡固相線溫度以上的均勻化退火工藝。

圖軋制AA5052鋁合均勻化退火組織:(a)Rolled;(b)220°C,4 h;(c)250°C,4 h;(d)300°C,4 h;(e)350°C,4 h;(f)380°C,4 h（Bo Wang2）

鋁合金鑄錠高溫均勻化退火時，非平衡共晶在開始階段熔化，但在長時間保溫后，液相會消失，溶質(zhì)原子進入固溶體中。2A12及7A04等合金在實驗室條件下進行過高溫均勻化，均可達到良好效果。

保溫時間基本上取決于非平衡相溶解及晶內(nèi)偏析消除所需的時間，研究發(fā)現(xiàn)，非平衡相完全溶解的時間與鋁合金固溶體成分充分均勻化的時間差不多。

在均勻化熱處理過程中，晶內(nèi)的溶質(zhì)濃度梯度為不斷減小的趨勢，因此擴散的物質(zhì)量也會不斷的減少，從而使均勻化有減緩的趨勢。

均勻化退火時間的過分延長不僅沒有顯著效果，反而還會降低爐子的生產(chǎn)能力，增加熱能消耗，這也是經(jīng)濟學中的邊緣效應(yīng)。

此外，加熱速度及冷卻速度也尤為重要。加熱速度的大小因以鑄錠不產(chǎn)生裂紋和不發(fā)生大變形為準則；冷卻速度值得注意，冷卻速度過慢會析出粗大的第二相，而冷速太快則易產(chǎn)生淬火效應(yīng)，使得加工時形成帶狀組織。

進行均勻化時，加熱溫度的上限不能超過合金中低熔點共晶的熔化溫度，若高于此溫度，則鑄錠組織中的低熔點共晶體將被熔化而出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

均勻化溫度的下限不能選得太低，因為原子的擴散速度是隨加熱溫度的升高而強烈增加的。而且，金屬必須加熱到某一定溫度以上，其原子擴散激活能才開始顯著提高。

對于含有多種非平衡相的復(fù)雜成份鑄錠，可嘗試采用多級溫度均勻化處理，依次消除非平衡相達到優(yōu)化的效果，這也就是多級均勻化退火的原因。

自然的一起都是運動的，變化的，靜置的加熱中也是運動的擴散，理解微觀，工藝才是科學，而非僅為經(jīng)驗。

參考文獻：

1.Halvor Kvande.Occurrence and Production of Aluminum.Chapter(PDF Available).DOI:10.1002/9781119951438.eibc2350.In book:

Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry.

2.Bo Wang,Xianhua Chen,Yong Fang.Chongqing University.Effectsof cold rolling and heat treatment on microstructure and mechanical propertiesof AA 5052 aluminum alloy.Published on Aug 1,2015in Transactionsof Nonferrous Metals Society of China.

3.George Vander Voort.Metallography and Microstructure of Aluminum and Alloys.https://vacaero.com/information-resources/metallography-with-george-vander-voort/1217-metallography-and-microstructure-of-aluminum-and-alloys.html.(封面圖片)