合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现的。但由于铝没有同素异构转变，所以其热处理相变与钢不同。铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度，且随温度的降低而急剧减小，所以铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。其强化效果是依靠时效过程中所产生的时效硬化相来实现的。

铝铜合金的时效强化过程分为以下四个阶段：

第一阶段：在过饱和α固溶体的某一晶面上产生铜原子偏聚现象，形成铜原子富集区（GP[Ⅰ]区），从而使α固溶体产生严重的晶格畸变，位错运动受到阻碍，合金强度提高。

第二阶段：随时间延长，GP[Ⅰ]区进一步扩大，并发生有序化，便形成有序的富铜区，称为GP[Ⅱ]区，其成分接近CuAl2（θ相），成为中间状态，常用θ″表示。θ″的析出，进一步加重了α相的晶格畸变，使合金强度进一步提高。

第三阶段：随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP[Ⅱ]区继续偏聚。当铜与铝原子之比为1：2时，形成与母相保持共格关系的过渡相θ′。θ′相出现的初期，母相的晶格畸变达到最大，合金强度达到峰值。

第四阶段：时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱落，形成与基体有明显相界面的独立稳定相CuAl2，称为θ相。此时，θ相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失，随着θ相质点的聚集长大，合金明显软化，强度、硬度降低。