合金元素對鋁的另一種強化作用是通過熱處理實現的。但由于鋁沒有同素異構轉變，所以其熱處理相變與鋼不同。鋁合金的熱處理強化，主要是由于合金元素在鋁合金中有較大的固溶度，且隨溫度的降低而急劇減小，所以鋁合金經加熱到某一溫度淬火后，可以得到過飽和的鋁基固溶體。這種過飽和鋁基固溶體放置在室溫或加熱到某一溫度時，其強度和硬度隨時間的延長而增高，但塑性、韌性則降低，這個過程稱為時效。在室溫下進行的時效稱為自然時效，在加熱條件下進行的時效稱為人工時效。時效過程中使鋁合金的強度、硬度增高的現象稱為時效強化或時效硬化。其強化效果是依靠時效過程中所產生的時效硬化相來實現的。

鋁銅合金的時效強化過程分為以下四個階段：

第一階段：在過飽和α固溶體的某一晶面上產生銅原子偏聚現象，形成銅原子富集區（GP[Ⅰ]區），從而使α固溶體產生嚴重的晶格畸變，位錯運動受到阻礙，合金強度提高。

第二階段：隨時間延長，GP[Ⅰ]區進一步擴大，并發生有序化，便形成有序的富銅區，稱為GP[Ⅱ]區，其成分接近CuAl2（θ相），成為中間狀態，常用θ″表示。θ″的析出，進一步加重了α相的晶格畸變，使合金強度進一步提高。

第三階段：隨著時效過程的進一步發展，銅原子在GP[Ⅱ]區繼續偏聚。當銅與鋁原子之比為1：2時，形成與母相保持共格關系的過渡相θ′。θ′相出現的初期，母相的晶格畸變達到最大，合金強度達到峰值。

第四階段：時效后期，過渡相θ′從鋁基固溶體中完全脫落，形成與基體有明顯相界面的獨立穩定相CuAl2，稱為θ相。此時，θ相與基體的共格關系完全破壞，共格畸變也隨之消失，隨著θ相質點的聚集長大，合金明顯軟化，強度、硬度降低。