1、第七章 过饱和固溶体的脱溶分解1v1.重要概念v2.铝合金在时效过程中组织和性能的变化v3.钢的回火转变v4.调幅分解21.重要概念v脱溶分解：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程。v固溶处理：v将合金加热到固溶线以上一定温度保温足够时间，获得均匀的单相固溶体，快冷至室温得到过饱和固溶体的过程。v固溶与时效工艺的应用：有色金属的固溶与时效；低碳钢的时效，等。3合析反应、固溶体脱溶沉淀、共析相图、匀晶反应、偏析反应、包析反应42.铝合金在时效过程中组织和性能的变化铝合金在时效过程中组织和性能的变化2.1 Al-Cu合金在时效过程中的硬合金在时效过程中的硬
2、度变化度变化合金经加热保温后，得到合金经加热保温后，得到单相固溶体单相固溶体，之后快冷，得到之后快冷，得到过饱和过饱和固溶体。固溶体。固溶处理固溶处理一定温度加热，硬度随时效时间变化，一定温度加热，硬度随时效时间变化，先升后降先升后降。时效温度越高，到达硬度最大值时间时效温度越高，到达硬度最大值时间越越短短，硬度最大值，硬度最大值越低越低。56v产生原因：第二相析出硬度提高v第二相尺寸过大：过时效7固态相变固态相变43210aaaGPaa区区Al-CuAl-Cu合金合金室温平衡组织为：室温平衡组织为：（AlAl2 2CuCu）的实际过程要经过形成三个中的实际过程要经过形成三个中间相来完成，间相
3、来完成，在较低的温度下时效的脱溶在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为沉淀顺序为：2.2 Al-Cu合金的时效过程合金的时效过程89固态相变固态相变1)1)GP区区GPGP区是区是19381938年年GuinierGuinier和和PrestonPreston各自独立用各自独立用X X射线衍射发现的，故称射线衍射发现的，故称GPGP区。区。经固溶处理获得的过饱和固溶体，在发生经固溶处理获得的过饱和固溶体，在发生分解之前有一段准备过程，这段时间称为分解之前有一段准备过程，这段时间称为孕育期孕育期。随后，铜原子在铝基固溶体（面。随后，铜原子在铝基固溶体（面心立方晶格）的心立方晶格）的100晶面上偏聚，
4、形成晶面上偏聚，形成铜铜原子富集区原子富集区，称为，称为GP区区，呈，呈盘状盘状，只有几，只有几个原子层厚。其晶体结构类型仍与基体个原子层厚。其晶体结构类型仍与基体相同，并相同，并与基体保持共格关系与基体保持共格关系，所不同之，所不同之处是处是GP区中铜原子的浓度较高，引起区中铜原子的浓度较高，引起点阵点阵的严重的严重畸变畸变，阻碍位错运动阻碍位错运动，因而合金的，因而合金的强度、硬度提高强度、硬度提高。10固态相变固态相变112 2）铜原子富集区有序化）铜原子富集区有序化随着随着时效时间的延长，将形成介稳相时效时间的延长，将形成介稳相,成分接成分接近于近于AlAl2 2CuCu，正方点阵。，
5、正方点阵。在在GP区的基础上区的基础上Cu原原子进一步偏聚，子进一步偏聚，GP区进一步扩大，并区进一步扩大，并有序化有序化，即形成有序的富铜区，称为即形成有序的富铜区，称为 相相。呈盘状，呈盘状，与母相有一定取向关系。与母相有一定取向关系。由于由于相与基体相与基体仍保仍保持共格关系持共格关系，因此其周围基体产生弹性畸变，因此其周围基体产生弹性畸变，它比它比GP区周围的区周围的畸变更大畸变更大，对位错运动的阻，对位错运动的阻碍进一步增大，因此碍进一步增大，因此时效强化作用更大时效强化作用更大，为最，为最大强化的阶段。大强化的阶段。3 3）形成过渡相）形成过渡相 随着时效过程的进一步发展，随着时效
6、过程的进一步发展，Cu原子继续偏聚，原子继续偏聚，当铜与铝原子之比为当铜与铝原子之比为1：2时，形成过渡相时，形成过渡相 。成成分近似分近似AlAl2 2CuCu，正方点阵正方点阵,但轴比但轴比c/ac/a相对于相对于 下下降，降，由于由于 相相的点阵常数发生较大的变化，故当的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为格变为局部共格局部共格，对位错运动的阻碍作用亦就减，对位错运动的阻碍作用亦就减小，故合金的小，故合金的硬度开始降低硬度开始降低。4 4）形成稳定）形成稳定相相 时效后期，过渡相时效后期，过渡相从从铝基固溶
7、体中完全脱溶，铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为称为相相，正方点阵，轴比正方点阵，轴比c/ac/a相对于相对于 又又下降。下降。此时此时相与基体的相与基体的共格关系完全破坏共格关系完全破坏，共格畸变也，共格畸变也随之消失。并随时效温度的提高或时间的延长，随之消失。并随时效温度的提高或时间的延长，相的质点聚集长大合金的相的质点聚集长大合金的强度、硬度进一步降低强度、硬度进一步降低。v 4Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为：合金时效的基本过程可以概括为：过饱和固溶体过饱和固溶体形成铜原子富集区形成铜原子富集区(GP区区
8、)铜原子富集区有序化形成铜原子富集区有序化形成 相相形成过渡相形成过渡相析析出稳定相出稳定相(CuAl2)+平衡的平衡的固溶体。固溶体。v 合金系合金系不同，形成的不同，形成的GP区区、过渡相过渡相以及最后析出以及最后析出的的稳定相稳定相各不相同，各不相同，时效强化效果时效强化效果也不一样。也不一样。固态相变固态相变时效过程中，最大强化效果是在时效过程中，最大强化效果是在 析出阶析出阶段，当段，当 大量形成时，硬度开始下降，称大量形成时，硬度开始下降，称为为过时效过时效。回归现象：回归现象：时效强化后的时效强化后的AlCu合金，加热到稍高温合金，加热到稍高温度，短时保温再迅速冷却，时效硬化效果
9、度，短时保温再迅速冷却，时效硬化效果基本消失，硬度和塑性基本恢复到固溶处基本消失，硬度和塑性基本恢复到固溶处理状态，称为回归。实质是理状态，称为回归。实质是GP区和区和 的的加热回溶。加热回溶。1516为什么会出现过渡相？v因为，过渡相的出现使得系统能量的降低更加容易，速度更快。17182.3 脱溶沉淀的动力学分析Al-Cu合金的固溶度曲线（合金的固溶度曲线（a）及各相开始析出的动力学曲线（及各相开始析出的动力学曲线（b）193.钢的回火转变v回火：将淬火后的钢加热到低于临界点的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温。v原因：M极不稳定，极易分解；AR也是亚稳相v目的：改善韧性；稳定组织；消除
10、或减小 内应力。203.1淬火钢回火时的组织转变淬火钢回火时的组织转变根据温度，回火过程可分为以下五个有区别又相互重叠的阶段：根据温度，回火过程可分为以下五个有区别又相互重叠的阶段：（1）碳原子的重新分布）碳原子的重新分布时效阶段（时效阶段（100以下）以下）（2）过渡碳化物（）过渡碳化物（/或或）的沉淀）的沉淀回火第一阶段（回火第一阶段（100-300）（3）残余奥氏体的分解）残余奥氏体的分解回火第二阶段（回火第二阶段（200-300）（4）过渡碳化物转变为）过渡碳化物转变为Fe3C回火第三阶段（回火第三阶段（200-350）（5）Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体的形成的粗化和球化，以及
11、等轴铁素体的形成回火第四阶段（回火第四阶段（350 以上）以上）21（1）25-100 M中碳原子的重新分布vWc0.2%，碳原子扩散至孪晶面上碳原子扩散至孪晶面上弘津气团弘津气团（2）80-250 M分解高碳高碳M的分解的分解vT125，单相分解单相分解v出现原因：出现原因：碳原子的扩散能力不同碳原子的扩散能力不同22含C量、正方度不同低碳和中碳低碳和中碳M的分解的分解v 得到：得到：回火马氏体回火马氏体（3）残留奥氏体的转变 （200-300）v钢中钢中Wc0.4%时，就有时，就有ARvAR存在既有好处也有坏处存在既有好处也有坏处vAR与过冷与过冷A的差别：的差别：高碳；三向压应力高碳；三
12、向压应力23 AR向向P和和B的转变的转变vAR向向P的转变与过冷的转变与过冷A差别不大；差别不大；vAR向向B的转变被的转变被提前提前：M的存在促进的存在促进B转变（图转变（图7-12）AR向向M的转变的转变v二次淬火：二次淬火：AR在回火冷却时转变为在回火冷却时转变为M 如如：W18Cr4V的三次回火的三次回火v二次淬火的起因二次淬火的起因：560保温时，保温时，AR发生了发生了催化催化（反（反A热稳热稳定现象）定现象）v560 回火后在回火后在250 停留，依然发生稳定化（停留，依然发生稳定化（反催化反催化）。）。v催化和反催化可以反复进行多次催化和反催化可以反复进行多次v产生原因：产生
13、原因：C、N原子与位错交互作用的结果原子与位错交互作用的结果24Ms点上升Ms点下降（4）碳化物的析出，200-700 2526（5）相状态的变化回复和晶粒长大v低碳钢低碳钢：由于碳化物钉扎晶界，再结晶过程被抑制，回火时相只有回复和晶粒长大v高碳钢高碳钢：T=400，形成回火托氏体v T=600，形成回火索氏体v回火时间较短时，低碳钢保留板条板条特征，高碳钢保留片状片状特征；长时间回火后，出现等轴组织。27内应力消失v回火温度越高，内应力消失越彻底。28轴向应力切向应力径向应力3.2淬火碳钢回火时力学性能的变化淬火碳钢回火时力学性能的变化29303.3 合金钢回火时力学性能变化的特点合金钢回火
14、时力学性能变化的特点（1）延缓钢的软化）延缓钢的软化v Me主要通过影响碳原子的扩散来影响主要通过影响碳原子的扩散来影响M的分解及碳化物的分解及碳化物的析出、长大速度的析出、长大速度v强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等都可提高碳在等都可提高碳在M中中的扩散激活能的扩散激活能Q，降低扩散系数，降低扩散系数D（2）发生）发生二次硬化二次硬化现象现象v本质：本质：共格共格析出的合金碳化物的析出的合金碳化物的弥散强化弥散强化v合金碳化物越合金碳化物越稳定稳定、越、越细小细小，强化效果越好，强化效果越好vM2C和和MC型碳化物有明显二次硬化效果型碳化物有明显二次硬化效果（3）影响
15、钢回火后的脆性）影响钢回火后的脆性313.4回火脆性回火脆性v定义：淬火钢在回火加热过程中韧性并不是随温度上升而提高，而是在特定温度范围出现韧性明显下降的现象。（1）第一类回火脆性v出现温度：250-400 v原因：碳化物Fe2C5或Fe3C沿 板条M的条界、束界、群界 或在片状M的孪晶带和原A 晶界上析出。图图7-23 37CrNi3钢回火钢回火时硬度和冲击韧性的变时硬度和冲击韧性的变化化32v第一类回火脆性无法完全消除，但可以减轻：1）降低钢中杂质元素含量；2）细化A晶粒：用Al脱氧或加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用等温淬火代替淬火+回火5）加入Cr、Si等调整发生第一类回火脆性
16、的温度范围，使之避开所需的回火温度。33（2）第二类回火脆性v发生温度：450-650v影响因素（1）化学成分避免P、Sn、Mn、Si、S、As、Sb等，加入Mo、W、V、Ti、稀土等。（2）回火温度和回火时间（3）原始组织：M B P34v防止措施1）降低钢中杂质元素含量；2）细化A晶粒：加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用亚温淬火，使P等元素溶入残留的F中。5）避免在450-650 温度范围内回火，在650 以上回火时，采用快冷。354.调幅分解v分解时无形核阶段，是通过自发的成分涨落，分解时无形核阶段，是通过自发的成分涨落，通过上坡扩散使溶质成分的波幅不断增加，通过上坡扩散使溶质成
17、分的波幅不断增加，分解成结构均与母相相同，但成分不同的两分解成结构均与母相相同，但成分不同的两种固溶体。种固溶体。364.14.1调幅分解的热力学条件调幅分解的热力学条件如图所示，发生调幅分解的条件是：合金的成分必须位于自由能-成分曲线的两个拐点之间。v热力学条件：022dxGd非稳态区内，任何微量的成分起伏都会使系统的自非稳态区内，任何微量的成分起伏都会使系统的自由焓下降，意味着位于失稳分解线以内（非稳态区）的固由焓下降，意味着位于失稳分解线以内（非稳态区）的固溶体发生分解不存在热力学势垒，无需形核便会以调幅分溶体发生分解不存在热力学势垒，无需形核便会以调幅分解的方式使成分波幅不断增大。解的
18、方式使成分波幅不断增大。位于失稳分界线之外（介稳态区）的固溶体，成分位于失稳分界线之外（介稳态区）的固溶体，成分的微量起伏都会引起系统自由焓的上升，因而不能发生调的微量起伏都会引起系统自由焓的上升，因而不能发生调幅分解。幅分解。3738调幅分解界限v推导：v假设原始成分为X0的均匀固溶体出现了无限小量的浓度起伏x=x-x0，而xx0，那么1mol原子的自由能变化为：Gv=G(x)-G(x0)=xG(x0)将G(x)对x0按泰勒级数展开，并代回上式，得：)()(21G02xGxv显然，只有在Gv为负值时，才可作为调幅分解的驱动力。39v只有当X0处在调幅分解线以内时，才有v在这种情况下，任何一种
19、微小的浓度起伏，都使体系的自由能下降，即 Gv0。0)(G22 dxGdx404.2 4.2 增幅分解的动力学条件增幅分解的动力学条件 v 固溶体发生spinodal分解时,无形核势垒,只是溶质原子发生上坡扩散。溶质原子进行上坡扩散的结果，使成分起伏的振幅增加，当波幅达到饱和值后，波形逐渐向矩形波形状改变，最后达到矩形调幅波，如图所示。414.3 4.3 调幅分解的长大过程调幅分解的长大过程42434.4 4.4 调幅结构与材料性能调幅结构与材料性能 在许多合金（如在许多合金（如AlAl基、基、NiNi基、基、CuCu基和基和FeFe基合基合金等）和玻璃系观察到了调幅分解。金等）和玻璃系观察到了调幅分解。将硬磁合金放在磁场中进行调幅分解处理，将硬磁合金放在磁场中进行调幅分解处理，可获得方向性较强的调幅结构，使合金的硬磁可获得方向性较强的调幅结构，使合金的硬磁性能提高。性能提高。固态相变固态相变44
