1、七章节合金脱溶沉淀与时效7.1 脱溶过程和脱溶物的结构脱溶过程和脱溶物的结构一、对比钢的淬火一、对比钢的淬火+回火后回火后HRC变化曲线和变化曲线和Al-Cu合金的时效强化曲线合金的时效强化曲线 二、名词解释二、名词解释1.固溶：固溶：将某一成分的合金加热到单相区（将某一成分的合金加热到单相区（相），经相），经足够时间保温，使合金元素（溶质元素）充分溶解入足够时间保温，使合金元素（溶质元素）充分溶解入固溶体中，然后予以速冷，以抑制这些元素重新析出，固溶体中，然后予以速冷，以抑制这些元素重新析出，致室温下获得一个过饱和固溶体。致室温下获得一个过饱和固溶体。2.脱溶析出：脱溶析出：从过饱和固溶体中
2、析出（沉淀相）或形成从过饱和固溶体中析出（沉淀相）或形成溶质原子聚集区及亚稳定相的过程，称为脱溶析出或溶质原子聚集区及亚稳定相的过程，称为脱溶析出或沉淀，是溶解的逆过程。沉淀，是溶解的逆过程。3.时效：时效：合金在脱溶过程中，其力学、物理、化学性能合金在脱溶过程中，其力学、物理、化学性能均随之发生变化的现象。均随之发生变化的现象。4.时效硬化（沉淀强化）时效硬化（沉淀强化）：时效析出过程中，合金中的：时效析出过程中，合金中的强度、硬度逐渐升高的过程。强度、硬度逐渐升高的过程。三时效析出过程与亚稳定平衡相图三时效析出过程与亚稳定平衡相图过饱和固溶体过饱和固溶体过过+溶质溶质原子聚集区原子聚集区过
3、过+亚稳亚稳相相+平衡相平衡相典型：典型：Al-Cu合金（合金（4%Cu）过饱和固溶体过饱和固溶体过过+GP区区过过+相相过过+相相+（Cu Al2）四、过渡相、平衡相的形成及其结构四、过渡相、平衡相的形成及其结构1.GP区的形成及其结构：区的形成及其结构：Cu原子要原子要Al基固溶体基固溶体100面上偏聚。面上偏聚。结结构：构：与与基体相同，与基体共格基体相同，与基体共格引起畸变，强化引起畸变，强化。形状：形状：小小圆片状圆片状2“的形成与结构：结构：的形成与结构：结构：正方点阵，正方点阵，a=b=4.04 ,c=7.68，与，与基体共格，基体共格，形态：形态：小圆片状，直径小圆片状，直径1
4、40150，厚度，厚度8203.相形成与结构：相形成与结构：结构：正方点阵，结构：正方点阵，a=b=4.04,c=5.80，半共，半共格。格。形态：形态：圆片状，直径圆片状，直径100600，厚度，厚度100150，光学显，光学显微镜下可见。微镜下可见。4.平衡相形成：平衡相形成：相继续长大，其周围基体中的应力、应变增大，相继续长大，其周围基体中的应力、应变增大，应变能增大，弹性应变能越来越大，共格关系破坏（为降低应应变能增大，弹性应变能越来越大，共格关系破坏（为降低应变能），完全从变能），完全从相中脱溶，形成平衡相相中脱溶，形成平衡相。结构：结构：正方点阵，正方点阵，a=b=6.07,c=4
5、.87，和基体是非共格关系。和基体是非共格关系。形状：形状：块状，块状，光学显微镜下可见光学显微镜下可见7.2 脱溶的热力学和动力学脱溶的热力学和动力学一、脱溶的热力学一、脱溶的热力学从相变驱动力大小来看应形成从相变驱动力大小来看应形成相，为什么形成相，为什么形成GP区？区？因为形成因为形成GP区相变阻力小（因为界面能小），浓差小，易形核区相变阻力小（因为界面能小），浓差小，易形核。二脱溶动力学及影响因素二脱溶动力学及影响因素（一）动力学特点（一）动力学特点 l具有具有C曲线的形式曲线的形式l形成形成GP区、过渡相、平衡相需要孕育期；区、过渡相、平衡相需要孕育期；l温度越高，过饱和度下降；温度
6、越高，过饱和度下降；l例：例：T1温度：温度：GP区区 l T2温度：温度：l T3温度：温度：（二）影响脱溶动力学因素（二）影响脱溶动力学因素1.晶体缺陷：晶体缺陷：空位、位错、层错、晶界空位、位错、层错、晶界2.合金成分影响：合金成分影响：（1）相同温度下时效，合金熔点越低，脱溶速）相同温度下时效，合金熔点越低，脱溶速度越快度越快（2）溶质浓度的影响）溶质浓度的影响（3）微量元素）微量元素3.固溶处理工艺的影响：固溶处理工艺的影响：温度、时间、冷速温度、时间、冷速)exp(KTWAC7.3 脱溶后的显微组织脱溶后的显微组织一、连续脱溶及其显微组织一、连续脱溶及其显微组织二、非连续脱溶及其显
7、微组织二、非连续脱溶及其显微组织7.4合金时效时的性能变化合金时效时的性能变化1.硬度变化硬度变化2.时效硬度变化因素时效硬度变化因素（1）时效过程中固溶体）时效过程中固溶体脱溶，过饱和度下降，脱溶，过饱和度下降，固溶强化降低；固溶强化降低；（2）基体发生回复与再）基体发生回复与再结晶；结晶；（3）新相的析出。）新相的析出。二时效硬化机制二时效硬化机制1.内应变强化内应变强化2.位错切过析出相位错切过析出相位错切过析出相要消耗的能量：位错切过析出相要消耗的能量：l粒子与基体错配度引起的应力粒子与基体错配度引起的应力场；场；l位错切过粒子的，粒子被滑移位错切过粒子的，粒子被滑移成两部分，增加表面
8、能；成两部分，增加表面能；l位错切过粒子时，改变了溶质位错切过粒子时，改变了溶质与溶剂的相邻关系，产生化学与溶剂的相邻关系，产生化学硬化。硬化。l所以能量增加，引起强化。所以能量增加，引起强化。3.位错绕过析出相位错绕过析出相位错绕过析出相所需的切位错绕过析出相所需的切应力：应力：其中：其中：G：切变模量；：切变模量；b:柏氏矢量；柏氏矢量；L：相邻析出：相邻析出相颗粒间距相颗粒间距L越小，所需切应力越大，越小，所需切应力越大，所以随时效时间延长，析所以随时效时间延长，析出相聚集长大，硬度下降。出相聚集长大，硬度下降。LGb2三、回归现象三、回归现象许多时效许多时效 硬化合金在时效强化后，于平
9、衡相或硬化合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的固溶度曲线以下某一温度加热，时效强过渡相的固溶度曲线以下某一温度加热，时效强化现象会立即消除，硬度基本上恢复到固溶状态，化现象会立即消除，硬度基本上恢复到固溶状态，这种现象称为回归。合金回归以后，再次进行时这种现象称为回归。合金回归以后，再次进行时效仍可重新发生时效，但时效速度下降，其余变效仍可重新发生时效，但时效速度下降，其余变化不大化不大。四影响时效强化效果的因素四影响时效强化效果的因素1.化学成分化学成分（1）能否形成固溶体：如）能否形成固溶体：如Fe、Ni基本不溶于固基本不溶于固态铝，不能时效强化；态铝，不能时效强化；（2）固溶浓度随温度变
10、化程度）固溶浓度随温度变化程度（3）析出相结构）析出相结构（4）淬火空位）淬火空位2.固溶工艺：固溶工艺：温度、时间、冷速温度、时间、冷速3.时效工艺：时效工艺：温度、时间、时效方式温度、时间、时效方式7.5铁基合金的脱溶与时效铁基合金的脱溶与时效一马氏体时效钢的脱溶及性能变化一马氏体时效钢的脱溶及性能变化1.马氏体时效钢：马氏体时效钢：C%0.03%，18%Ni，20%Ni，25%Ni，因碳极低，所以为铁基合金。，因碳极低，所以为铁基合金。特点：特点：淬透性极高，空冷或炉冷均可得到板条马氏体。淬透性极高，空冷或炉冷均可得到板条马氏体。强度、硬度较低（强度、硬度较低（HRC30，因，因C量低）
11、，成型性能量低），成型性能好。好。时效强化效应，时效后屈服强度为：时效强化效应，时效后屈服强度为：14003500MPa.二铁基合金中的淬火时效二铁基合金中的淬火时效1.铁素体中合金铁素体中合金K脱溶脱溶2.奥氏体钢淬火时效现象奥氏体钢淬火时效现象7.6合金的调幅分解合金的调幅分解调幅分解定义：调幅分解定义：由过饱和固溶体分由过饱和固溶体分解产生两种结构相同，成分不同的解产生两种结构相同，成分不同的固溶体（但一个为溶质富化，一个固溶体（但一个为溶质富化，一个为溶质贫化），这种分解按扩散为溶质贫化），这种分解按扩散-偏聚机构进行的固态相变。偏聚机构进行的固态相变。一热力学条件一热力学条件成分在拐
12、点之间的合金（成分在拐点之间的合金（G-C曲线曲线下凹）下凹）换句话：只有在的范围内的合金才换句话：只有在的范围内的合金才能进行调幅分解，即能进行调幅分解，即RKV范围内。范围内。二调幅分解过程二调幅分解过程是纯扩散过程，一般脱溶分解是下坡扩散，即高浓度向是纯扩散过程，一般脱溶分解是下坡扩散，即高浓度向低浓度扩散，而调幅分解是上坡扩散，低浓度向高浓度低浓度扩散，而调幅分解是上坡扩散，低浓度向高浓度扩散。扩散。三组织、结构、性能三组织、结构、性能1.结构特点：分解产物与母相晶体结构相同，仅成分不结构特点：分解产物与母相晶体结构相同，仅成分不同，故新相与母相始终保持共格关系。同，故新相与母相始终保
13、持共格关系。2.组织特点：因新相与母相在分解过程中，始终保持共组织特点：因新相与母相在分解过程中，始终保持共格关系，必然产生应力场，应变能增加。格关系，必然产生应力场，应变能增加。（1）择优取向析出）择优取向析出 (2)弥散度大弥散度大3.性能特点性能特点（1）提高磁性能：）提高磁性能：因为组织具有方向性，且产因为组织具有方向性，且产物为两相，它们就相当于一个个单磁畴，在外物为两相，它们就相当于一个个单磁畴，在外磁场作用下，发生转动，转动至与外磁场方向磁场作用下，发生转动，转动至与外磁场方向一致时，就使合金的硬磁性增大。一致时，就使合金的硬磁性增大。（2）较高强度：）较高强度：因组织细小弥散因组织细小弥散4.调幅分解与脱溶分解的区别调幅分解与脱溶分解的区别（1）调幅分解不需要成核，不需要热激活，不）调幅分解不需要成核，不需要热激活，不需克服势垒，一旦分解发生系统自由能连续下需克服势垒，一旦分解发生系统自由能连续下降降，所以分解是自发过程。，所以分解是自发过程。（2）上坡扩散，而脱溶下坡扩散。）上坡扩散，而脱溶下坡扩散。（3）新相与母相始终保持共格关系，新相与母）新相与母相始终保持共格关系，新相与母相结构相同，成分不同。脱溶分解过程共格关相结构相同，成分不同。脱溶分解过程共格关系会逐渐被破坏，新相与母相成分、结构不同。系会逐渐被破坏，新相与母相成分、结构不同。
