1、第七章合金的脱溶与时效第七章合金的脱溶与时效从从过饱和固溶体过饱和固溶体中析出中析出第二相第二相(沉淀相沉淀相)或形成或形成溶质原子聚集区溶质原子聚集区及及亚稳定亚稳定过渡相过渡相的过程称为沉淀的过程称为沉淀(precipitation)(precipitation)或脱溶。或脱溶。相变的条件：溶解度变化，温度相变的条件：溶解度变化，温度 固溶度固溶度扩散型相变扩散型相变式中式中C1：固溶度线上的平衡浓度，它表示：固溶度线上的平衡浓度，它表示b b相脱溶后基体成分相脱溶后基体成分C0C1平衡相平衡相端际固溶体端际固溶体中间相中间相如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的某一温度并保持足够长的时如果
2、把这种合金加热到固溶度曲线以上的某一温度并保持足够长的时间，使间，使溶质元素溶质元素(元素元素B)B)充分溶入固溶体充分溶入固溶体(a a相相)中，然后中，然后快冷快冷，以抑，以抑制制a a相的重新析出相的重新析出 室温下获得一个过饱和固溶体，这种热室温下获得一个过饱和固溶体，这种热处理称为处理称为固溶处理固溶处理或或固溶淬火固溶淬火。合金在脱溶过程中机械性能、物理性能、化学性能等均随之发生变化，这种现象称为时效(aging)室温下产生的时效称为自然时效 高于室温的时效称为人工时效固溶体脱溶分解固溶体脱溶分解最早最早受到重视的受到重视的铝合金铝合金，1906年德国人年德国人Wilm研究研究Al
3、-Cu合合金加入金加入Mg引起的固溶强化时引起的固溶强化时偶然发现偶然发现，在室温放置合金的硬度，在室温放置合金的硬度时效硬化型：铝合金时效硬化型：铝合金耐热合金耐热合金沉淀硬化型不锈钢沉淀硬化型不锈钢马氏体时效钢马氏体时效钢 7.1 脱溶过程和脱溶物的结构合金经固溶处理以及淬火获得的亚稳过饱和固溶体，若在足够高温度下时效，在最终相出现之前，会出现一个、两个或更多个亚稳脱溶相（过渡相）脱溶一般过程：过饱和固溶体过饱和固溶体 溶质原子聚集区溶质原子聚集区(无序、有序无序、有序)亚稳相亚稳相 平衡相平衡相 以以Al-4%CuAl-4%Cu合金为例，研究最早也最细致合金为例，研究最早也最细致平衡组织
4、：平衡组织：a a+q q（CuAlCuAl2 2）550550固溶处理淬火后的组织为：固溶处理淬火后的组织为：过饱和过饱和a a固溶体固溶体在加热至在加热至130130时效，脱溶顺序为：时效，脱溶顺序为：G.P.G.P.区区 q qq q q q相相一、一、G.P.G.P.区的形成及结构区的形成及结构1938 1938 年年GuinierGuinier和和PrestonPreston用用X X射线技术各自射线技术各自独立分析研究独立分析研究Al-CuAl-Cu合金时效初期的单晶体合金时效初期的单晶体时发现：时发现：母相母相a a固溶体的固溶体的100100面上出现一个原子层厚面上出现一个原子
5、层厚度的度的CuCu原子聚集区，与母相保持共格关系原子聚集区，与母相保持共格关系Cu原子层边缘点阵发生晶格原子层边缘点阵发生晶格畸变畸变应力场应力场时效硬化时效硬化后来人们将这一Cu原子聚集区称为Guinier-Preston区，简称G.P.区G.P.区的特点：在过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度快，分布均匀 晶体结构与母相过饱和固溶体相同，与母相保持 第一类共格关系 热力学上是亚稳定的CuCu原子的半径较小，约原子的半径较小，约为为AlAl原子半径的原子半径的87%87%a方向材料的弹性模数最小Cu原子层在(001)a面形成Cu原子层附近的Al原子层沿001a方向以Cu原子层为中心向内收缩
6、GPGP区与母相保持共格区与母相保持共格关系关系GPGP区的区的形状与溶质和溶剂的形状与溶质和溶剂的原子半径差有关原子半径差有关溶质与溶剂的原子半径差5%，析出物呈圆盘状析出物体积一定时，形状由球状针状圆盘状弹性应变能减小弹性应变能减小Cu-Al原子半径差约为11.5%GP区呈圆盘状Al-Ag和Al-Zn合金的溶质、溶剂原子半径差很小GP区呈球状GP区的大小与合金的成分、时效温度和时效时间等有关Al-Cu合金在25时效时，GP区直径Cu在Al的 扩散速度（高107倍）D=Aexp（-QD/kTA)exp（-QF/kTH）固溶处理后快冷固溶处理后快冷将过剩空位冻结将过剩空位冻结下来下来CuCu的
7、的扩散扩散 常数常数空位扩散空位扩散激活能激活能玻尔玻尔兹曼兹曼常数常数时效时效温度温度空位形成空位形成激活能激活能固溶固溶处理处理温度温度CuCu的扩散按空的扩散按空位机制进行位机制进行空位扩散激空位扩散激活能、浓度活能、浓度空位形成的激活能空位形成的激活能与固溶处理温度和与固溶处理温度和冷却速度有关冷却速度有关计算值与试验计算值与试验值基本符合值基本符合位错、层错以及晶界位错、层错以及晶界等缺陷与空位作用类等缺陷与空位作用类似似过渡相、平衡相过渡相、平衡相的非均匀形核位置的非均匀形核位置 合金成分：合金熔点脱溶速度 原子间结合力弱，原子活动能力强原子间结合力弱，原子活动能力强Al-Cu合金
8、的时效温度200马氏体时效钢的时效温度500溶质浓度固溶体过饱和度脱溶加快溶质与溶剂原子性能差别脱溶加快 时效温度的影响时效温度 原子活动能力脱溶速度 化学自由能固溶体过饱和度脱溶速度，甚至不脱溶Al-4%Cu-0.5%Mg合金：200220，4h1h但时效温度太高，强化作用减弱7.3 脱溶沉淀后的显微组织与性能根据脱溶物附近基体浓度的变化，脱溶分为连续脱溶非连续脱溶一、脱溶后的显微组织1、连续脱溶:在合金脱溶过程中，脱溶物附近基体的浓度变化为连续的初期:析出物邻近基体的溶质原子浓度发生贫化，而远离析出物的基体溶质原子 浓度仍然保持原始浓度浓度梯度 析出物成核率大而长大速度小，尺寸极为细小和弥
9、散析出物成核率大而长大速度小，尺寸极为细小和弥散金相金相显微镜难辨认显微镜难辨认中期:析出物不断长大,溶质原子继续发生扩散。最终:析出停止，不论在析出物附近，或者离析出物较远的部位基体浓度一样 当析出过渡相以至平衡相时，析出物与基体相之间的共格关系逐渐破 坏，完全共格部分共格或非共格关系。虽然如此，析出物与基体析出物与基体之间 保持一定的晶体学位向关系一定的晶体学位向关系 魏氏组织（与钢中的魏氏组织类似）针状针状均匀脱溶：析出物的分布是较均匀的 很少非均匀脱溶：析出物的核心优先在晶界、亚晶界、滑移面、孪晶界面、位错线 以及其他的晶体缺陷处形成 实际合金2、非连续析出：析出物基体相界面 两侧的基
10、体相中溶质原子浓度是不连续的非连续脱溶也称为胞状脱溶，脱溶时两相耦合长大，与共析转变很类似显微组织特征：在晶界形成界限明显的领域，称为胞状物、瘤状物平衡脱溶相：片状平衡脱溶相：片状基体：贫化的固溶体基体：贫化的固溶体伴随基体的伴随基体的再结晶再结晶应力诱发再结晶应力诱发再结晶二、脱溶后的材料性能的变化由于固溶强化效应，固溶处理所得的过饱和固溶体的硬度和强度均较纯溶剂为高。在时效初期，时间HRC的现象称为时效硬化按硬化曲线的形状不同，时效分为按硬化曲线的形状不同，时效分为冷时效和温时效冷时效和温时效较低温度较低温度较高温度较高温度过时效过时效硬度变化的原因：硬度变化的原因：固溶体的贫化固溶体的贫
11、化 基体的回复与再结晶基体的回复与再结晶 新相的析出新相的析出时效硬化的机制：时效硬化的机制：内应变强化：析出相与母相的结构不同、点阵参数不同内应变强化：析出相与母相的结构不同、点阵参数不同切过析出相颗粒强化：切过析出相颗粒强化：应力场和表面积应力场和表面积绕过析出相强化：绕过时留下位错圈绕过析出相强化：绕过时留下位错圈回归现象回归现象：合金时效强化后，于：合金时效强化后，于固溶度曲线下某个温度加热，时固溶度曲线下某个温度加热，时效硬化现象立即消除，硬度恢复效硬化现象立即消除，硬度恢复到固溶处理状态的现象到固溶处理状态的现象 7.4 合金的调幅分解固溶体分解的一种特殊形式，有一种固溶体一种固溶体分解为结构相同结构相同而成分不同成分不同的两种固溶体两种固溶体，成份波动自动调整，分解产物只有溶质的富区和贫区溶质的富区和贫区两者之间没有清晰的相界面两者之间没有清晰的相界面调幅分解对合金的强韧化以及合金的物理性能、化学性能有显著影响 研究新材研究新材料具有重要意义料具有重要意义
