材料热处理第8章-合金脱溶沉淀与时效讲解课件.ppt

1、第第8章章 合金脱溶沉淀与时效合金脱溶沉淀与时效p定义定义p从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子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聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶脱溶或或沉淀沉淀，是一种，是一种扩散型扩散型相变。相变。pM M回火回火：C C原子聚集区，析出第二相原子聚集区，析出第二相相或亚稳过渡相或亚稳过渡相。相。p条件：组成合金的条件：组成合金的A A、B B两组元形成有限固溶体，且固溶度两组元形成有限固溶体，且固溶度随着温度降低而减小。随着温度降低而减小。p过饱和固溶体的脱溶沉淀过饱和固溶体的脱溶沉淀基本条件：基本条件：有

2、固溶度变化曲线（随有固溶度变化曲线（随T降低而减小）降低而减小）形成有限固溶体形成有限固溶体生产应用：生产应用：有色金属及沉淀硬化不锈钢等强化的主要手段。有色金属及沉淀硬化不锈钢等强化的主要手段。AB时效工艺过程时效工艺过程p 固溶处理：固溶处理：在固溶度曲线以上某一温度保持，让在固溶度曲线以上某一温度保持，让B B充充分溶入分溶入A A中，中，迅速冷却使迅速冷却使B B来不及析出而形成过饱和固溶来不及析出而形成过饱和固溶体。体。p 时效时效：经固溶处理后在室温放置或加热到溶解度曲：经固溶处理后在室温放置或加热到溶解度曲线以下某一温度保温，使线以下某一温度保温，使B B组元从过饱固溶体中析出的

3、过组元从过饱固溶体中析出的过程。程。p即：即：过饱和固溶体过饱和固溶体饱和固溶体饱和固溶体+析出相析出相p经过固溶处理的过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保经过固溶处理的过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保持时，将发生脱溶，使合金的强度和硬度显著提高，称为持时，将发生脱溶，使合金的强度和硬度显著提高，称为沉淀强（硬沉淀强（硬)化化或或时效强（硬）化。时效强（硬）化。过饱和过饱和固溶体固溶体 析析 出出 固溶处理固溶处理 饱和饱和固溶体析出相固溶体析出相 （固溶淬火）（固溶淬火）固溶处理固溶处理 速冷速冷 人工时效人工时效 自然时效自然时效 Tt AB过饱和过饱和 饱和饱和析出相析出相 溶质偏聚

4、区溶质偏聚区亚稳过渡相亚稳过渡相稳定第二相稳定第二相8.1脱溶过程和脱溶物的结构脱溶过程和脱溶物的结构p合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱亚稳脱溶相溶相或称为或称为过渡相过渡相。p脱溶过程脱溶过程：p以以Al-4%Cu合金为例：合金为例：p 1）最先形成的是铜原子的富集区）最先形成的是铜原子的富集区(G.P区区)p 2）相相(G.PII区

5、区)，p 3）相，相，p 4）相，即相，即CuAl2p G.P.区区 相相 相相 相相1、G.P.区的形成及其结构区的形成及其结构p在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为Guinier-Preston区，简称区，简称G.P.区。区。p特点特点p（1）在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，）在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均匀分布；通常为均匀分布；p（2）其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持第一类共格关系；持第一类共格关系；p（3）在热力学上是亚稳定的。）在热力学上是亚稳定

6、的。1、G.P.区的形成及其结构区的形成及其结构p形核形核：依靠浓度起伏均匀形核，形成速度很快：依靠浓度起伏均匀形核，形成速度很快p形态形态：为薄片状，含：为薄片状，含90%铜铜p与母相共格，平行于与母相共格，平行于100，p分布分布：均匀分布在：均匀分布在基体上，形成弹性畸变能导致硬度升基体上，形成弹性畸变能导致硬度升高。高。p形成温度形成温度：在室温或低温下，一般在：在室温或低温下，一般在190C以下，以下，200C以上要瓦解，升高的硬度将下降。以上要瓦解，升高的硬度将下降。pG.P.区的大小与合金成分、时效温度和时效时间有关。1、G.P.区的形成及其结构区的形成及其结构1、G.P.区的形

7、成及其结构区的形成及其结构G.P.区与母相保持共格界面能较小 弹性应变能较大。当溶质与溶剂的原子半径差小于当溶质与溶剂的原子半径差小于3时析出物呈球状，时析出物呈球状，当原子半径差大于当原子半径差大于5时析出物呈圆盘状。时析出物呈圆盘状。根据理论计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应根据理论计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应变能按球状（等轴状）变能按球状（等轴状）针状针状 圆盘状（薄片状）的圆盘状（薄片状）的顺序依次减小，即球状脱溶相的界面能最小，圆盘状的顺序依次减小，即球状脱溶相的界面能最小，圆盘状的应变能最小。应变能最小。2过渡相的形成及其结构过渡相的形成及其结构(1)相的形成与结

8、构相的形成与结构p 随时效时间的延长和时效温度的升高，已形成的随时效时间的延长和时效温度的升高，已形成的G.P.区直径进一步扩大，原子发生有序化，形成较为稳区直径进一步扩大，原子发生有序化，形成较为稳定的定的（G.P.II）p 形成形成：在：在G.P.区基础上演变（均匀形核）区基础上演变（均匀形核）p 形状形状：薄片状，厚：薄片状，厚0.8-2 nm，直径，直径15-40 nmp 惯习面惯习面：100，与母相完全共格，与母相完全共格p 结构结构：正方结构，：正方结构，a=b=0.404(与母相相与母相相同同),c=0.788 nmp 性能性能：为了保持与母相共格，产生更大弹性畸变区，：为了保持

9、与母相共格，产生更大弹性畸变区，使硬度升高（使硬度升高（合金达到最大强化的阶段合金达到最大强化的阶段）。）。（2）形成形成p时效温度进一步提高形成时效温度进一步提高形成。p 形核形核：不均匀形核（在位错及胞壁处）：不均匀形核（在位错及胞壁处）p 形态形态：薄片状（可用光学显微镜观察到）：薄片状（可用光学显微镜观察到）p 惯习面惯习面：(001)p 位向关系位向关系：100/100，100/010,在在(001)面上与面上与保持共格或半共格保持共格或半共格p 结构结构：正方点阵：正方点阵a=b=0.404,c=0.58nmp 成分成分：与：与CuAl2 相当。相当。对位错运动的阻碍作用减小，合金

10、的硬度开始降低对位错运动的阻碍作用减小，合金的硬度开始降低3平衡相的形成及其结构平衡相的形成及其结构p当当长大到一定程度，长大到一定程度，共格破坏共格破坏，与与完全脱离而成为完全脱离而成为稳定的稳定的相相(平衡相平衡相)。p 结构结构：正方点阵，：正方点阵，a=0.607，c=0.487nm,p 成分成分：CuAl2，p 形成形成CuAl2后性能下降后性能下降(发生了过时效发生了过时效)p随着时效温度的提高和时间的延长，随着时效温度的提高和时间的延长，相质点聚集长大，相质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步降低合金的强度、硬度进一步降低 4.044.044.044.047.685.86.0666

11、.0664.87相相abc与基体关系与基体关系 共格共格 半共格半共格 非共格非共格 母相母相4.044.044.04Al-4%Cu合金的脱溶顺序3过饱和固溶体过饱和固溶体 2 +G.P.区区 具有一定饱和度的固溶体具有一定饱和度的固溶体2 +1 +具有一定饱和度的固溶体具有一定饱和度的固溶体 +饱和固溶体饱和固溶体时效温度/CWCu=2%WCu=3%WCu=4%WCu=5%8.2 合金时效热力学和动力学合金时效热力学和动力学p1脱溶的热力学分析脱溶的热力学分析p 脱溶分解的能量变化符合一般的固态相变规律。也是脱溶分解的能量变化符合一般的固态相变规律。也是通过通过形核、长大形核、长大进行的。进

12、行的。p 脱溶的驱动力也是脱溶的驱动力也是新新/旧相的自由能差旧相的自由能差，阻力是，阻力是形成形成脱溶相的界面能和应变能。脱溶相的界面能和应变能。Al-Cu系合金析出过程各阶段在某一温度的自由能-成分关系曲线示意图pC0成分合金形成成分合金形成G.P.区时，可用公切线法区时，可用公切线法p确定基体和脱溶相的成分分别为确定基体和脱溶相的成分分别为C1和和CG.P.；p同理，形成同理，形成相时，分别为相时，分别为C2和和Cp形成形成相时，分别为相时，分别为C3和和Cp形成形成相时，分别为相时，分别为C4和和Cp各公切线与过各公切线与过C0的垂线的交点的垂线的交点b、c、d和和e分别代表分别代表C

13、0成分成分母相母相中形成中形成G.P.区、区、相、相、相和相和相时两相的系统自由相时两相的系统自由能。能。p由由G.P.能量逐渐降低。能量逐渐降低。p相变驱动力，相变驱动力，最大，最大，p G.P.最小最小p但相变难易程度还需考虑相变阻力。但相变难易程度还需考虑相变阻力。p实际脱溶过程可表示为：实际脱溶过程可表示为：p0 1G.P.2 3 平衡平衡G.PG.P区形成共格界面，界面能低，所需形核功较小；区形成共格界面，界面能低，所需形核功较小；且且G.PG.P区与基体浓度差较小，易通过扩散形核并长大，区与基体浓度差较小，易通过扩散形核并长大，所以一般脱溶时先形成所以一般脱溶时先形成G.P.G.P

14、.区。区。2.2.脱溶动力学及影响因素脱溶动力学及影响因素p2.1 脱溶等温曲线p类似C曲线，通过原子扩散形成，有孕育期。pC曲线独立并相互交叉TG.P.T T分别表示分别表示G.P.区、过渡相和平衡相区、过渡相和平衡相完全固溶的最低温度。完全固溶的最低温度。2.2.脱溶动力学及影响因素脱溶动力学及影响因素规律：规律：时效温度时效温度，固溶体的过，固溶体的过饱和度饱和度，脱溶析出过程，脱溶析出过程的阶段就越少；的阶段就越少；在同一温度下合金的溶质在同一温度下合金的溶质原子浓度原子浓度，固溶体的过，固溶体的过饱和度饱和度，析出过程的阶，析出过程的阶段越少。段越少。2.2.脱溶动力学及影响因素脱溶

15、动力学及影响因素p2.2 影响脱溶动力学因素p（1）析出过程中的扩散温度/K空位浓度温度/K空位浓度2.脱溶动力学及影响因素p2.2 影响脱溶动力学因素p（1）析出过程中的扩散p（2）合金成分的影响2.脱溶动力学及影响因素p2.2 影响脱溶动力学因素p（1）析出过程中的扩散p（2）合金成分的影响p(3)时效温度的影响时效温度时效温度，扩散，扩散，析出速度快；但临界，析出速度快；但临界晶核晶核，数量，数量，化学成分更接近平衡相，化学成分更接近平衡相，固溶体过饱和度固溶体过饱和度，析出速度，析出速度。在一定温度范围内，可以提高温度来加快时效在一定温度范围内，可以提高温度来加快时效过程，缩短时效时间

16、。过程，缩短时效时间。2.脱溶动力学及影响因素p2.2 影响脱溶动力学因素p（1）析出过程中的扩散p（2）合金成分的影响p(3)时效温度的影响p(4)固溶处理后时效处理前的冷加工变形 塑性变形诱发析出；塑性变形诱发析出；固溶处理后固溶处理后 时效处理前的冷加工变形能加速时效过时效处理前的冷加工变形能加速时效过程并提高时效处理后的最高硬度值；程并提高时效处理后的最高硬度值；冷加工变形能促进平衡相的析出冷加工变形能促进平衡相的析出 冷加工变形还可部分甚至全部抑制无析出区的形成冷加工变形还可部分甚至全部抑制无析出区的形成8.3 时效后的显微组织时效后的显微组织p 1）连续析出及其显微组织连续析出及其

17、显微组织p 2）非连续析出及其显微组织非连续析出及其显微组织p 3）时效过程中的微观组织变化时效过程中的微观组织变化 1 1）连续析出及其显微组织）连续析出及其显微组织p在脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续。在脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续。p均匀脱溶：均匀脱溶：析出物均匀分布在基体中的连续脱溶。析出物均匀分布在基体中的连续脱溶。p实际上均匀脱溶很少。实际上均匀脱溶很少。p非均匀脱溶非均匀脱溶：析出物优先在析出物优先在晶界晶界、亚晶界、亚晶界、滑移面滑移面、孪、孪晶界面、位错及其它缺陷处。晶界面、位错及其它缺陷处。优先发生于晶体缺陷处的析出称为优先发生于晶体缺陷处的析出

18、称为局部析出局部析出。有些时效型合金，在发生晶界析出的同时，还会在晶界有些时效型合金，在发生晶界析出的同时，还会在晶界附近形成一个附近形成一个无析出区无析出区。p特征特征：原子长程扩散：原子长程扩散无析出区无析出区p 脱溶沉淀时在母相晶粒边界常存在无析出区，既不脱溶沉淀时在母相晶粒边界常存在无析出区，既不形成形成G.P区，也不析出亚稳相及稳定相，一般认为，无析区，也不析出亚稳相及稳定相，一般认为，无析出区将使性能变坏。出区将使性能变坏。p 原因：该区域内空位密度低，使溶质原子扩散困难，原因：该区域内空位密度低，使溶质原子扩散困难，故故G.P区、亚稳中间相难以析出。（空位浓度低是由于淬区、亚稳中

19、间相难以析出。（空位浓度低是由于淬火冷却时靠近晶界的空位扩散到晶界消失所致）。火冷却时靠近晶界的空位扩散到晶界消失所致）。p解决办法解决办法:p 时效前进行变形来提高空位时效前进行变形来提高空位p 提高淬火时冷却速度，以防止空位向晶界扩散。提高淬火时冷却速度，以防止空位向晶界扩散。Al-Mg-ZnTi2 2）非连续析出及其显微组织）非连续析出及其显微组织p在脱溶过程中，脱溶的两相耦合成长，脱溶物附近基体中在脱溶过程中，脱溶的两相耦合成长，脱溶物附近基体中的浓度变化为非连续。的浓度变化为非连续。p特征特征1：析出相从晶界不均匀形核，然后向晶内扩展：析出相从晶界不均匀形核，然后向晶内扩展p第一步：

20、在过饱和第一步：在过饱和1相中溶质原子首先在晶界处偏聚，并在晶界处相中溶质原子首先在晶界处偏聚，并在晶界处脱溶脱溶p析出析出稳定相稳定相相；相；p第二步：第二步：相长入母相相长入母相0中，并在中，并在相两侧出现原子贫化区相两侧出现原子贫化区1相相p重复第一步和第二步过程。重复第一步和第二步过程。p特征特征2：析出相呈层片状与相邻贫化区组成类似珠光体团析出相呈层片状与相邻贫化区组成类似珠光体团的胞状组织。的胞状组织。p特征特征3：晶界形成胞状物时一般伴随着基体再结晶。：晶界形成胞状物时一般伴随着基体再结晶。p特征特征4：原子短程扩散：原子短程扩散非连续脱溶的机理示意图非连续脱溶的机理示意图说明说

21、明p非连续析出过程与珠光体转变相似，但二者本质不同。非连续析出0 1+是析出强化相，且0、1相结构相同；珠光体转变 +Fe3C中、相结构不相同。非连续析出过程与连续析出过程区别：非连续析出过程与连续析出过程区别：3 3）时效过程中的微观组织变化）时效过程中的微观组织变化p过饱和固溶体析出产物的显微组织的变化顺序可过饱和固溶体析出产物的显微组织的变化顺序可有三种情况：有三种情况：p1）连续析出加局部析出）连续析出加局部析出p2）连续析出加非连续析出）连续析出加非连续析出p3）仅发生非连续析出。）仅发生非连续析出。8.4 8.4 合金时效过程中性能的变化合金时效过程中性能的变化主要讨论硬度和强度在

22、时效过程中的变化主要讨论硬度和强度在时效过程中的变化1.硬度变化硬度变化冷时效：冷时效：较低温度下进行的时效；较低温度下进行的时效；其硬度一开始迅速上升，其硬度一开始迅速上升，达到一定值后恒定；达到一定值后恒定；冷时效温度越高，硬度冷时效温度越高，硬度上升愈快，能达到的硬上升愈快，能达到的硬度值越高故可用提高时度值越高故可用提高时效温度的办法，缩短时效温度的办法，缩短时效时间；效时间；冷时效主要形成冷时效主要形成G.PG.P区区温时效：温时效：p较高的时效温度下进行，较高的时效温度下进行，有孕育期，然后硬度迅速上有孕育期，然后硬度迅速上升，达到极值后随时间延长升，达到极值后随时间延长而下降。而

23、下降。p（过时效）（过时效）p温时效温度越高，硬度上升温时效温度越高，硬度上升速度越快，但能达到的最大速度越快，但能达到的最大硬度值越低，越容易出现过硬度值越低，越容易出现过时效。时效。p温时效析出的是过渡相与平温时效析出的是过渡相与平衡相。衡相。Al-Cu合金在130oC时效时的硬度和析出相的关系Al-Cu合金的时效硬化主要依靠形成合金的时效硬化主要依靠形成G.P.区和区和相，而相，而其中尤以形成其中尤以形成相的硬化效果最大，出现相的硬化效果最大，出现相后硬度相后硬度下降。下降。影响时效硬化的因素：影响时效硬化的因素：p1）固溶体的贫化p2）基体的回复与再结晶p3）新相的析出使硬度随时效时间

24、延长而单调下降使硬度随时效时间延长而单调下降使硬度升高使硬度升高但当析出相与母相共格关系被破环但当析出相与母相共格关系被破环及析出相粗化后，硬度又将下降。及析出相粗化后，硬度又将下降。2.2.时效硬化机制时效硬化机制p时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的。可按位错通过析出相的方式不同互作用引起的。可按位错通过析出相的方式不同将时效硬化机制分为以下三类。将时效硬化机制分为以下三类。p1）内应变强化）内应变强化p2）切过析出相颗粒强化）切过析出相颗粒强化p3）绕过析出相强化）绕过析出相强化1）内应变强化）内应变强化p由于析出相点阵结构及点

25、阵常数不同于母相，故析出相周围将产生不均匀畸变区，即形成不均匀应力场。固溶态强度低于时效态强度的原因固溶态强度低于时效态强度的原因使位错运动受阻，使位错运动受阻，强度、硬度强度、硬度形成的应力场不能形成的应力场不能阻止位错运动，强阻止位错运动，强度较低度较低结论结论阻力阻力阻力和推力相当阻力和推力相当位错运动能量变化位错运动能量变化成为弯曲位错成为弯曲位错各处均处于能谷各处均处于能谷基本保持平直，基本保持平直，部分位于能谷部分位于能谷 部分位于能峰部分位于能峰位错形态位错形态原子可绕过析出相原子可绕过析出相颗粒颗粒位错不能绕过溶质位错不能绕过溶质位错运动方式位错运动方式远大于固溶态远大于固溶态

26、小小析出相原子间距析出相原子间距时效态时效态固溶态固溶态2）切过析出相颗粒强化）切过析出相颗粒强化p 条件：条件：析出相不太硬，并位于滑移面时析出相不太硬，并位于滑移面时p 需克服的阻力：需克服的阻力：克服析出相造成的应力场；克服析出相造成的应力场；表面能的增加；表面能的增加；改变了析出相内部两种原子之间改变了析出相内部两种原子之间的邻近关系的邻近关系3）绕过析出相强化）绕过析出相强化(弥散强化弥散强化)p条件：条件：析出相间距足够大，且非常硬析出相间距足够大，且非常硬p作用形式：作用形式：外力作用下，位错线将在两颗粒间凸出，绕过外力作用下，位错线将在两颗粒间凸出，绕过颗粒继续向前扩展。在析出

27、相周围留下位错圈。颗粒继续向前扩展。在析出相周围留下位错圈。p2Gb/lp 位错线前移切应力，位错线前移切应力，G切变模量，切变模量，pb柏氏矢量，柏氏矢量，l颗粒间距颗粒间距p由上式可见，颗粒间距由上式可见，颗粒间距，硬度强度，硬度强度，导致过时效，导致过时效时效过程硬度变化原因时效过程硬度变化原因p 时效初期时效初期：G.P.区与母相共格，由内应变强化切过强区与母相共格，由内应变强化切过强化，硬度化，硬度，当，当G.P.所占体积份数达平衡时，硬度不变所占体积份数达平衡时，硬度不变p中期中期：”与母相共格，内应变强化切过强化，硬度与母相共格，内应变强化切过强化，硬度p后期后期：”的体积份数变

28、为恒定时，粗化使粒子半径增大，的体积份数变为恒定时，粗化使粒子半径增大，位错线能够绕过，硬度位错线能够绕过，硬度3.回归现象回归现象p将时效型合金在时效强化后，于平衡线或过渡相的固溶曲将时效型合金在时效强化后，于平衡线或过渡相的固溶曲线以下某一温度加热，时效硬化立即消失，组织又恢复到线以下某一温度加热，时效硬化立即消失，组织又恢复到固溶状态下的现象。固溶状态下的现象。p回归现象的实质是：回归现象的实质是：p通过时效形成的通过时效形成的G.P.区在加热到稍高于区在加热到稍高于G.P.区固溶度曲区固溶度曲线的温度时，线的温度时，G.P.区发生溶解，而过渡相和平衡相则由于区发生溶解，而过渡相和平衡相则由于保温时间过短而来不及形成，再次快冷至室温后仍获得过保温时间过短而来不及形成，再次快冷至室温后仍获得过饱和固溶体。饱和固溶体。