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东北走擘硕士学位论文摘要 两类双相细晶金属材料的组织控制 摘要 本研究利用金相组织观察、扫描电镜和透射电镜观察、x 射线衍射分析、c r y s t a l c r e a t u r e 软件和e b s p 分析等方法研究了a 1 z n c u 系中对称成分合金a 1 - 4 0 a t z n 和a 1 3 9 a t z n 2 a t o “2 u 三元合金的失稳分解组织的粗化及冷塑性变形后的组织演 变过程，以及共析钢中的渗碳体冷轧后的变形模式、渗碳体与铁索体的取向关系。 a 1 z n 和a i z n 2 c u 对称成分合金在4 0 0 固溶处理后，在3 0 0 保温得到的失 稳分解组织以及在共析温度以下得到的亚稳态失稳分解组织均是筏状组织。在 3 0 0 * ( 2 时效过程中失稳分解组织只发生连续粗化，不发生不连续粗化。两种合金的 连续粗化组织中0 【( z n ) 的尺寸与时间的1 2 次方成正比，说明粗化过程是由体扩散 控制的。a l a n 合金粗化组织为粗大的f e e 结构的富z n 相和富a l 相，a i z n 2 c u 合 金粗化组织中除粗大的f e e 富z n 相和富a l 相之外还生成富c u 第三相( t 相) 。 a i z n 2 c u 合金失稳分解组织在3 0 0 * ( 2 的连续粗化过程中，同时完成亚稳态的c u z n a 相向稳态的t 相转变，即：c u z n a + a a 1 卜+ t 。+ 叫z n ) 。这个过程所需要的时间不超 过1 5 0 h 。 a i z n 合金中充分粗化的失稳分解组织缓冷至共析温度以下时，保留了高温粗 化失稳分解组织的形貌特征。但粗大的f e e 富z n 相发生不连续析出转变： 旺( z n ) 一0 【( a 1 ) + p ( z n ) ，生成片层状f & 结构的0 【( a 1 ) 和h o p 结构的p ( z n ) 。同时粗化的 富a j 相由于固溶度的降低析出了弥散细小的p ( z n ) 。 a i z n 二元合金的失稳分解组织冷轧后，富a 1 相中的z n 含量由原始的2 0 8 下降至93 4 ，重新加热时为4 9 5 。a 1 z n - 2 c u 三元合金在3 0 0 ( 2 时效6 0 m i n 时， 组织中有少量c u z r h 相析出。冷轧重新加热处理l h 后的相组成为：a l 相、z n 特| 、 c u z m 相及t 相。 对成分为f e - 0 7 6 w t c _ o 1 3 7 w t m n 的共析钢的等温转变及片层状渗碳体冷 轧后的行为模式的研究结果表明，共析钢在9 0 0 。c 奥氏体化1 5 m i n 后，在6 9 0 * ( 2 及 6 2 0 。c 分别保温7 h 和9 0 s 可完成珠光体转变。得到的珠光体组织中，渗碳体的3 f 均 东北走学硕士学位论文 片层间距分别为8 6 3 n m 和1 1 5 r i m ，渗碳体的平均片层厚度为1 0 4 n m 和2 6 n m 。 冷变形过程中片层状渗碳体的行为模式，可以分为6 大类。分别为：( 1 ) 4 i 均匀滑移；( 2 3 细颈或颈缩；( 3 ) 均匀弯曲变形；( 4 ) 滑移断裂：( 5 ) 解理断裂： ( 6 ) 渗碳体的溶解。渗碳体的溶解只在经过9 0 冷轧和落球加工的较细组织。p 发 现。 利用c r y s t a lc r e a t u r e 软件，对已经得到广泛认可的b a g a r y a t s k i i 、l s a i c h e v 、 p i t s c h - p e t c h 三种珠光体中渗碳体与铁素体之间的取向关系进行r 进一步直观分 析。并利用e b s p 技术确定了共析钢中渗碳体与铁素体的取向关系为p i t s c h - p e t c h 关系。 关键词：a t x t 缸- c u ) 合金，双相组织，失稳分解，连续粗化，不连续析出，共析钢， 冷轧，落球，渗碳体的变形，渗碳体的溶解，取向关系 东北走学硕士学位论文a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r a lc o n t r o lo ft w 0k i n d so f d u p l e x p h a s eu l t r a f i n em e t a l l i cm a t e r i a l s a b s t r a c t b y m e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p eo b s e r v a t i o n ，s e ma n d t e m o b s e r v a t i o n ，c r y s t a l c r e a t u r es o f e w a r ea n a l y s i s ，x r a yd i f f r a c t i o na n de b s pa n a l y s i s ，t h ec o a r s e n i n go f s p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r ea n dm i c m s t r u c t u r a le v o l u t i o nd u r i n gt h er e h e a t i n gp r o c e s so f t h ec o l dd e f o r m a t e ds p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r eo fa l - 4 0 a t z na n da i 一3 9 a t z n - 2 a t c u s y m m e t r i c a la l l o y si na 1 - z n c ut e r n a r ys y s t e m h a sb e e n i n v e s t i g a t e d a t t h es a m et i m e ， t h ec o l dr o l l i n gm o d e lo fe e m e n t i t ea n dt h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e m e u t i t e a n df e r r i t ei ne u t e c t o i ds t e e lh a sa l s ob e e ns t u d i e d t h es p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r eo b t a i n e da t3 0 0 va n dt h em e t a s t a b l e s p i n o d a l m i c r o s t r u c t u r eo b t a i n e du n d e re u t e c t o i d t e m p e r a t u r e o f s y m m e t r i c a l a 1 z na n d a 1 z n - 2 c ua l l o y sa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n ta t4 0 0 x 3 a p p e a r e d r a f t - l i k e c o n t i n u o u s c o a r s e n i n g o f s p i n o d a l m i c m s t r u c t u r ew a s o n l y o b s e r v e db u tn o td i s c o n t i n u o u s c o a r s e n i n gd u r i n gt h ea g e i n g a t3 0 0 ( 2 t h ea v e r a g et h i c k n e s so ft h ea ( z n ) p h a s ei nt h e c o n t i n u o u sc o a r s e n i n gs p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r e so ft h e s et w oa l l o y si sl i n e a rt ot h e s q u a r er o o to fr i m e ，w h i c hc o n f i r m e d t h i sp r o c e s sc o n t r o l l e db yv o l u m ed i f f u s i o n t h e c o a r s e n e ds p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r ei na i z na l l o yc o n s i s t e do ft h ec o a r s ef e ez n r i c h p h a s ea n da i - r i c hp h a s e ，w h i l et h e r ew a sa l s ot h ec u - r i c hp h a s e ( t ) b e s i d e st h ef e c z n r i c hp h a s ea n da i r i c hp h a s ei na i z n - 2 c ua l l o y t h em e t a s t a b l ec u z r up h a s ew a s t r a n s f o r m e dt ot h es t a b l et p h a s ei na i z n - 2 c ua l l o yd u r i n gt h ec o a r s e n i n gp r o c e s so f s p i n o d a lm i c r o s t m e t u r e a t3 0 0 c ，i e ，c u z n 4 + o t ( a 1 ) - + t + o t ( z n ) i tc a nh ea c c o m p l i s h e d w i t h i n1 5 0 h t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o a r s e n e ds p i n o d a lm i c r o s t r u c t u r ew a si n h e r i t e dd u r i n gt h e p r o c e s s o fs l o wc o o l i n gt ol o w e rt h a ne u t e c t o i dt e m p e r a t u r ei na i z na l l o y h o w e v e r , t h e d i s c o n t i n u o u s p r e c i p i t a t i o n t o o k p l a c e i nt h ec o a r s e df e ez n r i c h i v 东北走学硕士学位论文a b s t r a c t 曲a s e ：a ( z n 卜( a 1 ) 邗( z n ) ，a n d t h el a n a e l l a rf e e0 l ( a 1 ) a n dh c pp ( z n ) w a so b t a i n e d a t t h es a m et i m e ，t h ef i n ed i s p e r s e dp ( z n ) p h a s ew a sp r e c i p i t a t e di nt h ec o a r s ea i r i c h p h a s e f o rt h el o w e rs o l i ds o l u b i l i t y t h ez nc o n t e n ti na l - r i c hp h a s ew a sd e c r e a s e dt o9 3 4 f r o mt h eo r i g i n a l2 0 。8 a f t e rt h ec o l dr o l l i n go fa i z na l l o y , a n dt h e nd e c r e a s e dt o4 9 5 d u r i n gt h er e h e a t i n g p r o c e s s t h es m a l la m o u n to f c u z r l 4p h a s ew a sp r e c i p i t a t e di na 1 z n - 2 c ua l l o yw h e n a g e d a t3 0 0 。cf o r6 0 m i n t h e p h a s e c o n s t i t u e n t so f a i z n - 2 c ua l l o ya f t e rr e h e a t i n gw e r e a l p h a s e ，z np h a s e ，c u z r l 4p h a s e a n d t p h a s e t h ei s o t h e r m a lt r a n s f o r m a t i o na n dt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fl a m e l l a rc e m e n t i t e a f t e rc o l dr o l l i n gi ne u t e c t o i ds t e e l ( f e 0 7 6 w t c - 0 1 3 7 w t m n ) w a ss t u d i e d i tw a s f o u n dt h a tt h ep e a r l i t et r a n s f o r m a t i o nc a nb ec o m p l e t e da t6 9 0 * ( 2f o r7 ha n d6 2 0 * ( 2f o r 9 0 sa f t e ra u s t e n i z e da t9 0 0 cf o r15 m i n t h ea v e r a g ei n t e r l a m e l l a rs p a c i n gw a s8 6 3 n m a n d1 1 5 n m ，a n dt h ea v e r a g et h i c k n e s so fc e m e n t i t el a m e l l aw a s1 0 4 n ma n d2 6 n m r e s p e c t i v e l y t h eb e h a v i o r so fl a m e l t a rc e m e n f i t ed u r i n gt h ec o l dr o l l i n gp r o c e s s c a l lb e c l a s s f i e dt o6t y p e s ：( 1 ) i n h o m o g e n e o u ss l i p ；( 2 ) t h i n n i n go rn e c k i n g ；( 3 ) h o m o g e n e o u s b e n d i n g ；( 4 ) f r a g m e n t a t i o n ；( 5 ) c l e a v a g ef r a c t u r e ；( 6 ) c e m e n t i t e d i s s o l u t i o n t h e c e m e n t i t ed i s s o l u t i o nw a so n l yf o u n di nt h ef i n ep e a r l i t ew h e nc o l dr o l l e d t o9 0 r e d u c t i o no ri nt h eb a l ld r o p p i n gt e s t t h ew e l lk n o w nb a g a r y a t s k i i 、i s a l c h e v 、p i t s c h - p e t c ho r i e n t m i o nr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nc e m e n t i t ea n df e r r i t ei np e a r l i t ew e r ed i r e c t l ya n a l i z e db yu s i n g t h es o f e w a r e - - 【y g 纽lc r e a t u r e a l s ot h ep i t s c h - p e = t c ho r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw a sc o n f i r m e d i nt h i s s t e e lb ye b s p a n a l y s i s k e y w o r d s ：a i - z n ( 一c u ) a l l o y , d u p l e xp h a s e ，s p i n o d a l d e c o m p o s i t i o n ，c o n t i n u o u s c o a r s e n i n g , d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o n , e u t e c t o i d s t e e l ，c o l dr o l l i n g , b a l ld r o p p i n g ， d e f o r m a t i o no fc e m e n t i t e ，c e m e n t i t ed i s s o l u t i o n ，o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p v 声明 本人声明所呈交的学术论文是在导师的指导下完成的。论文中所 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不含其它人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含本人其它学位所使用过的材料。与我一同 工作过的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 本人签名： 日期： 东北太学硕士学住论文第一篇 第一篇a i z n c u 系双相合金的组织控制 东北犬学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 细晶与超细晶 细晶处理可以提高组织的强韧性，特别是纳米晶材料具有优异的性能。通过 超细组织来改善合金性能已成为材料科学的一个重要研究方向，因而利用失稳分 解来获得超细组织也重新受到了重视。自从8 0 年代初德国科学家h g l e i t e r 教授 提出了纳米晶体材料的概念并首次获得人工制备的纳米晶体以来，世界各翻材料 科学家竞相开展对这种新材料的研究工作。一方面是由于纳米晶体含有大量的内 界面为深入研究固体内界面结构与性能提供良好的条件，另一方面由于纳米晶体 材料表现出一系列优异的理化及力学性能，从而为提高材料的综合性能，发展新 一代高性能材料创造了条件。因此，纳米晶体的制备方法一直是纳米晶体材料研 究领域内的一个重要课题。 目前，纳米晶体材料制备的一个主要目标是获得大尺寸的纳米晶体样品，其 界面清洁致密，无微孔隙，晶粒尺寸细小均匀。而利用目前已研究出来的几种制 备方法均难以达到这一目标。所以一些研究者提出相对前述“人工”制备的纳米材料 称其为人工纳米材料( a r t i f i c a ln a n o - m a t e r i a t s ) 而言，还存在着另一类纳米材 料。这类纳米材料不需要制备纳米粉末和烧结等人工过程，而是从一开始就使用 大块材料，只需通过某种热处理就可以使材料发生连续相变，从而产生均匀的纳 米量级的显微组织。 这种利用连续相变产生的纳米材料，由于利用了材料的天然属性连续相 变，所以可以称为“天然”纳米材料( n a t u r a ln a n o m a t e d a l s ) 。这种天然纳米材料可 以用简单的方法来制备，因此成本很低，具有诱人的前景 i , 2 1 。 失稳分解3 1 ( 调幅分解，s p i n o d a id e c o m p o s i t i o n ) 由于其分解过程中的热力学 特点，通过控制热处理过程的参数，能够使大尺寸的合金材料通过分解形成纳米 量级的两相组织【4 1 而且这种纳米量级两相组织间的界面是天然形成的，无污染， 无微孔隙5 1 。故失稳分解有可能成为制备纳米材料的又一途径。但研究发现，某些 失稳分解后的组织在高于类似“共析温度”的区域内经不同时间时效会发生粗化转 2 东北走学硕士学住论文 变，失稳分解形成的两相组织随后将首先发生连续粗化；视温度的不同，两相组 织粗化到一定程度后，还将发生不连续粗化，而失稳分解组织的粗化对于合金性能 的影响很大，所以基于以上粗化过程及失稳分解的重要性，我们有必要对其进行 进一步的研究。 1 2 失稳分解组织 经典的失稳分解理论认为，失稳分解无需形核，是在处于热力学不稳定的合 金系内，通过溶质原子的上坡扩散形成成分的调幅波；随时效的进行，调幅波发 展成为均匀细小的两相混合组织。失稳分解的组织通常呈周期性排列，在晶界和 位错等缺陷处也无优先析出；并且在x 射线和t e m 衍射中伴随边带( s i d e b a n d ) 效应的出现。规则排列的编织组织形态( t w e e dp a t t e r n ) 是合金失稳分解组织的典 型形貌；但周期性组织形态对失稳分解来说并不是必要的，而且在失稳分解时也 并不一定表现出周期性。在舢“、f e c r - c o 合金系中，通过失稳分解所得组织 就是呈岛状分布的。对于我们所研究的具有对称成分的a i z n ( 2 c u ) 失稳分解组织 的形态特征也引起我们极大的兴趣，因为a l z n 合金的弹性模量是各向同性的，因 此在失稳分解过程巾是否呈现为像弹性模量各向异性的c u - n i f e 系合金失稳分解 具有典型规则排列的编织组织形态【6 l 值得深入研究。 1 3 失稳分解组织的稳定性 失稳分解过程中，通过溶质原子的上坡扩散形成成分的调幅波；调幅波发展 成为均匀细小的两相混合组织后，失稳分解即告结束。但失稳分解组织在随后的 保温过程中并不稳定，要发生组织的粗化。 在失稳分解的研究中发现，合金发生失稳分解的速度很快。例如，c u - n i - f e 系合金在6 2 5 。c 时效i r a i n 内失稳分解形成的两相成分已达到平衡成分的8 2 ；l h 后就达到平衡成分的9 8 i ”。由此可见分解形成的两相组织成分很快就达到平衡 值，标志着失稳分解很快进行完全，随后进入粗化阶段。失稳分解组织的粗化 ( f i g 11 ) 包括连续粗化( c o n t i n u o u sc o a r s e n i n g ，即失稳分解调幅波长均匀、连续地 3 东北走学硕士学位论更 第一章绪论 增长) 和不连续粗 ) 6 ( d i s c o n t i n u o u sc o a r s e n i n g ，即通过形核及界面的移动，消耗细 的失稳分解组织而形成粗得多的胞状组织1 。 5 d i n o d a id e c o m p o s i t i o n 几门r n 门n 几n 几n f - x - i c o n t i n u o u sc o a r s e n i n g 厂 门nr n 厂 几n l + x t h n | d i s g o n t i n u o u sg o a r s e n i i n g + _ i n t e r f a g e 几几几l 厂 厂 r 图11 失稳分解连续粗化和不连续粗化示意图 f i 9 1 1o n e d i m e m i o n a lr e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o n t i n u o u sc o a r s e n i n g a n d d i s c o n t i n u o u sc o a r s e n i n g o f s p i n o d a l s t r u c t u r e 1 3 1 连续粗化 失稳分解组织的连续粗化会对合金的性能造成影响，人们对此进行了一定的 研究，但对其粗化过程和微观机制的了解还十分有限。所以，a l z n ( - 2 c u ) 合金连续 粗化过程中组织形态变化究竟如何，是我们研究的重点之一。 在连续粗化过程中，失稳分解形成的细小组织，波长要发生均匀、连续的增 长f 7 。10 1 ，而且两相之间也会逐渐失去共格性。由于分解形成的两相组织之间具有高 度的连通性，在这种组织结构的粗化过程中，奥斯瓦德熟化理论( o s t w a l dr i p e n i n g ) 以及在此基础上发展起来的l w 粗化理论都已不再适用。因为严格地说，这些理 论只适用于体积分数很少的，离散的第二相的粗化过程。而目前对连续粗化过程 中失稳分解组织演化规律、及其内在机制的研究，得到的结论还存在着较大的分 歧 8 , 1 1 - 1 5 i 。 片层状两相合金的连续粗化即：伐及b 片层通过晶格扩散的增厚【“1 ，以及在片 层的缺陷处发生断开并等轴化1 1 7 , 1 8 1 。关于失稳分解组织在连续粗化过程中失去共 格性的机制，b u t l e r 和l i v a k 等认为是基体位错运动到两相界面并发生了增殖，从 直 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 而导致了失稳分解两相组织逐渐失去共格性。而d ef o n t a i n e 【”1 则认为是两相之间 的错配导致了共格性的失去。 可见对失稳分解组织连续粗化过程中的组织变化规律及内在机制的研究还缺 乏准确的认识。 1 3 2 不连续粗化 失稳分解形成的两相组织连续粗化到一定程度后，还将发生不连续粗化1 9 - 2 4 1 。 一些研究者队为，不连续粗化发生在原始晶界和晶内粗化d b 片层团域界面【2 s - 2 7 。 失稳分解组织的不连续粗化影响合金的性能，人们对此进行了一定的研究，但对 其组织形成过程和微观机制的理解还十分有限。a l z n ( 一2 c u ) 合金失稳分解过程以及 在随后的粗化过程中组织形态变化究竟如何，是我们最为感兴趣的问题，在一定 的时间内能否出现不连续粗化，是我们努力研究的重点。 1 3 3 不连续析出 相平衡关系决定ra l z n ( 2 c u ) 合金失稳分解后的组织在低于三相平衡温度继 续时效时将发生不连续析出( d i s c o n t i i n i o u sp r e e i p i l a t i o n ) 转变陋29 1 ，因此，不连续析 出转变也考验失稳分解组织的稳定性。由于许多实验的观察和测试都是在室温下 进行的，特别是在低温区亚稳态失稳分解组织转变为稳态的不连续析出组织，也 会改变在高温区失稳分解组织粗化过程的形貌，这一点需要给予足够的重视。 1 4 失稳分解组织在塑性变形后的演化 1 4 1 再结晶 冷变形后的金属与合金加热到一定温度之后，由变形储能驱动，通过大角度 晶界的形成或迁移，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而且性能 也发生了明显的变化，并恢复到完全软化的状态，这个过程称之为再结晶。 在所有的结构转变中，有两种类型的转变1 3 0 1 。第一种为g i b b si ，称之为“形 核与长大”的转变，许多结构转变都属于这种类型，其主要特点是在转交开始时， 一5 东北走学硕士擘住论文 第一章绪论 母相与新相之间在空间上存在明显的界面。第二种为g i b b s l l ，经常被描述为“连续 的”或“均匀的”转变( 如s p i n o d a l ) ，这种转变的特点是无需形核过程，晶体结构不 发生变化，只是在母相的整个范围内成分变化而引起的转变。 再结晶是一个形核长大的过程，因此其结构转变类型属于g i b b si 。再结晶的 形核是一个复杂的过程，这一过程可能从几十个或几百个原子范围的微观尺度丌 始发生，并常常局限于变形基体的某些局部。一般说柬，再结晶有三种形核机皋”： ( 1 ) 亚晶长大形核机制；( 2 ) 弧晶聚合机制：( 3 ) 晶界弓出形核机制。从实验角 度来讲，光学显微镜的分辨率不够高，且不能准确地确定晶粒的取向：而电子显 微镜分辨率高，但能观察的试样范围又很小。因此，难于捕捉到再结晶形核过程 的起始行为。盒属与合盒的再结晶形核理论至今还不够完善。 1 4 2 双相合金的再结晶 对单相合余的再结晶已经有很多学者进行过研究，但是，很少有人对塑性变 形失稳分解组织进行再结晶研究，即使在一些专著的两相合会再结晶部分，也难 以找到这方面的研究结果1 3 2 】。但是，在工业中实际应用的许多金属材料都是多相 合余。多相合金指的是组织结构由两种或两种以上的相组成的盒属材料。影响多 相合金再结晶行为的因素比纯金属和单相合金要复杂得多。许多研究者对多相合 会的再结晶进行了研究【3 3 】，其中多数是对两相合金的研究，主要包括以铝、铜、 铁、镍、金、银、铬、钨等金属为基的各种合金及钢 3 4 1 。人们通常从单相金属再 结晶的规律出发，分析第二相对合金再结晶行为的影响。在双相合金的再结晶方 面可以分三种情况考虑：( 1 ) 塑性变形和退火之前，材料含有微细弥散的第二相， 这里的第二相可以是非共格的析出楣或共格的析出相：( 2 ) 材料由粗大的两相组 成，各相形成单独的晶粒；( 3 ) 当塑性变形时，合金出过饱和单相固溶体组成， 但在再结晶期问析出第二相质点。由于合金的多样性和第二相性质及与基体的关 系不同，使两相合会再结晶的研究工作远不如单相合会再结晶深入，目前尚没有 适合于各种材料的普遍性规律。 有一些两相合会，其第二相与基体相之间保持着共格关系。与非共格的第二 相相比，这种第二相通常具有更为细小的尺寸，而且其颗粒削距也比较小。出于 - 6 一 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 与基体保持共格，在变形过程中位错可以从基体相直接经滑移而扫过第二相颗粒。 因此，在变形时非共格第二相颗粒附近形成的特殊位错结构及相应的取向梯度在 这里不会出现。而且这种合金再结晶时的形核和晶界迁移行为也会冈此与非共格 第二相时的情况有所不同。 在含有共格第二相的合金中，f _ 】于基体固溶体内共格析出的不完全，溶质原 子的分布往往也是不均匀的，会有许多偏聚区出现。因而与均匀的圃溶体相比晶 界在基体内的迁移会受到更大的阻力。这种偏聚区内位错密度较高时很容易在再 结晶前继续出现析出行为，进而阻碍再结晶形核，并降低再结晶的驱动力。通常 在这种合金的再结晶后总可以观察到共格第二相增多的现象。 当第二相的体积分数很高甚至接近第一相的体积分数时，合金的再结晶行为 与含少量弥散第二相的合金的再结晶有所不同。两种相的强度、塑性、晶粒尺寸 及体积分数等因素的不同均会影响在冷变形过程中形成的组织结构，因而在同样 的再结晶条件下，它们的再结晶行为也会有很大差异。h o n e y c o m b e 和b o a s ”5 j 用 金相显微镜和x 射线方法研究了含6 0 c u 和4 0 z n 的a 1 3 黄铜的变形和再结晶。 他们发现耐b 黄铜在拉伸或压缩变形时，仪相在较低的应力下即开始变形。这是由 于室温时a 相比p 相更易于变形，因此，0 【相比p 相承担更大的应变。在退火时，伐 相再结晶形核是均匀无规则的，相界和内部都出现晶核；b 相则趋向于在两相之间 的晶界处优先形核。因此，两相的力学性质对合金的再结晶有着重要的影响。另 外，各相相对含量、冷变形量及加热冷却方式等都会对合金的再结晶行为有所影 响。同时各相的成分、弹性极限、再结晶加热时组织状态偏离相平衡态的程度等 也要影响再结晶过程。由于影响这种合金再结晶的因素很多，也很复杂，因此对 粗大两相合金再结晶的研究还很有限。即使有，也只是对比较特殊的合金如, x 1 3 黄 铜与钛合金的研究。而这两种合金具有两相体积近似等量且性质和结构又彼此相 近的特点p 6 1 。 1 4 3 塑性变形后重额加热时的相变 在一些合金的再结晶处理过程中，再结晶与某种相变过程密切地联系在一起， 二者同时进行。在这些合金中，也可以把相应的相变直接理解成再结晶过程的一 7 东北犬学硕士学住论文第一章绪论 个组成部分口”。此时有两种情况：一是再结晶过程中伴随析出行为；二是再结晶 过程与相变同时进行。对于第一种情形，析出和再结晶要发生相互影响。析出物 质点阻碍再结晶前沿的形成和迁移，而点阵缺陷本身却促进析出物形核。而相变 过程与上述析出行为有所不同，它总是起着推动再结晶进程的作用。 1 4 4 塑性变形后组织演化研究的主要问题 会属与合金的再结晶研究虽然已有近数十年的历史，但仍有许多问题未得到 真证的解决，在以下几方面仍需做系统深入的工作。 ( 1 )在大块的试样中，对再结晶晶核的形成与长大进行原位研究，对再结晶过 程中的组织演化进行详细的观察。 ( 2 )在伴随有相变和沉淀析出过程的组织演化过程中，由于相变和沉淀相析出 有其本身的动力学特征，必然对演化的动力学产生一定的影响。因此需要 对该过程进行详细的研究。 ( 3 )两相的结构、形态和性质等各方面的差异使得第二相体积分数较大的双相 合令的再结晶呈现很大差别。针对每种情形，需要对该种合金再结晶的形 核及长大机制、动力学特征及再结晶温度进行研究。 1 5 本研究的目的与内容 本研究是国家自然科学基金“多元合金失稳分解组织的不连续粗化与再结晶” 的一部分。前期的研究表明，在a 1 z n 系对称合金中加入2 a t c u ，可使失稳分解 速度降低2 3 个数量级，由于组织稳定性大大提高，将有利于实际应用。如果失 稳分解组织的连续粗化是一个体扩散控制的过程，则c u 的加入办会影响其连续粗 化的进程。对比a i z n 二元合金与a i z n 2 c u 三元合金连续粗化过程中的组织演变 规律，探讨冷变形后组织演变规律是我们研究的中心。 由于失稳分解两相在转变初期是共格界面，而塑性变形后的重新加热能够有 效改变组织形念。因此，本研究期望通过对合会施加一定程度的塑性变形，并在 一定的温度进行重新加热处理，从而对失稳分解组织冷变形后的组织演变有所了 解，进一步认识失稳分解组织稳定性的规律。 一r 一 东北走学硕士学位论吏 第一章绪论 基于以卜的背景，选择以下几个方面进行研究，从而明确c u 的加入对a 1 一z n 对称成分失稳分解合金粗化及变形后组织演化过程的影响。 ( 1 ) 研究对称成分的a i - 4 0 a t 。z n 和a i 3 9 a t z n - 2 a t c u 合金在不同温度时效 时的失稳分解组织及其随后的粗化。 ( 2 ) 研究c u 的加入对失稳分解组织粗化的影响。对a 1 z n 2 c u 三元合金粗化过 程中的第三相转变( c u z n 4 - * t ( a 1 4 c u 3 z n ) ) 进行分析。 ( 3 ) 研究a i z n 二元及a i z n 2 c u 三元合金的变形及随后重新加热过程中的组织 演变。 9 东北大学硕士学位论文第二章实验舍金设计制备及实验方法 第二章实验合金设计、制备及实验方法 本章介绍实验合金的设计、制备，以及对实验材料进行均匀化、同溶、时效、 冷轧变形及重新加热处理制度，并对采用的硬度测试、显微组织观察、x 射线衍 射分析及电子探针等研究手段进行了简要的叙述。 2 1 实验合金成分设计 u o o j a g u 图2 1a i - z n 二兀相图 f i g 21a i - z n b m a r yp h a s ed i a g r a m 近年来，获得细晶、超细晶组织，尤其是纳米晶组织已经成为材料科学追求 的一个重要目标，而s p i n o d a l 分解作为制取纳米晶组织的一种固态相变法而受到 人们的广泛关注【1 2 , 3 8 4 0 。但任何一种超细组织都存在一个组织稳定性的问题。 我们的研究就是通过失稳分解组织的粗化与重新加热的研究，试图找到一种 1 0 东北走学硕士学位论文第二章实验舍金设计、静j 备及实验方法 控制失稳分解组织稳定性的方法。从而为利用失稳分解法制取纳米晶组织提供一 定的理论依据。我们选择的合金是应用较为广泛的a 1 z n 系合会。利用失稳分解 来获得细品及超细晶组织肘，合会通过失稳分解形成两相组织，如果其中一相的 体积分数较小，则该相就会以离散的粒状形态析出，而以另一相为基体；虽然通 过控制合= ；= 发生失稳分解的温度与时制，有可能控制析出相的尺寸，但基体仍为 原固溶体的尺寸。如果失稳分解形成的两相组织体积分数相等，那么两相组织就 会彼此相隔、尺寸相同( 同为波长的一半) ，这样的两相组织就都有可能控制在纳 米量级。如图2 1 所示，在m z n 二元相图中，温度高于3 5 1 5 时可形成单相固 溶体，在适当的温度能通过失稳分解形成两相体积分数大致相等的组织，这种组 织中彼此相隔的两相就可能控制在纳米量级。据此设计了一种通过失稳分解可获 得等体积分数两相的a 1 z n 合金：a l - 4 0 a t z n ( 以下简称为a i z n 合金) ，该成分 合金发生失稳分解时形成的富a l 相和f c c 结构富z i l 相约各占5 0 ，故称之为对 称合金。 另一方面，由于a 1 z n 合金在潮湿的大气中容易发生晶间腐蚀，受腐蚀时还 会发生体积变化。而加入l 5 c u 元素就能够明显提高二元合金的强度和降低品 间腐蚀敏感性【4 ”，而且，2 a t c u 的加入可以使a i z n 合会在共析温度( 2 7 7 。1 2 ) 上下所发生的失稳分解分别延缓2 0 倍和3 0 倍【4 2 1 。因此，实验中选取了 a i 一3 9 a t z n 2 a t c u 合盒( 以下简称a i z n 一2 c u 合金) 进行相应的研究，以便同时 了解c u 的加入对失稳分解组织粗化与冷变形后重新加热时组织变化的影响。实验 合会的配料如表2 1 所示。 表2 1 台金中并成分配料表 t a b l e 2 it h e m a s s o f e a c h a l l o yc o m p o s i t i o n 东北走学硕士学位论丈 第二章实验台金设计，制备及实验方法 2 2 实验合金的制备 2 2 1 实验装置和材料 本实验所用的合会原料为高纯铝( 纯度9 9 9 9 9 ) 、高纯锌( 纯度9 9 9 9 9 ) 和 高纯铜( 纯度9 9 9 9 9 ) ，采用3 k w 电阻加热炉在高纯刚玉坩埚中熔炼。由于实验所 需合金的纯度要求很高，所用原料都是高纯金属，熔炼时采用纯度较高的刚玉坩埚， 并用高纯刚玉管进行搅拌，以保证在熔炼过程中不引入杂质。 2 2 2 合金的熔制 将准备好的原料酸沈，再利用物理天平称得所需质量，装备好熔炼设备，进行 熔炼。以a i z n - 2 c u 合会为例，熔炼过程如下： 先将a 1 放入坩埚内，加热至7 0 0 。c 左右将a 1 熔化。 再将准备好的c u 放入坩埚内。为防止c u 氧化将c u 迅速插入a j 液面以下。并 在7 3 0 保温3 0 m i n ，使c u 充分熔化。 最后将准备好的z n 放入坩埚( z n 的挥发性较大，必须最后放入以保证成分准确) ， 加入时应注意使z n 逐渐熔入a l 液。 在7 5 0 7 6 0 c 左右，充分搅拌使成分均匀。 在7 4 0 。c 镇静3 0 m i n ，并缓慢降温。然后在6 9 0 - - 7 0 0 * ( 2 之间浇铸。浇铸温度不宜 过高。避免铸件内部产生气孔：而浇铸温度过低，熔液流动性就会变差，抗拉强度 和冲击韧性均随之降低。 从铸锭中取样进行化学成分分析，其中a i z n 2 c u 合盒的分析结果如表2 2 所 示，可以看出合金铸锭的成分即为设计成分。说明此熔炼工艺能够控制合金成分达 到设计要求。 表2 2 化学成分分析结果 t a b l e2 2t h ea n a l y t i cr e s u l to f t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h ea l l o y ，1 2 东北大学硕士学位论文第二章实验夸奎设计，制务及实验方法 2 2 t 3 均匀化处理与开坯 为了改善铸锭的质量，首先使用1 0 0 吨油压机对铸锭进行压缩丌坯和均匀化处 理，即先在3 0 0 。c 保温2 0 m i n 后将直径为1 5 m m 的铸锭压缩至5 m m 厚，然后进行 均匀化处理。 陶2 2 铸锭的均匀化与开坯处理制度 f i g 2 2t h eh o m o g e n i z a t i o n a n db l o o m i n go f t tei n g o t 先在3 5 0 0 保温2 天，接着升温至4 0 0 ( 2 保温5 天，炉冷至室温后，加热至3 4 0 ( 2 热压4 0 后继续保温3 0 , i n ；空冷至室温后，再将其升温至4 0 0 保温5 天，炉冷 至室温后，加热至3 5 0 c 对其热压6 0 f 1 继续保温3 c m i n 之后，空冷至室温。具体 的处理制度如图2 2 所示。 从a 1 z n 二元相图可知，二元合金在3 5 1 5 以上为单相区，由于本实验所用 合会c u 含量较低，参照a 1 z n 二元相图，初步选定均匀化温度为4 0 0