金属材料及热处理 02 均匀化退火.ppt

三、均匀化退火,3.1概述3.2铸态合金的组织与性质特点3.3均匀化退火过程中的组织性能变化3.4均匀化退火的应用与工艺规程3.5小结,三、均匀化退火,（1)均匀化处理的对象是铸锭或铸件,3.1概述,金属材料及热处理3.1概述,有利于铸锭或铸件的后续冷、热加工或热处理,提高塑性，降低变形抗力；减小淬火出现过热、过烧的可能性。,铸造过程中，非平衡凝固导致成分不均匀和非平衡凝固组织效应（非平衡组织、粗大析出相、淬火效应等）。性能不均匀、塑性差、变形抗力大以及耐蚀性差。,（2)均匀化处理的目的是，,有利于铸锭的加工制品或铸件的最终使用性能,提高耐蚀性能；防止层状组织，减弱材料各项异性；提高组织稳定性，防止蠕变导致材料形状大小改变；提高强度、塑性。（铸件均匀化与固溶处理可以合并）,（3)均匀化处理的原因是，,（4)均匀化处理过程中主要固态相变是高温扩散,还伴随第二相粗化和球化、溶解与析出、晶粒长大等，使组织趋于平衡态。,（1）平衡与非平衡凝固过程,冷速较大，凝固较快，固相扩散来不及，相平均成分沿bc变化，且达到c，由+共晶组织；枝晶生长也导致凝固有先后。得到成分不均匀的相固溶体+非平衡共晶组织。,平衡凝固过程与组织,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点,3.2铸态合金的组织与性质特点,非平衡凝固过程,形成成分为x1的均匀固溶体(),B高,B低,共晶组织,过剩相,枝晶干,枝晶沟,B低,B高,枝晶生长,在工业生产的冷却条件下，铸造组织的不平衡特征表现如下，,基体固溶体成分不均匀，晶内偏析，组织呈树枝状；产生非平衡共晶组织；可溶相在基体中的最大固溶度发生偏移，过剩相增多；高温形成的不均匀固溶体，有的处于过饱和状态。,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点,（2）非平衡凝固组织特点,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点（附录1）,在生产条件下，相固溶体呈树枝状，在枝晶胞间和晶界上除了少量的非平衡共晶组织外，当成份超过临界浓度k时，还有非平衡过剩相（金属间化合物）是普遍的。单相成分的出现非平衡过剩相；多相成分的过剩相增多（非平衡原过剩相或其它新相）,合金元素来不及析出来，部分浓度高者在冷却过程中来不及析出，固溶体可能会处于过饱和状态，淬火效应。,非平衡共晶组织中，通常，相依附于初晶相上，相则以网状分布在枝晶网胞周围，在显微组织中观察不到典型的共晶形态。即也可能有离异共晶组织,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点（附录2）,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点（附录3）,（3）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害,塑性下降,抗电化学腐蚀能力下降,成分不均匀，出现非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，塑性严重下降。,成分不均匀，枝晶胞中心与胞界电位差大，形成浓差微电池，抗电化学腐蚀能力下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，抗蚀力严重下降。,材料各向异性增强,成分不均匀，具有不同成分的微区在变形过程中延长而形成带状结构，造成材料各向异性。尤其是，在枝晶网胞或晶界上粗大网状脆性相破碎，而沿晶（带）间分布，增大层断和晶（带）间断裂的倾向，增大各向异性。,材料工艺参数难以控制,成分不均匀，固相线温度下移，后续加热加工和热处理工艺参数难以控制。尤其是，在枝晶网胞或晶界上低熔点化合物或共晶混合物，易过热、过烧。,变形抗力增大,产生淬火效应，非平衡组织存在，大量过剩相存在，会引起变形抗力增大。另外，成分不均匀，性能不均，形变不均，也会导致开裂，易产生内应力，不利于加工。,组织处于亚稳定状态,组织处于亚稳定状态，在高温工作或长时间服役过程中，会向稳定化方向蠕变，而造成组织、性能、形状和尺寸不稳。,金属材料及热处理3.2铸态合金的组织与性质特点,3.3均匀化退火过程中的组织性能变化,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化,（1)均匀化退火过程中的组织变化,加热、高温保温过程,成分扩散均匀化非平衡相溶解,T,A,B,二者是相互制约的两个过程。通常，非平衡过剩相溶解后，固溶体的成分仍然不均匀，还需保温扩散。但，在大多数情况下，可以用非平衡相完全溶解所需要的时间来估计均匀化时间。而非平衡相完全溶解所需要的时间可由显微金相观察来确定。应该指出的事，均匀化处理只能消除或减少晶内偏析，而对区域偏析的影响甚微，另外，消除区域偏析需晶间扩散，而晶间扩散会因晶间夹杂和空隙而难以实现。,均匀化,溶解,枝晶偏析消除（均匀化）,枝晶偏析消除，成分均匀化;非平衡相消失，过剩相减少;非平衡组织平衡化（相转变），亚稳相消失，平衡第二相球化和聚集，块状、网状第二相消失;过饱和固溶体分解；晶粒长大,因此，单相合金（高温）成分均匀的单相固溶体多相合金（高温）成分均匀单相固溶体+粗大球形第二相颗粒的组织,冷却过程,过饱和固溶体脱溶需防止晶间析出（过慢）和淬火效应（过快）；需控制冷速，促使晶内析出且趋于平衡。,均匀化退火后的组织变化（理想）,另外，第二相球化和聚集，晶粒长大，相转变等,均匀化退火后组织状况：组织均匀，无网、块状粗大相，不溶相呈球状（分布于晶界），弥散相均布于晶内，晶粒可能有所长大,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化（附录1）,（2)均匀化退火对材料性能的影响,塑性提高，变形抗力降低，材料工艺参数好控制，抗电化学腐蚀能力提高，材料各向异性减弱，组织稳定化,不均匀的非平衡组织,均匀的近平衡组织,枝晶偏析消除，成分均匀化;非平衡相消失，过剩相减少;非平衡组织平衡化（相转变），亚稳相消失，平衡第二相球化和聚集，块状、网状第二相消失;过饱和固溶体分解；晶粒长大,对于铸锭（半连续铸造）变形抗力降低，塑性提高，消除内应力，从而减小形变不均匀性，降低在存储、运输、机加工和压力加工过程中开裂的危险，提高加工制品的表面质量，同时也降低能耗，提高生产效率；,对于压力加工材料改善材料塑性（强度有的合金提高，有的降低（挤压效应消失），提高耐蚀性，减弱各向异性，防止晶粒粗化（尤其是Al-Mn合金）提高立方织构成分（高纯Al箔），避免过热、过烧；,对于铸件改善力学性能，提高耐蚀性，稳定零件形状与尺寸，防止在使用过程中蠕变。,金属材料及热处理3.3均匀化退火过程中的组织性能变化,3.4均匀化退火的应用与工艺规程,（1)均匀化退火的应用,均匀化退火不论对于铸件，还是对于铸锭，都是十分重要的，但它也有其不利的一面：费时耗能，经济效益差；温度高、时间长，易带来变形、吸气、氧化等问题，也过热、过烧；有的材料会强度下降，这对于要求高强的材料是不利的。因此，是否进行均匀化退火应视具体问题具体分析。,（2)均匀化退火的选择,在实际生产中，是否进行均匀化退火，主要是根据合金本性、铸造方法以及产品使用性能的要求来选择,合金本性易产生偏析，组织不均，塑性差，残余应力大者如：铝合金：除纯铝、低合金化的软铝外，几乎都需要；镁合金：含Al、Zn的，易偏析，需要；铜合金：除锡磷青铜、普通白铜、锌白铜等外，其它一般不需要；钢铁：钢铁一般不需要，但易切削钢（防硫偏聚）、高合金钢或其它有重要特殊用途的钢需要均匀化退火，通常先热锻再退火。镁合金、铜合金、钢铁等通常需在保护性气氛或真空中进行。,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,铸造方法在工业条件下，冷却速度较大的铸造方法，更易产生严重的偏析，出现非平衡组织,产品性质（举三例）需要保持挤压效应的，不需要均匀化退火挤压效应：挤压效应现象对于热处理可强化铝合金（尤其是含Cr、Mn、Ti等元素合金化的），与其它（如轧、锻等）方法加工的制品相比，挤压制品的强度明显较高，这一现象称为挤压效应挤压效应实质形变热处理导致的组织强硬化效应挤压效应机理含Cr、Mn、Ti等元素合金化的热处理可强化铝合金中可形成Al7Cr、Al6Mn、Al3Ti等金属间化合物，它们可以稳定位错、亚晶界等亚结构，挤压过程中，与其它（如轧、锻等）方法加工的制品相比，更易形成位错、亚晶界等亚结构，有利于实现高温形变热处理，在淬火后的时效过程中可促使第二相分布均匀。均匀化退火会消除挤压效应原因：Al7Cr、Al6Mn、Al3Ti等金属间化合物可能会溶解、或粗化，不利于稳定位错、亚晶界等亚结构，在挤压过程中也会消失，难以起到在淬火后的时效过程中可促使第二相分布均匀的作用。需要防止晶粒异常粗大的（Al-Mn系合金），需要均匀化退火Al-Mn系合金为热处理不可强化铝合金，其产品使用状态加工态或退火态，Mn可以明显地提高Al的再结晶温度，Mn容易不均匀，Mn不均匀，会导致加工后退火再结晶晶粒分布不均匀，个别异常粗大。6063型材氧化着色，需要均匀化退火6063常用作建筑型材，为了美观需氧化着色，需提高表面质量、也需表面化学性质均匀，必需进行均匀化退火,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,（3)均匀化退火的工艺规程的制定原则,均匀化退火的主要工艺参数是加热温度和保温时间，其次是加热速度和冷却速度,加热温度,为了提高扩散速率，加速均匀化过程，提高均匀化效果，应尽可能地提高均匀化退火温度，但必须防止温度太高，而引起过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题，因此，通常，,经验上，T均=（0.90.95）Tm（Tm铸锭实际开始熔化的温度，低于固相线）,理论上，可以由相图给出I选择非平衡固相线以下，尽可能高（低温均匀化（扩散）退火）II选择平衡固相线以下，尽可能高（高温均匀化（扩散）退火）I+II先在I的温度下均匀化，在到II的温度下均匀化，（分级均匀化（扩散）退火）,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,低温均匀化退火保险，不会出现过烧，过热、氧化、吸气、变形等问题也不严重，但难以达到组织均匀化的目的，即使能达到，也需极长的时间，对生产不利。,高温均匀化退火冒险，但均匀化效果好。温度高有利于长程扩散，速度快，时间短，生产效益好。但易出现过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题。大多数合金是不可以进行高温均匀化退火，易氧化、吸气者更加不可以，铝合金由致密的表面氧化膜，可以，但也要慎重,分级均匀化退火通过低温均匀化可以降低高温均匀化时过烧的可能性，而高温均匀化又可加速均匀化。兼有低温均匀化退火和高温均匀化退火的优点，但麻烦。镁合金多采用分级加热工艺来实现均匀化。,实际上，合理选择均匀化退火温度需用实验来测定，如采用金相法来观察测定过热或过烧的最低温度。,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,保温时间,从铸锭（件）表面到温开始计时，包括匀热时间、非平衡相溶解时间和成分均匀化时间，但不是简单地加和。主要取决于退火温度、合金本性、偏析严重程度、非平衡相的形状、大小和分布状况以及铸锭的致密性，除此之外，还与加热设备、铸锭尺寸、装炉量和装料方式有关原则上，尽可能长，但太长，经济效益差，而且随着成分的均匀化，浓差减小，扩散驱动力减小，进一步均匀化难，因此，均匀化退火时，均匀化过程也只是前期剧烈，后期缓慢，过分延长时间，也无意义。,也应该指出的是，均匀化处理只能消除或减少晶内偏析，而对区域偏析的影响甚微，另外，消除区域偏析需晶间扩散，而晶间扩散会因晶间夹杂和空隙而难以实现。欲消除区域偏析，可能要数年、数十年，甚至数百年。无意义！,实际上，合理选择均匀化退火时间需用实验来测定，通常在数小时和数十小时之间。,金属材料及热处理3.4均匀化退火的应用与工艺规程,加热速度和冷却速度,加热以不开裂、不大变形、不产生大裂纹为原则，可快，可慢、也可分级加热。几乎所有的热处理的加热速率控制原则都如此。,冷却不宜快，也不宜慢太慢，则会产生粗大相，且第二相析出不均匀，易沿晶界析出，甚至呈链、带、网状分布，达不到均匀化退火的目的太快，则会产生淬火效应，后续变形抗力大，达不到均匀化退火的目的,但也需具体问题具体分析，6063型材生产的均匀化退火，通常需要快冷（风冷），甚至需要水冷。原因在于：均匀化的目的是改善表面质量和表面着色的均匀性，快冷有利于氧化着色。6063还有一个特点均匀化退火后快冷和慢冷后的加工变形抗力相差不太大。但是，慢冷，（