第四章铝及铝合金PPT课件

,广西大学材料科学与工程学院主讲老师：许征兵,铝及铝合金,.,2,第四章铝合金的相变,.,3,4.1铝合金的凝固,凝固成形：熔炼金属，并将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，凝固成为一定形状和性能的铸件。,铝合金的凝固过程控制着铸件的组织和性能，并决定铝合金材料在加工成成品前的热处理方式。凝固过程中的晶内偏析现象严重影响着铝合金的组织和性能。,.,4,4.1铝合金的凝固,4.1.1晶体的形成,晶体形成：原子的规则排列过程。,液体中的原子：由于具有动能，处于不断扰动状态,温度下降,热扰动减弱，结合力加强，比容减小。原子以晶体状态重复排列,某些区域，一团原子按晶体方式排列,释放热量,一定的过冷度,结晶开始，晶体形核,.,5,4.1铝合金的凝固,4.1.1晶体的形成,晶体从液态中形核及长大的过程（均匀形核：液相自身发生形核）,.,6,4.1铝合金的凝固,4.1.1晶体的形成实际铸造过程中，铸模表面以及在液体中经常存在固体不溶性颗粒。均质形核是不太可能的，即使是在区域精炼的条件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原子的立方体的微小杂质颗粒。这种形核过程称为不均匀形核。因此在熔体中，添加细小的晶体是晶粒的一种方法。,晶体从液态中形核及长大的过程（非均匀形核）,.,7,4.1铝合金的凝固,4.1.1晶体的形成,通过测定金属温度与冷却时间之间的关系，可以得到一条冷却曲线，了解金属冷却过程。,.,8,4.1铝合金的凝固,4.1.2铸态晶粒的大小和形状,凝固过程中，铸态晶粒的控制很重要。,铸态的晶粒大小和形状由晶体的形核率（N）和长大速度（G）所控制,晶粒细小,晶粒粗大,形核率与长大速度的比值N/G,N/G高,N/G低,.,9,4.1铝合金的凝固,4.1.2铸态晶粒的大小和形状在凝固过程中，当熔融金属被注入冷型中时，表面的金属冷却得要快一些，在模壁上立即出现非均匀形核。长大过程中，只有那些长大速度最快、方向与模壁垂直的晶粒能够幸存下来，成为晶体，这就是柱状晶。如图所示：,有些情况下，铸件的表层由柱状晶组成，而内部却是等轴晶。,.,10,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,含B30%的二组元合金凝固情况,冷却速度慢，达到平衡。这时，固相和液相化学成分均和相图所给成分相同。当冷却到T0温度时，最初形成晶体含B量为10%,.,11,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,温度T2时，液相完全凝固，固相含B30%，当温度T1时，固相含B20%。此时，与固相相平衡的液相含B不断增加。,温度稍高于T2时，晶体中含B稍小于30%，被含B70%的液体包围。所以当温度到T2时，必须有液体向晶体给出B原子。,.,12,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,长大中的枝晶中晶内偏析形成过程,.,13,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析上图（e）中描述表明晶体是以枝晶长大起来，快速冷却条件下，在凝固完毕时，两相枝晶晶轴之间，枝间区域存在着浓度梯度。,.,14,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,存在成分偏析的合金浸蚀后所显露的拓扑组织的图解说明,.,15,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,通过热处理晶内偏析由于晶粒内部存在浓度梯度，会发生扩散，使合金整体向合金的平均化学成分趋近。如Al-50%Cu合金。,铝铜合金二元相图，合金由液体状态慢速冷却时，首先经过液相+相区，然后570左右进入相区，直到525以下，合金组织由相基体和相析出物组成。,.,16,4.1铝合金的凝固,4.1.3晶内偏析,快速冷却时，凝固过程。,某些合金在快速冷却条件下凝固时，不仅不产生晶内偏析，还会出现在慢速冷却时不会出现的新相。,.,17,4.2铝合金的退火,4.2.1铸态合金的组织特征,工业生产中，合金凝固时的冷却速度不0.1-100/s，凝固后铸态组织偏离平衡组织。,通常，非平衡共晶中的相依附在初晶上，相则以网状分布在枝晶网胞周围。,.,18,4.2铝合金的退火,铸态合金的组织特征,变形铝合金一般都具有两个以上的溶质组元，结晶时的情况较为复杂，但非平衡结晶的规律与二元合金系的一致。,.,19,4.2铝合金的退火,4.2.2铝合金均匀化退火时的组织变化,均匀化退火是为后续加工做组织准备。主要组织变化是枝晶偏析消除、非平衡相溶解和过饱和的过渡元素相沉淀，溶质浓度均匀化。,7075合金均匀化退火前后同一个枝晶胞范围内显微偏析的变化。不溶过剩相发生聚集、球化。慢冷时，溶质均匀沉淀析出。,.,20,4.2铝合金的退火,4.2.2铝合金均匀化退火时的组织变化,均匀化退火后的组织变化引起性能变化,.,21,4.2铝合金的退火,4.2.3均匀化退火温度及时间,温度升高将扩散过程大大加速，均匀化过程应尽量提高均匀化退火温度。通常退火温度为0.90.95Tm,.,22,4.2铝合金的退火,4.2.3均匀化退火温度及时间,Tm低于平衡相图上的固相线，有时在低于平衡固相线温度进行均匀化退火难以达到组织均匀化的目的。所以有高温均匀退火（非平衡固相温度以上，但是在平衡固相线温度以下的退火工艺）。,.,23,4.2铝合金的退火,4.2.3均匀化退火温度及时间,随着均匀化过程的进行，晶内浓度梯度不断减小，扩散的物质量也不断减少，使均匀化过程自动减慢。,2AL12均匀化退火前30min比后7h多得多,.,24,4.3铝合金的回复与再结晶,4.3.1回复,在退火温度低，退火时间短时，冷变形金属发生的主要过程即为回复。其驱动力是冷变形储能。,冷变形储能的结构形式：晶格畸变和各种晶格缺陷,回复过程的本质是点缺陷运动和位错运动及其重新组织，在精细结构上表现为多边化过程，形成亚晶组织。,如果退火温度升高或退火时间延长，亚晶尺寸逐渐增大，位错缠结逐渐消除，呈现鲜明的亚晶晶界，一定条件下，亚晶可以长到约10m。这种情况称为原位再结晶,.,25,4.3铝合金的回复与再结晶,4.3.2再结晶,再结晶晶粒与基体间的界面一般为大角度界面。,.,26,4.3铝合金的回复与再结晶,4.3.2再结晶（1）再结晶形核与晶核长大（2）再结晶温度（3）再结晶晶粒长及二次结晶（4）再结晶晶粒尺寸和不均匀化,再结晶晶粒与多边化过程产生亚晶间区别,.,27,4.3铝合金的回复与再结晶,再结晶晶核形成的必要条件是它们能以界面移动方式吞并周围基体，进而形成一定尺寸的新生晶粒，所以只有与周围变形体有大角度界面的亚晶才能成国潜在的再结晶晶核。,再结晶形核与晶核长大再结晶形核的两种机制（1）应变诱发晶界迁移机制（2）亚晶长大形核机制,.,28,4.3铝合金的回复与再结晶,再结晶温度1、冷变形程度与再结晶温度的关系2、退火时间与再结晶温度的关系,开始发生再结晶的温度称为再结晶温度。它在合金成分一定的情况下与变形程度及退火时间有关。,.,29,4.3铝合金的回复与再结晶,合金成分对再结晶温度密切相关，在固溶体范围内，加入少量元素通常能急剧提高再结晶温度。当铝中加的元素浓度进一步提高时，合金中出现第二相，些时再结晶温度变化较为复杂。,4.3.2再结晶,.,30,4.3铝合金的回复与再结晶,4.3.2再结晶（1）晶粒均匀长大均匀长大的过程中，一部分昌料的晶界向另一部分晶料内迁移，得到相对均匀的较粗大的晶粒组织。整个体积中再结晶晶粒不会同时相互接触。（2）晶粒选择性长大二次再结晶，在具备一定条件时，在晶粒较为均匀的再结晶基体中，某些个别晶粒可能急剧长大。,再结晶晶粒长大及二次再结晶,.,31,4.3铝合金的回复与再结晶,影响再结晶晶粒大小的主要因素有内在因素和工艺条件。（1）退火金属内在因素一般，随着合金元素及杂质含量增加，晶粒尺寸减小，但某些合金，若固、溶体成分不均匀，可能出现大晶粒。合金成分一定时，变形前的原始晶料对再结晶后晶粒尺寸也有影响。一般原始晶粒愈细，结晶后尺寸越小。,再结晶晶粒尺寸和不均匀化,.,32,4.3铝合金的回复与再结晶,（2）变形程度的影响,.,33,4.3铝合金的回复与再结晶,（2）变形程度的影响,变形温度升高，变形后退火时所呈现的临界变形程度也增加，金属越纯，临界变形程度越小，但加入不同元素影响程度不同。,.,34,4.3铝合金的回复与再结晶,（3）退火工艺参数,多数情况下，晶粒随退火温度增高面粗化，实际退火时在晶粒长大阶段，,.,35,4.3铝合金的回复与再结晶,（4）再结晶晶粒形状及尺寸的不均匀性（1）均匀晶粒尺寸不均匀，可能产生于二次结晶未完成阶段。（2）局部晶粒尺寸不均匀，晶粒分布在某一特定区域中，往往发生在局部强烈变形时。（3）带状晶粒尺寸不均匀，粗细晶粒分别沿主变形方向呈带状分布。（4）岛状的晶粒尺寸不均匀，粗晶粒群与细晶粒群在整个体积中无规律分布。,不同的变形铝合金，再结晶晶粒呈等轴状或接近等轴状。正常情况下应该大致均匀相等，但有时也可能出现组织不均匀，主要原因：,.,36,4.3铝合金的回复与再结晶,4.3.3再结晶织构,再结晶织构通常与变形织构不同，如图：,.,37,4.4铝合金的固溶和时效,铝合金中含有大量的能溶入铝中的合金元素，这些合金元素含量超过室温及在中等温度下的平衡固溶度极限，甚至可超过共晶温度的最大溶解度。室温平衡组为+，合金加热至Tq时，相溶入基体中而得到单相的固溶体，即为固溶处理。,当温度降低至T0以下时固溶体成为过饱和状态多余溶质就以相的形式析出，即脱溶或沉淀。,4.4.1固溶时效的基本概念,.,38,4.4铝合金的固溶和时效,当冷却速度足够大时，固溶体不能沉淀出相，合金的室组织单相过饱和固溶体，这种处理即淬火。淬火获得的过饱和固溶体有自发分解，即脱溶的倾向。大多数铝合金在室温下就可产生脱溶过程，些即自然时效将淬火得到的基体为过饱和固溶体的合金在高于室温的温度下加热，则脱溶过程，可能加速，即人工时效。淬火对强度和塑性的影响大小，取决于固溶强化程度及过剩相对材料的影响。,4.4.1固溶时效的基本概念,.,39,4.4铝合金的固溶和时效,4.4.1固溶时效的基本概念,淬火后的时效过程会使合金发生强化及软化。,.,40,特点：淬火加热时不发生同素异构转变。,固溶处理,+固溶度,强度/硬度变化小塑性明显,时效处理,第二相从固溶体中析出,力学性能等发生显著变化,时效形式：人工时效，自然时效。一般“回火”用于晶型转变的淬火合金，“时效”用于非晶型转变的淬火合金。,4.4铝合金的固溶和时效,铝合金固溶强化特点,.,41,以Al-Cu二元合金为例讨论铝合金的时效过程：(1)形成铜原子富集区,铜富集区称G.P.区,晶体结构与基体同，但产生了共格应变区,强度、硬度。G.P.呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200就不再出现G.P.区。,4.4铝合金的固溶和时效,.,42,G.P.区急剧长大，G.P.区铜原子有序化，形成”相,”相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵,点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大,4.4铝合金的固溶和时效,(2)铜原子富集区有序化,.,43,”相转变成过渡相,是正方点阵，成分接近CuAl2,完全共格局部共格,强度、硬度开始降低，合金此时处于过时效阶段。,4.4铝合金的固溶和时效,(3)形成过渡相,.,44,过渡相完全脱溶,形成稳定相CuAl2，()与基体非共格,合金的强度、硬度进一步下降,合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样,4.4铝合金的固溶和时效,(4)形成稳定的,.,45,4.4铝合金的固溶和时效,表常用铝合金系的时效过程及其析出的稳定相,.,46,固溶处理,规律：淬火T越高，淬火冷却V越快，转移t越短，过饱和程度越高，时效强化效果也越大,要点：在不过热过烧条件下，T淬高些，保温t长些。淬火冷却要保证不析出第二相。为了防止淬火变形开裂，一般采用2080水冷却,时效工艺,温度：对一定合金，有最佳时效温度.时间：在一定时效温度下，有最佳时效时间。方式：单级和多级时效。高强合金常用分级时效,4.4铝合金的固溶和时效,3、影响时效强化的主要因素,.,47,工业纯铝箔毛料的热处理和加工变形过程中，第二相和种类、大小、数量和分布是其显微组织很重要的一个方面，均匀化，中间退火，析出退火等工艺都必须以第二想的存在情况为依据来制定。工业纯铝半连铸水冷铸锭中的化合物主要有盘状c（AlFeSi）相，块状或片状p（AlFeSi）相、针织状Al6Fe和AlmFe相，以及不规则长针状AlFe3相。,4.5工业纯铝箔毛料中第二相形成、遗传和转变及工艺控制的综合,.,48,4.5工业纯铝箔毛料中第二相形成、遗传和转变及工艺控制的综合,因为粗大化合物在热轧过程中不易破碎，易导致针孔的产生和成品率的下降，均匀化过程中应尽量减少这种粗大化合物的数量。采取较长的中间退火时间和析出退火时间，以保证c（AlFeSi）相的充分析出和相变进行。但是这一相变将导致铝基体固溶度升高。因此应根据不同规格产品的要求，制定相应的中间退火工艺，以控制合金中第二相的形成和转变，同时兼顾考虑中杂质元素的固溶度。,.,49,块状或片状p（AlFeSi）相可以分为两类：1、铸锭组织中形成的，即在快冷铸锭中形成，并在均匀化过程中长大和均匀化过程转化成的2、铝箔毛料析出退火