脱溶以铝铜合金为例PPT课件

1、 一、脱溶过程和脱溶物的结构 二、脱溶后的显微组织 三、铝铜合金的时效过程第1页/共25页一、脱溶过程和脱溶物的结构 脱溶(precipitation):在热激活足够的条件下由含某种溶质的过饱和固溶体中析出溶质相或中间相的相变过程。按造成脱溶的条件分平衡脱溶时效脱溶按脱溶过程分连续脱溶不连续脱溶第2页/共25页合金脱溶过程 一般地：G.P.区形成过渡相形成平衡相形成在Al-Cu合金中， G.P.区代表Cu原子的偏聚区，为纪念Gunier及Preston的工作而得名，现在用来泛指任何固溶体中的溶质原子偏聚区。G.P.区特点：(1)过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度很快，均匀形核，均匀分布(2)

2、晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持共格关系(3)热力学上亚稳第3页/共25页Al-Cu系合金中的G.P.区及其结构模型过渡相形成： 以以 G.P.区为基础逐渐转变为过渡相，区为基础逐渐转变为过渡相，Al-Cu合金合金过渡相独立地形核长大，Al-Ag合金 长大到破坏共格关系时长大到破坏共格关系时 平衡相第4页/共25页 相周围的畸变区相与基体的部分共格关系第5页/共25页二、脱溶后的显微组织 连续脱溶（非均匀脱溶均匀脱溶） 先发生连续非均匀脱溶，随后发生连续均匀脱溶。析出相均匀分布在与母相结构相同的固溶体中。 非连续脱溶连续脱溶 先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组织，伴有再结

3、晶发生，随后发生连续脱溶，析出相均匀分布在与母相结构相同的固溶体中。析出物发生粗化和球化。 非连续脱溶 先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组织，伴有再结晶发生，析出物发生粗化和球化。第6页/共25页脱溶析出产物显微组织变化的顺序示意图第7页/共25页三、铝铜合金的时效过程以以Cu-Al合金为例。合金为例。在室温时的最大溶解度为在室温时的最大溶解度为0.5%Cu，而在，而在548时，极限溶解度时，极限溶解度为为5.6%Cu。Al-Cu合金合金在室温时的平衡组织为合金合金在室温时的平衡组织为CuAl2，加热到固溶线，加热到固溶线FD以上，第二相以上，第二相CuAl2完全溶入完全溶入固溶体中

4、，淬火后获得铜在铝中的过饱和固溶体。固溶体中，淬火后获得铜在铝中的过饱和固溶体。当再加热到当再加热到 130进行时效，其脱溶顺序为：进行时效，其脱溶顺序为：，即在平，即在平衡相衡相() 出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。出现之前，有三个过渡脱溶物相继出现。 ： G.P区的形成 的形成 的形成 的形成第8页/共25页脱溶时的能量变化符合一般的固态相变规律。脱溶驱动力是新相和母相的化学自由能差，脱溶阻力是形成脱溶相的界面能和应变能。下图为Al-Cu合金在某一温度下脱溶时各个阶段的化学自由能成分关系。G.P.区：G1a b 相：G2a c 相：G3a d 相： G4a e 由图可见，G1G2G3G

5、4， 即形成 G.P.区时的相变驱动力最小。第9页/共25页 经固溶处理获得的过饱和固溶体,在发生分解之前有一段准备过程,这段时间称为。随后，铜原子在铝基固溶体(面心立方晶格)的100晶面上偏聚，形成，称为。 G.P区的发现：1938年，A.Guinier和用X射线结构分析方法各自独立发现，AlCu合金单晶体自然时效时在基体的100面上偏聚了一些铜原子，构成了富铜的碟状薄片（约含铜90）。为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为G.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.P区。1. ： (1) 在过饱和固溶体的分解初期在母相的100晶面上形成，形成速度很快，均匀分布。 (2) 晶体结

6、构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持共格关系；与基体不同之处是GPI区中铜原子的浓度较高，引起点阵的严重畸变,阻碍位错运动，因而合金的强度、硬度提高。 (3) 在热力学上是亚稳定的。 (4) G.P区在电子显微镜下观察呈圆盘状，直径约为8nm，厚度约为0.30.6nm。第10页/共25页 结构模型为结构模型为 G.P.区右半部横截面，图面平行于区右半部横截面，图面平行于 Al 原子点阵原子点阵(100)面；面； Cu原子层在原子层在(001)面上形成面上形成 ； G.P.区与母相保持共格关系，界面能较小，弹性应变能较大。区与母相保持共格关系，界面能较小，弹性应变能较大。第11页/共25页 G

7、.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半区的形状与溶质和溶剂的原子半 径差有关径差有关。R小于小于 3时析出物呈球状，时析出物呈球状， R大于大于 5时析出物呈圆时析出物呈圆盘状。盘状。A1-Cu 合金中合金中 的的 G.P.区呈圆盘状，区呈圆盘状， A1-Ag 和和 Al-Zn 合金的合金的 G.P.区呈球状。区呈球状。 G.P.区的尺寸和密度与合金成分、时效温度和时效区的尺寸和密度与合金成分、时效温度和时效时间等因素有关时间等因素有关。 G.P.区的数目比位错数目要大得多区的数目比位错数目要大得多。形核主要是依。形核主要是依靠浓度起伏的均匀形靠浓度起伏的均匀形 核，而依靠位错的不均匀形核则核，而

8、依靠位错的不均匀形核则不起主要作用。不起主要作用。第12页/共25页3. G.P.区形成的原因: G.P区的形核是均匀分布的，其形核率与晶体中非均匀分布的位错无关，而强烈依赖于淬火所保留下来的空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。凡是能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成。例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。 在GPI区的基础上铜原子进一步偏聚，GP区进一步扩大，并有序化，即，称为GP区，为过渡相.常用表示。由于相区与基体仍保持共格关系，因此其周围基体产生弹性畸变，它比GPI区周围的畸变更大, 对位错运动的阻碍进一步增

9、大，时效强化作用更大。 相-相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。第13页/共25页从 G.P.区转变为过渡相的过程可能有两种情况： 以 G.P.区为基础逐渐演变为过渡相，如A1-Cu合金以 G.P.区为基础，沿其直径方向和厚度方向(以厚度方向为主)长大形成过渡相相。 与 G.P.区无关，过渡相独立地均匀形核长大，如Al-Ag合金。 相为有序的富铜区，具有正方点阵，ab0.404nm，c0.768nm ；总成分相当于 CuAl2，分布均匀且与基体相保持完全共格关系。它与基体的位向关系为100/100基体。 相仍为薄片状，片的厚度约0.82nm，直径约 1415nm。 随着相的长大，在其周围基体中

10、产生的应力和应变也不断地增大。第14页/共25页Al-Cu合金中、和相的结构及形态图相周围的弹性畸变区相TEM图像第15页/共25页 随着时效过程铜原子在相基础上继续偏聚，片状相周围的共格关系部分遭到破坏，当Cu和Al原子比为1:2时，形成过渡相。是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，呈圆片状或碟形，尺寸为100nm数量级。 第16页/共25页相具有正方点阵，其成分与 CuAl2 相当，ab0.404nm，c0.58nm 。相与基体之间保持部分共格关系，两点阵各以其001面联系在一起。 和相间的位向关系： (100)(100)； 0010013 对位错运动的阻碍作用减小，硬度开始降低。 相与基

11、体之间仍然保持部分共格关系，而相与相则保持完全共格关系。第17页/共25页 时效后期，随着相的成长，过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为相，相与基体无共格关系。 随时效温度的提高或时间的延长，相的质点聚集长大合金的强度、硬度进一步降低。 相具有正方点阵，ab0.905nm，c0.486nm，点阵常数与及相差甚大。相的与基体无共格关系，呈块状。 以上讨论表明，Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为： 过饱和固溶体形成铜原子富集区(GP区)铜原子富集区有序化 相形成过渡相析出稳定相(CuAl2)+平衡的固溶体。第18页/共25页 脱溶驱动力是化学自由能

12、差，脱溶过程是通过原子扩散进行的。等温脱溶动力学曲线也呈 C 字形。G.P.区或相、相的形成与温度有关，都要后才能形成。是等温温度升高，脱溶速度加快；但温度升高时固溶体过饱和度减小，临界晶核尺寸增大，又使脱溶速度减慢。 时效温度越高，固溶体的过饱和度就越小，脱溶过程的阶段也就 越少；而在同一时效温度下合金的溶质原子浓度越低，其固溶体过饱和度就越小，则脱溶过程的阶段也就越少。第19页/共25页 凡是影响形核率和长大速度的因素，都会影响过饱和固溶体脱溶过程动力学。其影响因素包括 晶体缺陷的影响 合金成分的影响 时效温度的影响第20页/共25页 增加晶体缺陷，将使新相易于形成，使脱溶速度加快。但不同

13、的晶体缺陷对不同的脱溶沉淀的影响是不一样。 G.P.区形成时，Cu 原子按空位机制扩散。固溶处理加热温度愈高，加热后的冷却速度愈快，所得的 空位浓度就愈高，G.P.区的形成速度愈快。 在母相晶粒边界出现的无析出区，就是因为晶界附近空位极易扩散至晶界而消失所致。 随时效时间的延长和 G.P.区的形成，固溶体中的空位浓度不断降低，故使新的 G.P.区的形成速度愈来愈小。 位错、层错以及晶界等晶体缺陷具有与空位相似的作用，往往成为过渡相和平衡相的非均匀形核的优先部位。 A1-Cu 合金中的相、相及相的析出也是需要通过 Cu 原子的扩散，因此也与固溶体中的空位浓度有关。 固溶处理后的塑性形变可以促进脱溶过程。第21页/共25页 在相同的时效温度下，合金的熔点越低，脱溶速度就越快。低熔点合金的时效温度较低，而高熔点合金的时效温度较高，如 Al 合金在 200以下，马氏体 时效钢在 500左右。 一般来说，随溶质浓度增加，脱溶过程加快。溶质原子与溶剂原子性能差别越大，脱溶速度 就越快。 有些元素对时效各个阶段的影响是不同的，如 Cd、Sn 极易与空位结合，故使空位浓度下降，使 G.P.区 形成速度显著降低。但 Cd、Sn 又是内表面活性物质，极易偏聚在相界面而使界面上形成的相的界面能显著 降低，故能促进相沿晶界析出。第22页/共25页 时效温度越高，原子活动性