第三章均匀化退火(1)

1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院第三章 均匀化退火3. 1 3. 1 概述概述3. 2 3. 2 铸态合金的组织与性质特点铸态合金的组织与性质特点3. 3 3. 3 均匀化退火过程中的组织性能变化均匀化退火过程中的组织性能变化3. 4 3. 4 均匀化退火的应用与工艺规程均匀化退火的应用与工艺规程中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院现场：均热、均匀化的区别A primary heat-treatment: Get ready for deformation of alloys, and for casting alloy.For Deformatio

2、n: Al-2Li-3Mg-Cu ingot should homogenized at about 530OC for 24hr before hot-deformation.For casting alloy: casting piece or parts.3. 1 3. 1 概述概述 （1)1)均匀化处理的对象是铸锭或铸件均匀化处理的对象是铸锭或铸件中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院As-cast microstructures中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院50m10m中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Ni-Cr-W-

3、Co-Al-Ta-Hf alloy ingot: dendritic segregation中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院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。（2)2)均匀化处理的目的均匀化处理的目的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）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 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

4、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。（3)3)均匀化处理的原因均匀化处理的原因（4)4)均匀化处理过程中主要固态转变是原子高温扩散均匀化处理过程中主要固态转变是原子高温扩散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。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Microstructures of Co-33%Ge hypereutectic alloyPrimary columnar-Co5Ge3Primary equiaxed -Co5Ge3Slowly cooled Quickly cooled 中南大学中南大学金属材料热处理MS

5、E_材料科学与工程学院Change of microstructures of Co-29.7Ge eutectic alloy with cooling rate LamellarLamellar+anomalousAnomalousWith increasing the cooling rate中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（1 1）平衡与非平衡凝固过程）平衡与非平衡凝固过程q平衡凝固过程与组织平衡凝固过程与组织3.2 3.2 铸态合金的组织与性质特点铸态合金的组织与性质特点q非平衡凝固过程非平衡凝固过程Solidification analysis for an

6、 alloy in the isomorphous system: dendritic segregation!Temperatre /Composition, wt.%中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院冷速较大，凝固较快 ，固相扩散来不及，相平均成分沿非平衡固相线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。伪共晶组织！无分配凝固！中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院B高B低共晶组织过剩相 枝晶干枝晶沟B低B高枝晶生长中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Different c

7、ooling rate results in different microstructures, involving equilibrium and non-equilibrium phases.W(C)W(Cr)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Microstructures of Al-Fe-Si ingots solidified at different rates: (a) at 0.09K/s, (b) 3.43K/s. In the case of (a), the eutectic involves -Al, Al13Fe4, -AlFeSi and -

8、AlFeSi, and non-equilibrium phase Al6Fe etc. While in the case (b), the morphology of the eutectics are more regular and becomes to lamellar structure. Note: the amount of eutectic is changed!(a)(b)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院q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

9、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。（2 2）非平衡凝固组织特点）非平衡凝固组织特点中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Typical second phases occurring in Al-alloys ingots.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院在生产条件下， 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，当成份超过某临界浓度时，还有非平衡过剩相。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

10、及扩散，固溶体处于过饱和状态，产生淬火效应。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(离异共晶组织).中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Typical microstructures in alloys ingot. 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Microstructure of diecast Mg-30Zn-2.5Y alloy. (a) Optical micrograph, (b) SEM image (BSE)中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院

11、Ti-6Al-4V ingot: intergranular -Ti outlining the -Ti grains中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（3 3）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害q 塑性下降：塑性下降： 成分不均匀，出现非平衡脆性相，塑性下降； 在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，导致塑性下降。q 抗电化学腐蚀能力下降：抗电化学腐蚀能力下降： 成分不均匀形成浓差微电池，电化学腐蚀抗力下降； 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。q 材料各向异性增强：材料各向异性增强： 成分不均匀，在变形过程中

12、延长而形成带状结构，造成材料各向异性；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，增大晶(带)间断裂的倾向，增大各向异性。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院q 材料工艺参数难以控制：材料工艺参数难以控制： 成分不均匀+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。q 变形抗力增大：变形抗力增大： 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。q 组织处于亚稳定状态：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

13、，而造成组织、性能、形状和尺寸不稳。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院3. 3 3. 3 均匀化退火过程中的组织性能变化均匀化退火过程中的组织性能变化（1)1)均匀化退火过程中的组织变化均匀化退火过程中的组织变化q加热、高温保温过程加热、高温保温过程成分扩散均匀化非平衡相溶解第二相球化和聚集，晶粒长大，相转变Tt高温，长时TAB均匀化溶解枝晶偏析消除（均匀化）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院前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。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

14、解所需要的时间可由显微金相观察来确定。应该指出，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。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院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q冷却过程：过饱和固溶体脱溶冷却过程：过饱和固溶体脱溶需防止晶间析出（过慢）和淬火效应（过快）；

15、需控制冷速，促使晶内析出且趋于平衡。q均匀化退火后的组织变化（理想）均匀化退火后的组织变化（理想）单相合金 （高温）成分均匀的单相固溶体多相合金 （高温）均匀固溶体+粗大球形第二 相颗粒加热加热中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Typical microstructures before and after homogenization of an Al-alloy.Differences:Grain boundary;The second phase and its distribution中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院(c)超声，铸态超声，铸

16、态100(d)超声，均匀化态超声，均匀化态100(a)常规，铸态常规，铸态100(b)常规，均匀化态常规，均匀化态100A7050常规铸造、超声铸造经过475/24h均匀化后的显微组织中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院beforeAfter中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf alloy ing

17、ot before and after homogenizing50m10mAs-cast中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院800 for 6000hr中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院1000 for 6000hrAfter homogenized中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（2)2)均匀化退火对材料性能的影响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

18、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；晶粒长大中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院半连续铸造锭: 变形抗力降低，塑性提高，内应力消除，减小形变不均匀性，降低存储、运输、机加工和压力加工中开裂的危险，提高加工制品的表面质量，也降低能耗，提高生产效率。压力加工材料: 改善材料塑性（有的合金强度提高，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。铸件: 改善力学性能，提高耐蚀性

19、，稳定形状与尺寸，防止在使用过程中蠕变。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院3. 4 3. 4 均匀化退火的应用与工艺规程均匀化退火的应用与工艺规程（1)1)均匀化退火的应用均匀化退火的应用有利有弊！不利：费时耗能，经济效益差；温度高、时间长，易带来变形、吸气、氧化、过热、过烧等问题。有的材料强度会下降，这对于要求高强的材料不利。是否进行均匀化退火应视具体问题而定。（2)2)均匀化退火的选择均匀化退火的选择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。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院p合金本性：易产生偏析，组

20、织不均，塑性差，残余应力大者合金本性：易产生偏析，组织不均，塑性差，残余应力大者 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。 注：镁合金、 铜合金、钢铁等通常需在保护性气氛或真空中进行。p铸造方法：连续或半连续铸造等冷却速度较大铸造方法：连续或半连续铸造等冷却速度较大中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院p产品性质（举三例）产品性质（举三例） 需要保持挤压效应的

21、，不需要均匀化退火 挤压效应： 现象对于热处理可强化铝合金（尤其含Cr、Mn、Ti等元素），挤 压制品的强度明显较(其它方法加工如轧、锻等)的制品高。 实质形变热处理导致的组织强硬化效应。 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，与其它（如轧、锻等）加工方法相比，挤 压过程中更易形成位错、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 均匀化退火消除挤压效应，原因在于：Al7Cr、Al6Mn、Al3Ti等金属间 化合物可能会溶解、或粗化，不利于稳定

22、位错、亚晶界等亚结构。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 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，其产品使用状态为加工或退火态，Mn可明显地提高Al的再结晶温度，若Mn分布不易均匀，加工后退火个别再结晶晶粒 异常粗大。 6063型材氧化着色，需表面化学性质均匀，需要均匀化退火Al-Mn二元系相图中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（3)3)均匀化退火的工艺规程的制定原则均匀化退火的工艺规程的制定原则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

23、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。p 经验上，经验上， T均均=（0.90.95）Tm 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院p 理论上可以由相图给出（右理论上可以由相图给出（右图）图） I：选择非平衡固相线以下，尽可能高（低温均匀化退火）； II：选择平衡固相线以下，尽可能高（高温均匀化退火）； I+II：先在I的温度下均匀化，在到II的温度下均匀化（分级均匀化退火）I均匀化退火的温度范围（阴影区）I：普通； II：高温工厂退火温度一般低于实际熔点45-40OC各种退火工艺的优缺点：各种退火工艺的

24、优缺点：低温均匀化退火保险。不会出现过烧，过热、氧化、吸气、变形等问题不严重，但难以达到组织均匀化的目的，即使能达到，也需长时！中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院p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。高温均匀化退火冒险，但均匀化效果好。高温长程扩散容易，需要的时间短，效益好。但易出现过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题。 大多数合金不可以进行高温均匀化退火，易氧化、吸气者更不可。铝合金由致密的表面氧化膜，可以，但须慎重。分级均匀化退火先低温后高温。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。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院保温时间：保温时间：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。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