材料热处理第8章-合金脱溶沉淀与时效讲解课件

1、第8章 合金脱溶沉淀与时效定义从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。M回火：C原子聚集区，析出第二相相或亚稳过渡相。条件：组成合金的A、B两组元形成有限固溶体，且固溶度随着温度降低而减小。过饱和固溶体的脱溶沉淀基本条件：有固溶度变化曲线（随T降低而减小）形成有限固溶体生产应用：有色金属及沉淀硬化不锈钢等强化的主要手段。 AB时效工艺过程 固溶处理：在固溶度曲线以上某一温度保持，让B充分溶入A中， 迅速冷却使B来不及析出而形成过饱和固溶体。 时效：经固溶处理后在室温放置或加热到溶解度曲线以下某一温度保温，使B组元从过饱固溶

2、体中析出的过程。即：过饱和固溶体饱和固溶体+析出相经过固溶处理的过饱和固溶体在室温或较高温度下等温保持时，将发生脱溶，使合金的强度和硬度显著提高，称为沉淀强（硬)化或时效强（硬）化。过饱和固溶体 析 出 固溶处理 饱和固溶体析出相 （固溶淬火） 固溶处理 速冷 人工时效 自然时效 Tt AB过饱和 饱和析出相 溶质偏聚区亚稳过渡相稳定第二相8.1脱溶过程和脱溶物的结构合金经固溶处理并淬火获得亚稳过饱和固溶体，若在足够高的温度下进行时效，最终将沉淀析出平衡脱溶相。但在平衡相出现之前，根据合金成分不同会出现若干个亚稳脱溶相或称为过渡相。脱溶过程：以Al- 4% Cu合金为例： 1）最先形成的是铜原

3、子的富集区(G.P区) 2）相(G.PII区)， 3）相， 4）相，即CuAl2 G.P.区 相 相 相1、G.P.区的形成及其结构在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为Guinier-Preston区，简称G.P.区。特点（1）在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均匀分布；（2） 其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持第一类共格关系；（3）在热力学上是亚稳定的。1、G.P.区的形成及其结构形核：依靠浓度起伏均匀形核，形成速度很快形态：为薄片状，含90%铜与母相共格，平行于100，分布：均匀分布在基体上，形成弹性畸变能导致硬度升高。形成温度：在室温或低温下，一般在19

4、0C以下，200C以上要瓦解，升高的硬度将下降。G.P.区的大小与合金成分、时效温度和时效时间有关。1、G.P.区的形成及其结构1、G.P.区的形成及其结构G.P.区与母相保持共格界面能较小弹性应变能较大。当溶质与溶剂的原子半径差小于3时析出物呈球状，当原子半径差大于5时析出物呈圆盘状。根据理论计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应变能按球状（等轴状） 针状 圆盘状（薄片状）的顺序依次减小，即球状脱溶相的界面能最小，圆盘状的应变能最小。2过渡相的形成及其结构(1) 相的形成与结构 随时效时间的延长和时效温度的升高，已形成的G.P.区直径进一步扩大，原子发生有序化，形成较为稳定的（ G.P.

5、II） 形成：在G.P.区基础上演变（均匀形核） 形状：薄片状，厚0.8-2 nm，直径15-40 nm 惯习面：100，与母相完全共格 结构：正方结构，a=b=0.404(与母相相同),c=0.788 nm 性能：为了保持与母相共格，产生更大弹性畸变区，使硬度升高（合金达到最大强化的阶段）。（2）形成时效温度进一步提高形成。 形核：不均匀形核（在位错及胞壁处） 形态：薄片状（可用光学显微镜观察到） 惯习面：(001) 位向关系：100/100，100 /010 ,在(001)面上与保持共格或半共格 结构：正方点阵a=b=0.404, c=0.58nm 成分：与CuAl2 相当。对位错运动的阻

6、碍作用减小，合金的硬度开始降低3平衡相的形成及其结构当长大到一定程度，共格破坏，与完全脱离而成为稳定的相(平衡相) 。 结构：正方点阵，a=0.607，c=0.487nm, 成分：CuAl2， 形成CuAl2后性能下降(发生了过时效)随着时效温度的提高和时间的延长，相质点聚集长大，合金的强度、硬度进一步降低4.044.044.044.047.685.86.0666.0664.87相abc与基体关系 共格 半共格 非共格 母相4.044.044.04Al-4%Cu合金的脱溶顺序3过饱和固溶体 2 + G.P.区 具有一定饱和度的固溶体2 + 1 + 具有一定饱和度的固溶体 + 饱和固溶体时效温度

7、/CWCu=2%WCu=3%WCu=4%WCu=5%8.2 合金时效热力学和动力学1脱溶的热力学分析 脱溶分解的能量变化符合一般的固态相变规律。也是通过形核、长大进行的。 脱溶的驱动力也是新/旧相的自由能差，阻力是形成脱溶相的界面能和应变能。Al-Cu系合金析出过程各阶段在某一温度的自由能-成分关系曲线示意图C0成分合金形成G.P.区时，可用公切线法确定基体和脱溶相的成分分别为C1和CG.P.；同理，形成相时，分别为C2和C形成相时，分别为C3和C形成相时，分别为C4和C各公切线与过C0的垂线的交点b、c、d和e分别代表C0成分母相中形成G.P.区、相、相和相时两相的系统自由能。由G.P. 能

8、量逐渐降低。相变驱动力， 最大， G.P. 最小但相变难易程度还需考虑相变阻力。实际脱溶过程可表示为：0 1G.P. 2 3 平衡G.P区形成共格界面，界面能低，所需形核功较小；且G.P区与基体浓度差较小，易通过扩散形核并长大，所以一般脱溶时先形成G.P.区。2. 脱溶动力学及影响因素2.1 脱溶等温曲线类似C曲线，通过原子扩散形成，有孕育期。C曲线独立并相互交叉TG.P. T T分别表示G.P.区、过渡相和平衡相完全固溶的最低温度。2. 脱溶动力学及影响因素规律：时效温度，固溶体的过饱和度，脱溶析出过程的阶段就越少；在同一温度下合金的溶质原子浓度，固溶体的过饱和度，析出过程的阶段越少。2.

9、脱溶动力学及影响因素2.2 影响脱溶动力学因素（1）析出过程中的扩散温度/K空位浓度温度/K空位浓度2. 脱溶动力学及影响因素2.2 影响脱溶动力学因素（1）析出过程中的扩散（2）合金成分的影响2. 脱溶动力学及影响因素2.2 影响脱溶动力学因素（1）析出过程中的扩散（2）合金成分的影响 (3) 时效温度的影响时效温度，扩散，析出速度快；但临界晶核，数量，化学成分更接近平衡相，固溶体过饱和度，析出速度。在一定温度范围内，可以提高温度来加快时效过程，缩短时效时间。2. 脱溶动力学及影响因素2.2 影响脱溶动力学因素（1）析出过程中的扩散（2）合金成分的影响 (3) 时效温度的影响 (4) 固溶处

10、理后时效处理前的冷加工变形 塑性变形诱发析出；固溶处理后 时效处理前的冷加工变形能加速时效过程并提高时效处理后的最高硬度值； 冷加工变形能促进平衡相的析出 冷加工变形还可部分甚至全部抑制无析出区的形成8.3 时效后的显微组织 1）连续析出及其显微组织 2）非连续析出及其显微组织 3）时效过程中的微观组织变化 1）连续析出及其显微组织在脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续。均匀脱溶：析出物均匀分布在基体中的连续脱溶。实际上均匀脱溶很少。非均匀脱溶 ：析出物优先在晶界、亚晶界、滑移面、孪晶界面、位错及其它缺陷处。 优先发生于晶体缺陷处的析出称为局部析出。 有些时效型合金，在发生晶界析出的同

11、时，还会在晶界附近形成一个无析出区。特征：原子长程扩散无析出区 脱溶沉淀时在母相晶粒边界常存在无析出区，既不形成G.P区，也不析出亚稳相及稳定相，一般认为，无析出区将使性能变坏。 原因：该区域内空位密度低，使溶质原子扩散困难，故G.P区、亚稳中间相难以析出。（空位浓度低是由于淬火冷却时靠近晶界的空位扩散到晶界消失所致）。解决办法: 时效前进行变形来提高空位 提高淬火时冷却速度，以防止空位向晶界扩散。Al-Mg-ZnTi2）非连续析出及其显微组织在脱溶过程中，脱溶的两相耦合成长，脱溶物附近基体中的浓度变化为非连续。特征1：析出相从晶界不均匀形核，然后向晶内扩展第一步：在过饱和1相中溶质原子首先在

12、晶界处偏聚，并在晶界处脱溶析出稳定相相；第二步： 相长入母相0中，并在相两侧出现原子贫化区1相重复第一步和第二步过程。特征2：析出相呈层片状与相邻贫化区组成类似珠光体团的胞状组织。特征3：晶界形成胞状物时一般伴随着基体再结晶。特征4：原子短程扩散非连续脱溶的机理示意图说明非连续析出过程与珠光体转变相似，但二者本质不同。非连续析出0 1 +是析出强化相，且0 、1相结构相同；珠光体转变 + Fe3C中、相结构不相同。非连续析出过程与连续析出过程区别：3）时效过程中的微观组织变化过饱和固溶体析出产物的显微组织的变化顺序可有三种情况：1）连续析出加局部析出2）连续析出加非连续析出3）仅发生非连续析出

13、。8.4 合金时效过程中性能的变化主要讨论硬度和强度在时效过程中的变化1. 硬度变化冷时效：较低温度下进行的时效；其硬度一开始迅速上升，达到一定值后恒定；冷时效温度越高，硬度上升愈快，能达到的硬度值越高故可用提高时效温度的办法，缩短时效时间；冷时效主要形成G.P区温时效：较高的时效温度下进行， 有孕育期，然后硬度迅速上升，达到极值后随时间延长而下降。（过时效）温时效温度越高，硬度上升速度越快，但能达到的最大硬度值越低，越容易出现过时效。温时效析出的是过渡相与平衡相。Al-Cu合金在130oC时效时的硬度和析出相的关系Al-Cu合金的时效硬化主要依靠形成G.P.区和相，而其中尤以形成相的硬化效果

14、最大，出现相后硬度下降。影响时效硬化的因素：1）固溶体的贫化2）基体的回复与再结晶3）新相的析出使硬度随时效时间延长而单调下降使硬度升高但当析出相与母相共格关系被破环及析出相粗化后，硬度又将下降。2. 时效硬化机制时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的。可按位错通过析出相的方式不同将时效硬化机制分为以下三类。1）内应变强化2）切过析出相颗粒强化3）绕过析出相强化1）内应变强化由于析出相点阵结构及点阵常数不同于母相，故析出相周围将产生不均匀畸变区，即形成不均匀应力场。固溶态强度低于时效态强度的原因使位错运动受阻，强度、硬度形成的应力场不能阻止位错运动，强度较低结论阻力阻力和推力相

15、当位错运动能量变化成为弯曲位错各处均处于能谷基本保持平直，部分位于能谷 部分位于能峰位错形态原子可绕过析出相颗粒位错不能绕过溶质位错运动方式远大于固溶态小析出相原子间距时效态固溶态2）切过析出相颗粒强化 条件：析出相不太硬，并位于滑移面时 需克服的阻力：克服析出相造成的应力场；表面能的增加；改变了析出相内部两种原子之间的邻近关系3）绕过析出相强化(弥散强化)条件：析出相间距足够大，且非常硬作用形式：外力作用下，位错线将在两颗粒间凸出，绕过颗粒继续向前扩展。在析出相周围留下位错圈。2Gb/l 位错线前移切应力，G切变模量，b柏氏矢量，l颗粒间距由上式可见，颗粒间距，硬度强度，导致过时效时效过程硬度变化原因 时效初期：G.P.区与母相共格，由内应变强化切过强化，硬度，