第三章 均匀化退火.ppt

1、第三章 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,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 Deformation: Al-2Li-3Mg-Cu ingot should homogenized at about 530OC for 24hr before hot-deformation. For casting alloy: ca

2、sting piece or parts.,3. 1 概述,（1)均匀化处理的对象是铸锭或铸件,As-cast microstructures,Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf alloy ingot: dendritic segregation,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)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）,铸造过程中，非平衡凝固导致成分不

3、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。,（3)均匀化处理的原因,（4)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。,Microstructures of Co-33%Ge hypereutectic alloy,Primary columnar-Co5Ge3 Primary equiaxed -Co5Ge3,Slowly cooled,Quickly cooled,Change of microstructures of Co-29.7Ge eutectic a

4、lloy with cooling rate,Lamellar,Lamellar+anomalous,Anomalous,With increasing the cooling rate,（1）平衡与非平衡凝固过程,平衡凝固过程与组织,3.2 铸态合金的组织与性质特点,非平衡凝固过程,Solidification analysis for an alloy in the isomorphous system: dendritic segregation!,Temperatre /,Composition, wt.%,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

5、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！,Different cooling rate results in different microstructures, involving equilibrium and non-equilibrium phases.,W(C),W(Cr),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 e

6、utectic involves -Al, Al13Fe4, -AlFeSi and -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!,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；

7、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）非平衡凝固组织特点,Typical second phases occurring in Al-alloys ingots.,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(

8、离异共晶组织).,Typical microstructures in alloys ingot.,Microstructure of diecast Mg-30Zn-2.5Y alloy. (a) Optical micrograph, (b) SEM image (BSE),Ti-6Al-4V ingot: intergranular -Ti outlining the -Ti grains,（3）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害,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。,抗电化学腐蚀能力下降： 成分不均匀形成浓差微电

9、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。,材料各向异性增强：,成分不均匀，在变形过程中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。,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。,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。,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

10、方向蠕变，而造成组织、性能、形状和尺寸不稳。,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 第二相球化和聚集，晶粒长大，相转变,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。,均匀化退火后组织状况： 组织均匀，无网、块状粗大

11、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,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）,Typical microstructures before and after homogenization of an Al-alloy.,Differences: Grain boundary; The secon

12、d phase and its distribution,(c)超声，铸态100,(d)超声，均匀化态100,(a)常规，铸态100,(b)常规，均匀化态100,A7050常规铸造、超声铸造经过475/24h均匀化后的显微组织,before,After,Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf alloy ingot before and after homogenizing,As-cast,800 for 6000hr,1000 for 6000hr,After homogenized,（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

13、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,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

14、善力学性能，提高耐蚀性，稳定形状与尺寸，防止在使用过程中蠕变。,3. 4 均匀化退火的应用与工艺规程,（1)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)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。,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

15、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。,铸造方法：连续或半连续铸造等冷却速度较大,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： 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、

16、 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，不利于稳定位错、亚晶界等亚结构。, 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

17、系相图,（3)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。,经验上， T均=（0.90.95）Tm,理论上可以由相图给出（右图） 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）,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：,低温均匀化退火保

18、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！,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。,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，但均匀化过程前期剧烈后期缓慢，过分延长时间，无意义。,实际工艺参数的确定,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。,应该指出，均匀化处