第三章均勻化退火(1)

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院第三章 均勻化退火3. 1 3. 1 概述概述3. 2 3. 2 鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點(diǎn)鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點(diǎn)3. 3 3. 3 均勻化退火過(guò)程中的組織性能變化均勻化退火過(guò)程中的組織性能變化3. 4 3. 4 均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)場(chǎng)：均熱、均勻化的區(qū)別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)均勻化處理的對(duì)象是鑄錠或鑄件均勻化處理的對(duì)象是鑄錠或鑄件中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院As-cast microstructures中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院50m10m中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Ni-Cr-W-

3、Co-Al-Ta-Hf alloy ingot: dendritic segregation中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院有利于鑄錠或鑄件的后續(xù)冷、熱加工或熱處理提高塑性，降低變形抗力；減小淬火出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒的可能性。（2)2)均勻化處理的目的均勻化處理的目的有利于鑄錠的加工制品或鑄件的最終使用性能提高耐蝕性能；防止層狀組織，減弱材料各項(xiàng)異性；提高組織穩(wěn)定性，防止蠕變導(dǎo)致材料形狀大小改變；提高強(qiáng)度、塑性。（鑄件均勻化與固溶處理可以合并）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 鑄造過(guò)程中，非平衡凝固導(dǎo)致成分不均勻和非平衡凝固組織效應(yīng)（非平衡組織、粗大析

4、出相、淬火效應(yīng)等）。性能不均勻、塑性差、變形抗力大以及耐蝕性差。（3)3)均勻化處理的原因均勻化處理的原因（4)4)均勻化處理過(guò)程中主要固態(tài)轉(zhuǎn)變是原子高溫?cái)U(kuò)散均勻化處理過(guò)程中主要固態(tài)轉(zhuǎn)變是原子高溫?cái)U(kuò)散伴隨第二相粗化和球化、溶解與析出、晶粒長(zhǎng)大等，使組織趨于平衡態(tài)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Microstructures of Co-33%Ge hypereutectic alloyPrimary columnar-Co5Ge3Primary equiaxed -Co5Ge3Slowly cooled Quickly cooled 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MS

5、E_材料科學(xué)與工程學(xué)院Change of microstructures of Co-29.7Ge eutectic alloy with cooling rate LamellarLamellar+anomalousAnomalousWith increasing the cooling rate中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（1 1）平衡與非平衡凝固過(guò)程）平衡與非平衡凝固過(guò)程q平衡凝固過(guò)程與組織平衡凝固過(guò)程與組織3.2 3.2 鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點(diǎn)鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點(diǎn)q非平衡凝固過(guò)程非平衡凝固過(guò)程Solidification analysis for an

6、 alloy in the isomorphous system: dendritic segregation!Temperatre /Composition, wt.%中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院冷速較大，凝固較快 ，固相擴(kuò)散來(lái)不及，相平均成分沿非平衡固相線bc變化，且達(dá)到c，由+共晶組織；枝晶生長(zhǎng)也導(dǎo)致凝固有先后。得到成分不均勻的相固溶體+非平衡共晶組織。偽共晶組織！無(wú)分配凝固！中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院B高B低共晶組織過(guò)剩相 枝晶干枝晶溝B低B高枝晶生長(zhǎng)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Different c

7、ooling rate results in different microstructures, involving equilibrium and non-equilibrium phases.W(C)W(Cr)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)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)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院q在工業(yè)生產(chǎn)的冷卻條件下，鑄造組織的不平衡特征表現(xiàn)如下在工業(yè)生產(chǎn)的冷卻條件下，鑄造組織的不平衡特征表現(xiàn)如下: :基體固溶體成分不均勻，晶內(nèi)偏析，組織

9、呈樹枝狀；產(chǎn)生非平衡共晶組織；可溶相在基體中的最大固溶度發(fā)生偏移，過(guò)剩相增多； 高溫形成的不均勻固溶體，有的處于過(guò)飽和狀態(tài)。（2 2）非平衡凝固組織特點(diǎn)）非平衡凝固組織特點(diǎn)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Typical second phases occurring in Al-alloys ingots.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院在生產(chǎn)條件下， 相固溶體呈樹枝狀，在枝晶胞間和晶界上除了少量的非平衡共晶組織外，當(dāng)成份超過(guò)某臨界濃度時(shí)，還有非平衡過(guò)剩相。單相成分的出現(xiàn)非平衡過(guò)剩相；多相成分的過(guò)剩相增多（非平衡原過(guò)剩相或其它新相）.合金元素來(lái)不

10、及擴(kuò)散，固溶體處于過(guò)飽和狀態(tài)，產(chǎn)生淬火效應(yīng)。非平衡共晶組織中，通常， 相依附于初晶相上， 相則以網(wǎng)狀分布在枝晶網(wǎng)胞周圍，在顯微組織中觀察不到典型的共晶形態(tài)(離異共晶組織).中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Typical microstructures in alloys ingot. 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Microstructure of diecast Mg-30Zn-2.5Y alloy. (a) Optical micrograph, (b) SEM image (BSE)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院

11、Ti-6Al-4V ingot: intergranular -Ti outlining the -Ti grains中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（3 3）鑄態(tài)合金性能特點(diǎn)和非平衡凝固帶來(lái)的危害）鑄態(tài)合金性能特點(diǎn)和非平衡凝固帶來(lái)的危害q 塑性下降：塑性下降： 成分不均勻，出現(xiàn)非平衡脆性相，塑性下降； 在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，導(dǎo)致塑性下降。q 抗電化學(xué)腐蝕能力下降：抗電化學(xué)腐蝕能力下降： 成分不均勻形成濃差微電池，電化學(xué)腐蝕抗力下降； 在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，抗蝕力嚴(yán)重下降。q 材料各向異性增強(qiáng)：材料各向異性增強(qiáng)： 成分不均勻，在變形過(guò)程中

12、延長(zhǎng)而形成帶狀結(jié)構(gòu)，造成材料各向異性；在枝晶 網(wǎng)胞或晶界上粗大網(wǎng)狀脆性相破碎而沿晶（帶）間分布，增大晶(帶)間斷裂的傾向，增大各向異性。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院q 材料工藝參數(shù)難以控制：材料工藝參數(shù)難以控制： 成分不均勻+在枝晶網(wǎng)胞或晶界上低熔點(diǎn)化合物或共晶混合物，易過(guò)熱、過(guò)燒。q 變形抗力增大：變形抗力增大： 淬火效應(yīng)，非平衡組織存在，大量過(guò)剩相存在，會(huì)引起變形抗力增大。另外，成分不均勻，性能不均，形變不均，也會(huì)導(dǎo)致開裂，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，不利于加工。q 組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)：組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)： 組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在高溫工作或長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中，會(huì)向穩(wěn)定化方向蠕變

13、，而造成組織、性能、形狀和尺寸不穩(wěn)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院3. 3 3. 3 均勻化退火過(guò)程中的組織性能變化均勻化退火過(guò)程中的組織性能變化（1)1)均勻化退火過(guò)程中的組織變化均勻化退火過(guò)程中的組織變化q加熱、高溫保溫過(guò)程加熱、高溫保溫過(guò)程成分?jǐn)U散均勻化非平衡相溶解第二相球化和聚集，晶粒長(zhǎng)大，相轉(zhuǎn)變Tt高溫，長(zhǎng)時(shí)TAB均勻化溶解枝晶偏析消除（均勻化）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院前二者是相互制約的兩個(gè)過(guò)程：通常，非平衡過(guò)剩相溶解后，固溶體的成分仍然不均勻，還需保溫?cái)U(kuò)散?？梢杂梅瞧胶庀嗤耆芙馑枰臅r(shí)間來(lái)估計(jì)均勻化時(shí)間，而非平衡相完全溶

14、解所需要的時(shí)間可由顯微金相觀察來(lái)確定。應(yīng)該指出，均勻化處理只能消除或減少晶內(nèi)偏析，而對(duì)區(qū)域偏析的影響甚微。另外，消除區(qū)域偏析需晶間擴(kuò)散，而晶間擴(kuò)散會(huì)因晶間夾雜和空隙而難以實(shí)現(xiàn)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院均勻化退火后組織狀況：組織均勻，無(wú)網(wǎng)、塊狀粗大相，不溶相呈球狀（分布于晶界），彌散相均布于晶內(nèi)，晶?？赡苡兴L(zhǎng)大枝晶偏析消除，成分均勻化;非平衡相消失，過(guò)剩相減少;非平衡組織平衡化：相轉(zhuǎn)變，亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失;過(guò)飽和固溶體分解；晶粒長(zhǎng)大q冷卻過(guò)程：過(guò)飽和固溶體脫溶冷卻過(guò)程：過(guò)飽和固溶體脫溶需防止晶間析出（過(guò)慢）和淬火效應(yīng)（過(guò)快）；

15、需控制冷速，促使晶內(nèi)析出且趨于平衡。q均勻化退火后的組織變化（理想）均勻化退火后的組織變化（理想）單相合金 （高溫）成分均勻的單相固溶體多相合金 （高溫）均勻固溶體+粗大球形第二 相顆粒加熱加熱中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Typical microstructures before and after homogenization of an Al-alloy.Differences:Grain boundary;The second phase and its distribution中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院(c)超聲，鑄態(tài)超聲，鑄

16、態(tài)100(d)超聲，均勻化態(tài)超聲，均勻化態(tài)100(a)常規(guī)，鑄態(tài)常規(guī)，鑄態(tài)100(b)常規(guī)，均勻化態(tài)常規(guī)，均勻化態(tài)100A7050常規(guī)鑄造、超聲鑄造經(jīng)過(guò)475/24h均勻化后的顯微組織中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院beforeAfter中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf alloy ing

17、ot before and after homogenizing50m10mAs-cast中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院800 for 6000hr中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院1000 for 6000hrAfter homogenized中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（2)2)均勻化退火對(duì)材料性能的影響均勻化退火對(duì)材料性能的影響塑性提高，變形抗力降低，材料工藝參數(shù)好控制，抗電化學(xué)腐蝕能力提高，材料各向異性減弱，組織穩(wěn)定化。不均勻的非平衡組織均勻的近平衡組織枝

18、晶偏析消除，成分均勻化；非平衡相消失，過(guò)剩相減少；非平衡組織平衡化（相轉(zhuǎn)變），亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失；過(guò)飽和固溶體分解；晶粒長(zhǎng)大中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院半連續(xù)鑄造錠: 變形抗力降低，塑性提高，內(nèi)應(yīng)力消除，減小形變不均勻性，降低存儲(chǔ)、運(yùn)輸、機(jī)加工和壓力加工中開裂的危險(xiǎn)，提高加工制品的表面質(zhì)量，也降低能耗，提高生產(chǎn)效率。壓力加工材料: 改善材料塑性（有的合金強(qiáng)度提高，有的降低（擠壓效應(yīng)消失），提高耐蝕性，減弱各向異性，防止晶粒粗化（尤其是Al-Mn合金），提高立方織構(gòu)成分（高純Al箔），避免過(guò)熱、過(guò)燒。鑄件: 改善力學(xué)性能，提高耐蝕性

19、，穩(wěn)定形狀與尺寸，防止在使用過(guò)程中蠕變。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院3. 4 3. 4 均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程（1)1)均勻化退火的應(yīng)用均勻化退火的應(yīng)用有利有弊！不利：費(fèi)時(shí)耗能，經(jīng)濟(jì)效益差；溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，易帶來(lái)變形、吸氣、氧化、過(guò)熱、過(guò)燒等問(wèn)題。有的材料強(qiáng)度會(huì)下降，這對(duì)于要求高強(qiáng)的材料不利。是否進(jìn)行均勻化退火應(yīng)視具體問(wèn)題而定。（2)2)均勻化退火的選擇均勻化退火的選擇實(shí)際生產(chǎn)中是否進(jìn)行均勻化退火，主要是根據(jù)合金本性、鑄造方法以及產(chǎn)品使用性能的要求來(lái)選擇。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院p合金本性：易產(chǎn)生偏析，組

20、織不均，塑性差，殘余應(yīng)力大者合金本性：易產(chǎn)生偏析，組織不均，塑性差，殘余應(yīng)力大者 鋁合金：除純鋁、低合金化的軟鋁外，幾乎都需要； 鎂合金：含Al、Zn的，易偏析，需要； 銅合金：除錫磷青銅、普通白銅、鋅白銅等外，其它一般不需要； 鋼鐵：鋼鐵一般不需要，但易切削鋼（防硫偏聚）、高合金鋼或其它有重要特殊用途的鋼需要均勻化退火，通常先熱鍛再退火。 注：鎂合金、 銅合金、鋼鐵等通常需在保護(hù)性氣氛或真空中進(jìn)行。p鑄造方法：連續(xù)或半連續(xù)鑄造等冷卻速度較大鑄造方法：連續(xù)或半連續(xù)鑄造等冷卻速度較大中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院p產(chǎn)品性質(zhì)（舉三例）產(chǎn)品性質(zhì)（舉三例） 需要保持?jǐn)D壓效應(yīng)的

21、，不需要均勻化退火 擠壓效應(yīng)： 現(xiàn)象對(duì)于熱處理可強(qiáng)化鋁合金（尤其含Cr、Mn、Ti等元素），擠 壓制品的強(qiáng)度明顯較(其它方法加工如軋、鍛等)的制品高。 實(shí)質(zhì)形變熱處理導(dǎo)致的組織強(qiáng)硬化效應(yīng)。 機(jī)理含Cr、Mn、Ti等元素合金化的熱處理可強(qiáng)化鋁合金中可形成 Al7Cr、Al6Mn、Al3Ti等金屬間化合物，它們可以穩(wěn)定位錯(cuò)、 亞晶界等亞結(jié)構(gòu)，與其它（如軋、鍛等）加工方法相比，擠 壓過(guò)程中更易形成位錯(cuò)、亞晶界等亞結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)高溫 形變熱處理；在淬火后的時(shí)效過(guò)程中可促使第二相分布均勻 均勻化退火消除擠壓效應(yīng)，原因在于：Al7Cr、Al6Mn、Al3Ti等金屬間 化合物可能會(huì)溶解、或粗化，不利于穩(wěn)定

22、位錯(cuò)、亞晶界等亞結(jié)構(gòu)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 需要防止晶粒異常粗大的（Al-Mn系合金），需要均勻化退火 Al-Mn系合金為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，其產(chǎn)品使用狀態(tài)為加工或退火態(tài)，Mn可明顯地提高Al的再結(jié)晶溫度，若Mn分布不易均勻，加工后退火個(gè)別再結(jié)晶晶粒 異常粗大。 6063型材氧化著色，需表面化學(xué)性質(zhì)均勻，需要均勻化退火Al-Mn二元系相圖中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（3)3)均勻化退火的工藝規(guī)程的制定原則均勻化退火的工藝規(guī)程的制定原則主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間，其次是加熱速度和冷卻速度加熱溫度為了提高擴(kuò)散速率，加速均勻化過(guò)

23、程，提高均勻化效果，應(yīng)盡可能地提高均勻化退火溫度，但必須防止溫度太高，而引起過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題。p 經(jīng)驗(yàn)上，經(jīng)驗(yàn)上， T均均=（0.90.95）Tm 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院p 理論上可以由相圖給出（右理論上可以由相圖給出（右圖）圖） I：選擇非平衡固相線以下，盡可能高（低溫均勻化退火）； II：選擇平衡固相線以下，盡可能高（高溫均勻化退火）； I+II：先在I的溫度下均勻化，在到II的溫度下均勻化（分級(jí)均勻化退火）I均勻化退火的溫度范圍（陰影區(qū)）I：普通； II：高溫工廠退火溫度一般低于實(shí)際熔點(diǎn)45-40OC各種退火工藝的優(yōu)缺點(diǎn)：各種退火工藝的

24、優(yōu)缺點(diǎn)：低溫均勻化退火保險(xiǎn)。不會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒，過(guò)熱、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題不嚴(yán)重，但難以達(dá)到組織均勻化的目的，即使能達(dá)到，也需長(zhǎng)時(shí)！中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院p實(shí)際上，合理選擇均勻化退火溫度需用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，如采用金相法來(lái)觀察測(cè)定過(guò)熱或過(guò)燒的最低溫度。高溫均勻化退火冒險(xiǎn)，但均勻化效果好。高溫長(zhǎng)程擴(kuò)散容易，需要的時(shí)間短，效益好。但易出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題。 大多數(shù)合金不可以進(jìn)行高溫均勻化退火，易氧化、吸氣者更不可。鋁合金由致密的表面氧化膜，可以，但須慎重。分級(jí)均勻化退火先低溫后高溫。通過(guò)低溫均勻化可以降低高溫均勻化時(shí)過(guò)燒的可能性，而高溫均勻化又可加速均勻化。兼有低溫均勻化退火和高溫均勻化退火的優(yōu)點(diǎn)，但麻煩。 鎂合金多采用分級(jí)加熱工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻化。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院保溫時(shí)間：保溫時(shí)間：主要取決于退火溫度、合金本性、偏析嚴(yán)重程度、非平衡相的形狀、大小和分布狀況以及鑄錠的致密性。還與加熱設(shè)備、鑄錠尺寸、裝爐量和裝料方式有關(guān)。 原則上，盡可能長(zhǎng)