材料熱處理第8章 合金脫溶沉淀與時效

1、第第8章章 合金脫溶沉淀與時效合金脫溶沉淀與時效p定義定義p從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子聚集聚集區(qū)以及亞穩(wěn)定過渡相的過程稱為區(qū)以及亞穩(wěn)定過渡相的過程稱為脫溶脫溶或或沉淀沉淀，是一種，是一種擴散型擴散型相變。相變。pM M回火回火：C C原子聚集區(qū)，析出第二相原子聚集區(qū)，析出第二相相或亞穩(wěn)過渡相或亞穩(wěn)過渡相。相。p條件：組成合金的條件：組成合金的A A、B B兩組元形成有限固溶體，且固溶度兩組元形成有限固溶體，且固溶度隨著溫度降低而減小。隨著溫度降低而減小。p過飽和固溶體的脫溶沉淀過飽和固溶體的脫溶沉淀基本條件：基本條件：有

2、固溶度變化曲線（隨有固溶度變化曲線（隨T降低而減?。┙档投鴾p小）形成有限固溶體形成有限固溶體生產(chǎn)應用：生產(chǎn)應用：有色金屬及沉淀硬化不銹鋼等強化的主要手段。有色金屬及沉淀硬化不銹鋼等強化的主要手段。 AB時效工藝過程時效工藝過程p 固溶處理：固溶處理：在固溶度曲線以上某一溫度保持，讓在固溶度曲線以上某一溫度保持，讓B B充充分溶入分溶入A A中，中， 迅速冷卻使迅速冷卻使B B來不及析出而形成過飽和固溶來不及析出而形成過飽和固溶體。體。p 時效時效：經(jīng)固溶處理后在室溫放置或加熱到溶解度曲：經(jīng)固溶處理后在室溫放置或加熱到溶解度曲線以下某一溫度保溫，使線以下某一溫度保溫，使B B組元從過飽固溶體中析

3、出的過組元從過飽固溶體中析出的過程。程。p即：即：過飽和固溶體過飽和固溶體飽和固溶體飽和固溶體+ +析出相析出相p經(jīng)過固溶處理的過飽和固溶體在室溫或較高溫度下等溫保經(jīng)過固溶處理的過飽和固溶體在室溫或較高溫度下等溫保持時，將發(fā)生脫溶，使合金的強度和硬度顯著提高，稱為持時，將發(fā)生脫溶，使合金的強度和硬度顯著提高，稱為沉淀強（硬沉淀強（硬)化化或或時效強（硬）化。時效強（硬）化。過飽和過飽和固溶體固溶體 析析 出出 固溶處理固溶處理 飽和飽和固溶體析出相固溶體析出相 （固溶淬火）（固溶淬火） 固溶處理固溶處理 速冷速冷 人工時效人工時效 自然時效自然時效 Tt AB過飽和過飽和 飽和飽和析出相析出相

4、 溶質(zhì)偏聚區(qū)溶質(zhì)偏聚區(qū)亞穩(wěn)過渡相亞穩(wěn)過渡相穩(wěn)定第二相穩(wěn)定第二相8.1脫溶過程和脫溶物的結(jié)構(gòu)脫溶過程和脫溶物的結(jié)構(gòu)p合金經(jīng)固溶處理并淬火獲得亞穩(wěn)過飽和固溶體，若在足夠合金經(jīng)固溶處理并淬火獲得亞穩(wěn)過飽和固溶體，若在足夠高的溫度下進行時效，最終將沉淀析出平衡脫溶相。但在高的溫度下進行時效，最終將沉淀析出平衡脫溶相。但在平衡相出現(xiàn)之前，根據(jù)合金成分不同會出現(xiàn)若干個平衡相出現(xiàn)之前，根據(jù)合金成分不同會出現(xiàn)若干個亞穩(wěn)脫亞穩(wěn)脫溶相溶相或稱為或稱為過渡相過渡相。p脫溶過程脫溶過程：p以以Al- 4% Cu合金為例：合金為例：p 1）最先形成的是銅原子的富集區(qū)）最先形成的是銅原子的富集區(qū)(G.P區(qū)區(qū))p 2）相相

5、(G.PII區(qū)區(qū))，p 3）相，相，p 4）相，即相，即CuAl2p G.P.區(qū)區(qū) 相相 相相 相相1、G.P.區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)p在若干原子層范圍內(nèi)的溶質(zhì)原子聚集區(qū)即稱為在若干原子層范圍內(nèi)的溶質(zhì)原子聚集區(qū)即稱為Guinier-Preston區(qū)，簡稱區(qū)，簡稱G.P.區(qū)。區(qū)。p特點特點p（1）在過飽和固溶體的分解初期形成，且形成速度很快，）在過飽和固溶體的分解初期形成，且形成速度很快，通常為均勻分布；通常為均勻分布；p（2） 其晶體結(jié)構(gòu)與母相過飽和固溶體相同，并與母相保其晶體結(jié)構(gòu)與母相過飽和固溶體相同，并與母相保持第一類共格關(guān)系；持第一類共格關(guān)系；p（3）在熱力學上是亞穩(wěn)定的。）在

6、熱力學上是亞穩(wěn)定的。1、G.P.區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)p形核形核：依靠濃度起伏均勻形核，形成速度很快：依靠濃度起伏均勻形核，形成速度很快p形態(tài)形態(tài)：為薄片狀，含：為薄片狀，含90%銅銅p與母相共格，平行于與母相共格，平行于100，p分布分布：均勻分布在：均勻分布在基體上，形成彈性畸變能導致硬度升基體上，形成彈性畸變能導致硬度升高。高。p形成溫度形成溫度：在室溫或低溫下，一般在：在室溫或低溫下，一般在190C以下，以下，200C以上要瓦解，升高的硬度將下降。以上要瓦解，升高的硬度將下降。pG.P.區(qū)的大小與合金成分、時效溫度和時效時間有關(guān)。1、G.P.區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)1

7、、G.P.區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)區(qū)的形成及其結(jié)構(gòu)G.P.區(qū)與母相保持共格界面能較小 彈性應變能較大。當溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差小于當溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差小于3時析出物呈球狀，時析出物呈球狀，當原子半徑差大于當原子半徑差大于5時析出物呈圓盤狀。時析出物呈圓盤狀。根據(jù)理論計算，當析出物體積一定時，其周圍的彈性應根據(jù)理論計算，當析出物體積一定時，其周圍的彈性應變能按球狀（等軸狀）變能按球狀（等軸狀） 針狀針狀 圓盤狀（薄片狀）的圓盤狀（薄片狀）的順序依次減小，即球狀脫溶相的界面能最小，圓盤狀的順序依次減小，即球狀脫溶相的界面能最小，圓盤狀的應變能最小。應變能最小。2過渡相的形成及其結(jié)構(gòu)過渡相的形成及其結(jié)構(gòu)

8、(1) 相的形成與結(jié)構(gòu)相的形成與結(jié)構(gòu)p 隨時效時間的延長和時效溫度的升高，已形成的隨時效時間的延長和時效溫度的升高，已形成的G.P.區(qū)直徑進一步擴大，原子發(fā)生有序化，形成較為穩(wěn)區(qū)直徑進一步擴大，原子發(fā)生有序化，形成較為穩(wěn)定的定的（ G.P. II）p 形成形成：在：在G.P.區(qū)基礎(chǔ)上演變（均勻形核）區(qū)基礎(chǔ)上演變（均勻形核）p 形狀形狀：薄片狀，厚：薄片狀，厚0.8-2 nm，直徑，直徑15-40 nmp 慣習面慣習面：100，與母相完全共格，與母相完全共格p 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：正方結(jié)構(gòu)，：正方結(jié)構(gòu)，a=b=0.404(與母相相與母相相同同),c=0.788 nmp 性能性能：為了保持與母相共格，產(chǎn)生更

9、大彈性畸變區(qū)，：為了保持與母相共格，產(chǎn)生更大彈性畸變區(qū)，使硬度升高（使硬度升高（合金達到最大強化的階段合金達到最大強化的階段）。）。（2）形成形成p時效溫度進一步提高形成時效溫度進一步提高形成。p 形核形核：不均勻形核（在位錯及胞壁處）：不均勻形核（在位錯及胞壁處）p 形態(tài)形態(tài)：薄片狀（可用光學顯微鏡觀察到）：薄片狀（可用光學顯微鏡觀察到）p 慣習面慣習面：(001)p 位向關(guān)系位向關(guān)系：100/100，100 /010 ,在在(001)面上與面上與保持共格或半共格保持共格或半共格p 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：正方點陣：正方點陣a=b=0.404, c=0.58nmp 成分成分：與：與CuAl2 相當。相當。

10、對位錯運動的阻礙作用減小，合金的硬度開始降低對位錯運動的阻礙作用減小，合金的硬度開始降低3平衡相的形成及其結(jié)構(gòu)平衡相的形成及其結(jié)構(gòu)p當當長大到一定程度，長大到一定程度，共格破壞共格破壞，與與完全脫離而成為完全脫離而成為穩(wěn)定的穩(wěn)定的相相(平衡相平衡相) 。p 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：正方點陣，：正方點陣，a=0.607，c=0.487nm,p 成分成分：CuAl2，p 形成形成CuAl2后性能下降后性能下降(發(fā)生了過時效發(fā)生了過時效)p隨著時效溫度的提高和時間的延長，隨著時效溫度的提高和時間的延長，相質(zhì)點聚集長大，相質(zhì)點聚集長大，合金的強度、硬度進一步降低合金的強度、硬度進一步降低 4.044.044.044

11、.047.685.86.0666.0664.87相相abc與基體關(guān)系與基體關(guān)系 共格共格 半共格半共格 非共格非共格 母相母相4.044.044.04Al-4%Cu合金的脫溶順序3過飽和固溶體過飽和固溶體 2 + G.P.區(qū)區(qū) 具有一定飽和度的固溶體具有一定飽和度的固溶體2 + 1 + 具有一定飽和度的固溶體具有一定飽和度的固溶體 + 飽和固溶體飽和固溶體時效溫度/CWCu=2%WCu=3%WCu=4%WCu=5%8.2 合金時效熱力學和動力學合金時效熱力學和動力學p1脫溶的熱力學分析脫溶的熱力學分析p 脫溶分解的能量變化符合一般的固態(tài)相變規(guī)律。也是脫溶分解的能量變化符合一般的固態(tài)相變規(guī)律。也

12、是通過通過形核、長大形核、長大進行的。進行的。p 脫溶的驅(qū)動力也是脫溶的驅(qū)動力也是新新/舊相的自由能差舊相的自由能差，阻力是，阻力是形成形成脫溶相的界面能和應變能。脫溶相的界面能和應變能。Al-Cu系合金析出過程各階段在某一溫度的自由能-成分關(guān)系曲線示意圖pC0成分合金形成成分合金形成G.P.區(qū)時，可用公切線法區(qū)時，可用公切線法p確定基體和脫溶相的成分分別為確定基體和脫溶相的成分分別為C1和和CG.P.；p同理，形成同理，形成相時，分別為相時，分別為C2和和Cp形成形成相時，分別為相時，分別為C3和和Cp形成形成相時，分別為相時，分別為C4和和Cp各公切線與過各公切線與過C0的垂線的交點的垂線

13、的交點b、c、d和和e分別代表分別代表C0成分成分母相母相中形成中形成G.P.區(qū)、區(qū)、相、相、相和相和相時兩相的系統(tǒng)自由相時兩相的系統(tǒng)自由能。能。p由由G.P. 能量逐漸降低。能量逐漸降低。p相變驅(qū)動力，相變驅(qū)動力， 最大，最大，p G.P. 最小最小p但相變難易程度還需考慮相變阻力。但相變難易程度還需考慮相變阻力。p實際脫溶過程可表示為：實際脫溶過程可表示為：p0 1G.P. 2 3 平衡平衡G.PG.P區(qū)形成共格界面，界面能低，所需形核功較?。粎^(qū)形成共格界面，界面能低，所需形核功較??；且且G.PG.P區(qū)與基體濃度差較小，易通過擴散形核并長大，區(qū)與基體濃度差較小，易通過擴散形核并長大，所以一

14、般脫溶時先形成所以一般脫溶時先形成G.P.G.P.區(qū)。區(qū)。2. 2. 脫溶動力學及影響因素脫溶動力學及影響因素p2.1 脫溶等溫曲線p類似C曲線，通過原子擴散形成，有孕育期。pC曲線獨立并相互交叉TG.P. T T分別表示分別表示G.P.區(qū)、過渡相和平衡相區(qū)、過渡相和平衡相完全固溶的最低溫度。完全固溶的最低溫度。2. 2. 脫溶動力學及影響因素脫溶動力學及影響因素規(guī)律：規(guī)律：時效溫度時效溫度 ，固溶體的過，固溶體的過飽和度飽和度 ，脫溶析出過程，脫溶析出過程的階段就越少；的階段就越少；在同一溫度下合金的溶質(zhì)在同一溫度下合金的溶質(zhì)原子濃度原子濃度 ，固溶體的過，固溶體的過飽和度飽和度 ，析出過程

15、的階，析出過程的階段越少。段越少。2. 2. 脫溶動力學及影響因素脫溶動力學及影響因素p2.2 影響脫溶動力學因素p（1）析出過程中的擴散溫度/K空位濃度溫度/K空位濃度2. 脫溶動力學及影響因素p2.2 影響脫溶動力學因素p（1）析出過程中的擴散p（2）合金成分的影響2. 脫溶動力學及影響因素p2.2 影響脫溶動力學因素p（1）析出過程中的擴散p（2）合金成分的影響p (3) 時效溫度的影響時效溫度時效溫度，擴散，擴散，析出速度快；但臨界，析出速度快；但臨界晶核晶核，數(shù)量，數(shù)量，化學成分更接近平衡相，化學成分更接近平衡相，固溶體過飽和度固溶體過飽和度，析出速度，析出速度。在一定溫度范圍內(nèi)，可

16、以提高溫度來加快時效在一定溫度范圍內(nèi)，可以提高溫度來加快時效過程，縮短時效時間。過程，縮短時效時間。2. 脫溶動力學及影響因素p2.2 影響脫溶動力學因素p（1）析出過程中的擴散p（2）合金成分的影響p (3) 時效溫度的影響p (4) 固溶處理后時效處理前的冷加工變形 塑性變形誘發(fā)析出；塑性變形誘發(fā)析出；固溶處理后固溶處理后 時效處理前的冷加工變形能加速時效過時效處理前的冷加工變形能加速時效過程并提高時效處理后的最高硬度值；程并提高時效處理后的最高硬度值； 冷加工變形能促進平衡相的析出冷加工變形能促進平衡相的析出 冷加工變形還可部分甚至全部抑制無析出區(qū)的形成冷加工變形還可部分甚至全部抑制無析

17、出區(qū)的形成8.3 時效后的顯微組織時效后的顯微組織p 1）連續(xù)析出及其顯微組織連續(xù)析出及其顯微組織p 2）非連續(xù)析出及其顯微組織非連續(xù)析出及其顯微組織p 3）時效過程中的微觀組織變化時效過程中的微觀組織變化 1 1）連續(xù)析出及其顯微組織）連續(xù)析出及其顯微組織p在脫溶過程中，脫溶物附近基體中的濃度變化為連續(xù)。在脫溶過程中，脫溶物附近基體中的濃度變化為連續(xù)。p均勻脫溶：均勻脫溶：析出物均勻分布在基體中的連續(xù)脫溶。析出物均勻分布在基體中的連續(xù)脫溶。p實際上均勻脫溶很少。實際上均勻脫溶很少。p非均勻脫溶非均勻脫溶 ：析出物優(yōu)先在析出物優(yōu)先在晶界晶界、亞晶界、亞晶界、滑移面滑移面、孿、孿晶界面、位錯及其

18、它缺陷處。晶界面、位錯及其它缺陷處。 優(yōu)先發(fā)生于晶體缺陷處的析出稱為優(yōu)先發(fā)生于晶體缺陷處的析出稱為局部析出局部析出。 有些時效型合金，在發(fā)生晶界析出的同時，還會在晶界有些時效型合金，在發(fā)生晶界析出的同時，還會在晶界附近形成一個附近形成一個無析出區(qū)無析出區(qū)。p特征特征：原子長程擴散：原子長程擴散無析出區(qū)無析出區(qū)p 脫溶沉淀時在母相晶粒邊界常存在無析出區(qū)，既不脫溶沉淀時在母相晶粒邊界常存在無析出區(qū)，既不形成形成G.P區(qū)，也不析出亞穩(wěn)相及穩(wěn)定相，一般認為，無析區(qū)，也不析出亞穩(wěn)相及穩(wěn)定相，一般認為，無析出區(qū)將使性能變壞。出區(qū)將使性能變壞。p 原因：該區(qū)域內(nèi)空位密度低，使溶質(zhì)原子擴散困難，原因：該區(qū)域內(nèi)

19、空位密度低，使溶質(zhì)原子擴散困難，故故G.P區(qū)、亞穩(wěn)中間相難以析出。（空位濃度低是由于淬區(qū)、亞穩(wěn)中間相難以析出。（空位濃度低是由于淬火冷卻時靠近晶界的空位擴散到晶界消失所致）?；鹄鋮s時靠近晶界的空位擴散到晶界消失所致）。p解決辦法解決辦法:p 時效前進行變形來提高空位時效前進行變形來提高空位p 提高淬火時冷卻速度，以防止空位向晶界擴散。提高淬火時冷卻速度，以防止空位向晶界擴散。Al-Mg-ZnTi2 2）非連續(xù)析出及其顯微組織）非連續(xù)析出及其顯微組織p在脫溶過程中，脫溶的兩相耦合成長，脫溶物附近基體中在脫溶過程中，脫溶的兩相耦合成長，脫溶物附近基體中的濃度變化為非連續(xù)。的濃度變化為非連續(xù)。p特征

20、特征1：析出相從晶界不均勻形核，然后向晶內(nèi)擴展：析出相從晶界不均勻形核，然后向晶內(nèi)擴展p第一步：在過飽和第一步：在過飽和1相中溶質(zhì)原子首先在晶界處偏聚，并在晶界處相中溶質(zhì)原子首先在晶界處偏聚，并在晶界處脫溶脫溶p析出析出穩(wěn)定相穩(wěn)定相相；相；p第二步：第二步： 相長入母相相長入母相0中，并在中，并在相兩側(cè)出現(xiàn)原子貧化區(qū)相兩側(cè)出現(xiàn)原子貧化區(qū)1相相p重復第一步和第二步過程。重復第一步和第二步過程。p特征特征2：析出相呈層片狀與相鄰貧化區(qū)組成類似珠光體團析出相呈層片狀與相鄰貧化區(qū)組成類似珠光體團的胞狀組織。的胞狀組織。p特征特征3：晶界形成胞狀物時一般伴隨著基體再結(jié)晶。：晶界形成胞狀物時一般伴隨著基體

21、再結(jié)晶。p特征特征4：原子短程擴散：原子短程擴散非連續(xù)脫溶的機理示意圖非連續(xù)脫溶的機理示意圖說明說明p非連續(xù)析出過程與珠光體轉(zhuǎn)變相似，但二者本質(zhì)不同。非連續(xù)析出0 1 +是析出強化相，且0 、1相結(jié)構(gòu)相同；珠光體轉(zhuǎn)變 + Fe3C中、相結(jié)構(gòu)不相同。非連續(xù)析出過程與連續(xù)析出過程區(qū)別：非連續(xù)析出過程與連續(xù)析出過程區(qū)別：3 3）時效過程中的微觀組織變化）時效過程中的微觀組織變化p過飽和固溶體析出產(chǎn)物的顯微組織的變化順序可過飽和固溶體析出產(chǎn)物的顯微組織的變化順序可有三種情況：有三種情況：p1）連續(xù)析出加局部析出）連續(xù)析出加局部析出p2）連續(xù)析出加非連續(xù)析出）連續(xù)析出加非連續(xù)析出p3）僅發(fā)生非連續(xù)析出。

22、）僅發(fā)生非連續(xù)析出。8.4 8.4 合金時效過程中性能的變化合金時效過程中性能的變化主要討論硬度和強度在時效過程中的變化主要討論硬度和強度在時效過程中的變化1. 硬度變化硬度變化冷時效：冷時效：較低溫度下進行的時效；較低溫度下進行的時效；其硬度一開始迅速上升，其硬度一開始迅速上升，達到一定值后恒定；達到一定值后恒定；冷時效溫度越高，硬度冷時效溫度越高，硬度上升愈快，能達到的硬上升愈快，能達到的硬度值越高故可用提高時度值越高故可用提高時效溫度的辦法，縮短時效溫度的辦法，縮短時效時間；效時間；冷時效主要形成冷時效主要形成G.PG.P區(qū)區(qū)溫時效：溫時效：p較高的時效溫度下進行，較高的時效溫度下進行，

23、 有孕育期，然后硬度迅速上有孕育期，然后硬度迅速上升，達到極值后隨時間延長升，達到極值后隨時間延長而下降。而下降。p（過時效）（過時效）p溫時效溫度越高，硬度上升溫時效溫度越高，硬度上升速度越快，但能達到的最大速度越快，但能達到的最大硬度值越低，越容易出現(xiàn)過硬度值越低，越容易出現(xiàn)過時效。時效。p溫時效析出的是過渡相與平溫時效析出的是過渡相與平衡相。衡相。Al-Cu合金在130oC時效時的硬度和析出相的關(guān)系A(chǔ)l-Cu合金的時效硬化主要依靠形成合金的時效硬化主要依靠形成G.P.區(qū)和區(qū)和相，而相，而其中尤以形成其中尤以形成相的硬化效果最大，出現(xiàn)相的硬化效果最大，出現(xiàn)相后硬度相后硬度下降。下降。影響時

24、效硬化的因素：影響時效硬化的因素：p1）固溶體的貧化p2）基體的回復與再結(jié)晶p3）新相的析出使硬度隨時效時間延長而單調(diào)下降使硬度隨時效時間延長而單調(diào)下降使硬度升高使硬度升高但當析出相與母相共格關(guān)系被破環(huán)但當析出相與母相共格關(guān)系被破環(huán)及析出相粗化后，硬度又將下降。及析出相粗化后，硬度又將下降。2. 2. 時效硬化機制時效硬化機制p時效硬化是由于母相中的位錯與析出相之間的交時效硬化是由于母相中的位錯與析出相之間的交互作用引起的。可按位錯通過析出相的方式不同互作用引起的?？砂次诲e通過析出相的方式不同將時效硬化機制分為以下三類。將時效硬化機制分為以下三類。p1）內(nèi)應變強化）內(nèi)應變強化p2）切過析出相顆

25、粒強化）切過析出相顆粒強化p3）繞過析出相強化）繞過析出相強化1）內(nèi)應變強化）內(nèi)應變強化p由于析出相點陣結(jié)構(gòu)及點陣常數(shù)不同于母相，故析出相周圍將產(chǎn)生不均勻畸變區(qū)，即形成不均勻應力場。固溶態(tài)強度低于時效態(tài)強度的原因固溶態(tài)強度低于時效態(tài)強度的原因使位錯運動受阻，使位錯運動受阻，強度、硬度強度、硬度形成的應力場不能形成的應力場不能阻止位錯運動，強阻止位錯運動，強度較低度較低結(jié)論結(jié)論阻力阻力阻力和推力相當阻力和推力相當位錯運動能量變化位錯運動能量變化成為彎曲位錯成為彎曲位錯各處均處于能谷各處均處于能谷基本保持平直，基本保持平直，部分位于能谷部分位于能谷 部分位于能峰部分位于能峰位錯形態(tài)位錯形態(tài)原子可繞過析出相原子可繞過析出相顆粒顆粒位錯不能繞過溶質(zhì)位錯不能繞過溶質(zhì)位錯運動方式位錯運動方式遠大于固溶態(tài)遠大于固溶態(tài)小小析出相原子間距析出相原子間距時效態(tài)時效態(tài)固溶態(tài)固溶態(tài)2）切過析出相顆粒強化）切過析出相顆粒強化p 條件：條件：析出相不太硬，并位于滑移面時析出相不太硬，并位于滑移面時p 需克服的阻力：需克服的阻力：克服析出相造成的應力場；克