合金設(shè)計3 均勻化退火

合金設(shè)計均勻化退火李勁風(fēng)中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1（1)均勻化處理的對象是鑄錠或鑄件2.1概述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)過熱、過燒的可能性。（2)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，減弱材料各向異性；提高組織穩(wěn)定性，防止蠕變導(dǎo)致材料形狀大小改變；提高強度、塑性。（鑄件——均勻化與固溶處理可以合并）均勻化退火MSE@CSU2鑄造過程中，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)均勻化處理的原因(4)均勻化處理過程中主要固態(tài)相變是高溫擴散還伴隨第二相粗化和球化、溶解與析出、晶粒長大等，使組織趨于平衡態(tài)。均勻化退火MSE@CSU3（1）平衡與非平衡凝固過程冷速較大，凝固較快，固相擴散來不及，α相平均成分沿bc變化，且達到c，由α+β共晶組織；枝晶生長也導(dǎo)致凝固有先后。得到成分不均勻的α相固溶體+非平衡共晶組織。平衡凝固過程與組織2.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點非平衡凝固過程形成成分為x1的均勻固溶體(α)B高B低共晶組織過剩相枝晶干枝晶溝B低B高枝晶生長均勻化退火MSE@CSU4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，過剩相增多；高溫形成的不均勻固溶體，有的處于過飽和狀態(tài)。（2）非平衡凝固組織特點均勻化退火MSE@CSU5均勻化退火MSE@CSU6在生產(chǎn)條件下，α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)成份超過臨界濃度k時，還有非平衡過剩相（金屬間化合物）是普遍的。?單相成分的出現(xiàn)非平衡過剩相；多相成分的過剩相增多（非平衡——原過剩相或其它新相）合金元素來不及析出來，部分濃度高者在冷卻過程中來不及析出，固溶體可能會處于過飽和狀態(tài)，淬火效應(yīng)。非平衡共晶組織中，通常α相依附于α初晶相上，β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)。即也可能有離異共晶組織均勻化退火MSE@CSU7（3）鑄態(tài)合金性能特點和非平衡凝固帶來的危害塑性下降抗電化學(xué)腐蝕能力下降成分不均勻，出現(xiàn)非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，塑性嚴重下降。成分不均勻，枝晶胞中心與胞界電位差大，形成濃差微電池，抗電化學(xué)腐蝕能力下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，抗蝕力嚴重下降。材料各向異性增強成分不均勻，具有不同成分的微區(qū)在變形過程中延長而形成帶狀結(jié)構(gòu)，造成材料各向異性。尤其是，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，增大層斷和晶（帶）間斷裂的傾向，增大各向異性。均勻化退火MSE@CSU8材料工藝參數(shù)難以控制成分不均勻，固相線溫度下移，后續(xù)加熱加工和熱處理工藝參數(shù)難以控制。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上低熔點化合物或共晶混合物，易過熱、過燒。變形抗力增大產(chǎn)生淬火效應(yīng)，非平衡組織存在，大量過剩相存在，會引起變形抗力增大。另外，成分不均勻，性能不均，形變不均，也會導(dǎo)致開裂，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，不利于加工。組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在高溫工作或長時間服役過程中，會向穩(wěn)定化方向蠕變，而造成組織、性能、形狀和尺寸不穩(wěn)。均勻化退火MSE@CSU92.3均勻化退火過程中的組織性能變化（1)均勻化退火過程中的組織變化

加熱、高溫保溫過程成分擴散均勻化非平衡相溶解通常，非平衡過剩相溶解后，固溶體的成分仍然不均勻，還需保溫擴散。但大多數(shù)情況下，可以用非平衡相完全溶解所需要的時間來估計均勻化時間。非平衡相完全溶解所需要的時間可由顯微金相觀察來確定。Tt高溫，長時√√?TAB均勻化溶解枝晶偏析消除（均勻化）均勻化退火MSE@CSU10因此，單相合金→（高溫）成分均勻的單相固溶體多相合金→（高溫）成分均勻單相固溶體+粗大球形第二相顆粒的組織冷卻過程過飽和固溶體脫溶需防止晶間析出（過慢）和淬火效應(yīng)（過快）；需控制冷速，促使晶內(nèi)析出且趨于平衡。另外，第二相球化和聚集，晶粒長大，相轉(zhuǎn)變等50μm(a)(b)2197鋁鋰合金（a）出爐空冷；（b）隨爐冷卻均勻化退火MSE@CSU11枝晶偏析消除，成分均勻化;

非平衡相消失，過剩相減少;

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;

過飽和固溶體分解；晶粒長大均勻化退火后的組織變化（理想）均勻化退火后組織狀況：組織均勻，無網(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大均勻化退火MSE@CSU12一種鋁合金均勻化退火前后組織變化ACBD(a)BA(b)均勻化退火MSE@CSU13均勻化退火MSE@CSU14(2)均勻化退火對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晶偏析消除，成分均勻化;

非平衡相消失，過剩相減少;

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;

過飽和固溶體分解；晶粒長大

對于鑄錠（半連續(xù)鑄造）變形抗力降低，塑性提高，消除內(nèi)應(yīng)力，從而減小形變不均勻性，降低在存儲、運輸、機加工和壓力加工過程中開裂的危險，提高加工制品的表面質(zhì)量，同時也降低能耗，提高生產(chǎn)效率；對于壓力加工材料改善材料塑性（強度有的合金提高，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），避免過熱、過燒；對于鑄件改善力學(xué)性能，提高耐蝕性，穩(wěn)定零件形狀與尺寸，防止在使用過程中蠕變。均勻化退火MSE@CSU152.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程(1)均勻化退火的應(yīng)用均勻化退火不論對于鑄件，還是對于鑄錠，都是十分重要。也有其不利的一面：費時耗能，經(jīng)濟效益差；溫度高、時間長，易帶來變形、吸氣、氧化等問題，也過熱、過燒；有的材料會強度下降，這對于要求高強的材料是不利的。因此，是否進行均勻化退火應(yīng)視具體問題具體分析。均勻化退火MSE@CSU16(2)均勻化退火的工藝規(guī)程的制定原則均勻化退火的主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時間，其次是加熱速度和冷卻速度加熱溫度I為了提高擴散速率，加速均勻化過程，提高均勻化效果，應(yīng)①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②過熱、過燒、氧化、吸氣、變形等問題。經(jīng)驗上，T均=（0.9~0.95）Tm（Tm——鑄錠實際開始熔化的溫度，低于固相線）理論上，可以由相圖給出

I———選擇非平衡固相線以下，盡可能高（低溫均勻化（擴散）退火）II———選擇平衡固相線以下，盡可能高（高溫均勻化（擴散）退火）I+II——先在I的溫度下均勻化，在到II的溫度下均勻化，（分級均勻化（擴散）退火）均勻化退火MSE@CSU17低溫均勻化退火——保險，不會出現(xiàn)過燒，過熱、氧化、吸氣、變形等問題也不嚴重，但難以達到組織均勻化的目的，即使能達到，也需極長的時間，對生產(chǎn)不利。高溫均勻化退火——冒險，但均勻化效果好。溫度高有利于長程擴散，速度快，時間短，生產(chǎn)效益好。但易出現(xiàn)過熱、過燒、氧化、吸氣、變形等問題。大多數(shù)合金是不可以進行高溫均勻化退火，易氧化、吸氣者更加不可以；鋁合金有致密的表面氧化膜，可以，但也要慎重均勻化退火MSE@CSU過燒現(xiàn)象18

分級均勻化退火——通過低溫均勻化可以降低高溫均勻化時過燒的可能性，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，但麻煩。鎂合金多采用分級加熱工藝來實現(xiàn)均勻化。鋁合金也大量采用實際上，合理選擇均勻化退火溫度需用實驗來測定（怎樣測定？），如采用金相法來觀察測定過熱或過燒的最低溫度。均勻化退火MSE@CSU第一級均勻化提高過燒溫度19保溫時間非平衡相溶解時間和晶內(nèi)偏析消除時間，但不是簡單地加和。有非平衡過剩相，以其溶解所需時間為主；無非平衡過剩相，以固溶體濃度均勻化所需時間決定；主要取決于退火溫度、合金本性、偏析嚴重程度、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)。均勻化退火MSE@CSU原則上，保溫時間盡可能長。但太長，經(jīng)濟效益差；而且隨著成分的均勻化，濃差減小，擴散驅(qū)動力減小，進一步均勻化難。因此，均勻化退火時，均勻化過程也只是前期劇烈，后期緩慢，過分延長時間，也無意義。Thedissolutiontimefor6.0μmparticleswillbeabout55timesthanthatfor0.8μmparticles20均勻化處理只能消除或減少晶內(nèi)偏析，而對區(qū)域偏析（宏觀偏析）的影響甚微。消除區(qū)域偏析需晶間擴散，而晶間擴散會因晶間夾雜和空隙而難以實現(xiàn)。欲消除區(qū)域偏析，可能要數(shù)年甚至數(shù)百年。無意義！合理選擇均勻化退火時間需用實驗來測定，通常在數(shù)小時和數(shù)十小時之間。均勻化退火MSE@CSUAl-Cu-X合金成分振幅達到1%所需時間21均勻化退火MSE@CSU5083鋁合金成分鋁Al：余量硅Si

：≤0.40銅Cu：≤0.10鎂Mg：4.0～4.9鋅Zn：≤0.25錳Mn：0.40～1.0鈦Ti：≤0.15鉻Cr：0.05～0.25鐵Fe：0.000～0.400注：單個:≤0.05；合計:≤0.1522加熱速度和冷卻速度

加熱——以不開裂、不大變形、不產(chǎn)生大裂紋為原則，可快，可慢、也可分級加熱。幾乎所有的熱處理的加熱速率控制原則都如此。冷卻——不宜快，也不宜慢太慢，則會產(chǎn)生粗大相，且第二相析出不均勻，易沿晶界析出，甚至呈鏈、帶、網(wǎng)狀分布，達不到均勻化退火的目的；后續(xù)固溶難溶解。太快，則會產(chǎn)生淬火效應(yīng)，后續(xù)變形抗力大，達不到均勻化退火的目的。需具體問題具體分析，606