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第三章合金的时效第三章合金的时效第1页，本讲稿共54页 由由A A、B B两两组组元元组组成成的的合合金金，B B在在A A中中的的固固溶溶度度是是有有限限的的，并并且且随随温度的降低而减小。如图示。温度的降低而减小。如图示。第2页，本讲稿共54页 固固溶溶处处理理：如如果果把把这这种种合合金金加加热热到到固固溶溶度度曲曲线线以以上上的的某某一一温温度度并并保保持持足足够够长长的的时时间间，使使溶溶质质元元素素（元元素素B B）充充分分溶溶入入固固溶溶体体（相相）中中，然然后后予予以以快快速速冷冷却却，以以抑抑制制这这些些元元素素重重新新析析出出，致致使使室室温温下下获获得得一一个个过过饱饱和和固固溶溶体体，这这种种热热处处理理称称为为固固溶溶处处理理或或固固溶淬火。溶淬火。析析出出：指指某某些些合合金金的的过过饱饱和和固固溶溶体体在在室室温温下下放放置置或或将将它它加加热热到到一一定定温温度度，溶溶质质原原子子会会在在固固溶溶体体点点阵阵中中的的一一定定区区域域内内聚聚集集或或组组成第二相的现象。析出又称为沉淀成第二相的现象。析出又称为沉淀 时时效效：在在析析出出过过程程中中，合合金金的的机机械械性性能能、物物理理性性能能、化化学学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。性能等随之发生变化，这种现象称为时效。第3页，本讲稿共54页 时时效效硬硬化化：一一般般情情况况下下，在在析析出出过过程程中中，合合金金的的硬硬度度或或强强度度会会逐逐渐渐升升高高，这这种种现现象象称称为为时时效效硬硬化化或或时时效效强强化化，也也可可称称为为沉淀硬化或沉淀强化。沉淀硬化或沉淀强化。时时效效合合金金：能能够够发发生生时时效效现现象象的的合合金金称称为为时时效效型型合合金金或或简称为时效合金。简称为时效合金。成成为为这这种种合合金金的的基基本本条条件件：一一是是能能形形成成有有限限固固溶溶体体；二二是是其固溶度随着温度的降低而减小。其固溶度随着温度的降低而减小。时时效效处处理理如如采采用用室室温温下下放放置置的的方方法法进进行行，则则称称为为自自然然时时效效或或室室温温时时效效；如如采采用用加加热热到到一一定定温温度度的的方方式式，则则称称为为人人工工时效。时效。第4页，本讲稿共54页 成成核核与与长长大大型型析析出出又又可可分分为为两两个个小小类类：一一是是析析出出物物的的晶晶体体结结构构与与母母相相的的相相同同，而而析析出出物物的的成成分分则则与与母母相相的的不不同同；二二是析出物和母相不但在晶体结构上，而且在成分上都不相同。是析出物和母相不但在晶体结构上，而且在成分上都不相同。对对时时效效合合金金而而言言，析析出出物物和和母母相相的的晶晶体体结结构构和和成成分分都都不不相相同同的的系系列列的的合合金金更更有有意意义义，由由于于析析出出物物和和母母相相的的晶晶体体结结构构和和成成分分都都不不相相同同，所所以以在在析析出出时时所所产产生生的的时时效效现现象象一一般般是是较较为显著的。为显著的。3.13.1析出过程的热力学析出过程的热力学第5页，本讲稿共54页 一一般般而而言言，在在固固溶溶体体析析出出情情况况中中，临临界界晶晶核核尺尺寸寸和和临临界界晶晶核核形形成成功功也也是是随随着着体体积积自自由由能能差差值值的的增增加加而而减减小小的的。在在时时效效温温度度相相等等的的条条件件下下，随随着着溶溶质质元元素素含含量量的的增增加加，即即随随着着固固溶溶体体过过饱饱和和度度的的增增加加，析析出出物物的的临临界界尺尺寸寸是是减减小小的的，在在溶溶质质元元素素含含量量相相等等的的情情况况下下，随随着着时时效效温温度度的的降降低低，临临界界晶晶核核尺尺寸寸是是减减小小的的，这这是是因因为为固固溶溶体体过饱和度增加的缘固。过饱和度增加的缘固。第6页，本讲稿共54页l一、自发形核（均匀形核、均质形核）是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。1.自发形核的能量变化 什么样的结构起伏能成为结晶的核心?(能量条件尺寸大小)形核的实质:晶胚不断从液态金属中得到原子而继续长大。形核时的能量变化：LS体积自由能 Fv减少；同时新表面形成表面自由能 Fs增加。系统总的自由能变化：F降低有利于结晶的进行。假设晶胚为球形，半径为r。那么 F=-4/3r3 Gv+4r2 Gv:单位体积自由能差；：单位表面积自由能 在一定条件下，Gv；均为定值。那么F是关于r的函数。形成临界晶核时对应的形核功为临界形核功。临界形核功 当晶胚在临界半径形核时，系统的总自由能最高，随r增大，自由能降低，可以自发进行，但毕竟仍大于零（正值），要形核时必须有一定的能量补偿。对应于rk时，F 最大。称之为临界形核功 FK表示。FK=1/3*AK*是临界晶核表面能的1/3。这部分能量靠能量起伏来提供-晶核可以形成 所谓能量起伏是指系统中微小体积所具有的能量，短暂偏离其平均能量的现象。经过近一步的计算有FK1/T2 随T增加，FK剧烈减少第7页，本讲稿共54页3.23.2析出过程（脱溶沉淀过程）析出过程（脱溶沉淀过程）（一）实际析出过程（一）实际析出过程 过过饱饱和和固固溶溶体体发发生生析析出出后后，将将变变为为饱饱和和固固溶溶体体和和析析出出物物，一一般般是是指指平平衡衡析析出出过过程程（即即达达到到了了最最终终状状态态）而而言言。而而在在实实际际析析出出过过程程中中，在在达达到到这这个个最最终终状状态态以以前前，往往往往要要经经过过几几个个过过渡渡阶阶段段。最最典典型型的的，也也是是研研究究得得最最早早的的和和最最细细致致的的是是Al-Al-CuCu合金。这种合金的析出过程为：合金。这种合金的析出过程为：相相（AlAl基基过过饱饱和和固固溶溶体体）、G.P.G.P.区区、相相、相相、相（平衡相相（平衡相CuAlCuAl2 2)第8页，本讲稿共54页 G.P.G.P.区区是是溶溶质质原原子子聚聚集集区区。它它的的点点阵阵结结构构与与过过饱饱和和固固溶溶体体的的点点阵阵结结构构相相同同。换换言言之之，当当从从过过饱饱和和固固溶溶体体形形成成G.P.G.P.区区时时，晶晶体体结结构构并并未未发发生生变变化化，所所以以一一般般把把它它当当作作“区区”，而而不不把把它它当当作作新新的的“相相”看看待待。G.P.G.P.区区与与过过饱饱和和固固溶溶体体（基基体体）是是完完全全共共格格的。这种共格关系是靠正应变维持的，属于第一类共格。的。这种共格关系是靠正应变维持的，属于第一类共格。相相和和相相都都是是亚亚平平衡衡（亚亚稳稳定定）的的过过渡渡相相。相相与与过过饱饱和和固固溶溶体体也也是是完完全全共共格格的的，而而相相与与过过饱饱和和固固溶溶体体则则变变为为部部分分共共格格的的。它它们们的的点点阵阵结结构构与与过过饱饱和和固固溶溶体体的的不不同同。它它们们具具有有一一定定的的化化学学成成分分，相相当当于于CuAlCuAl2 2。过过渡渡相相具具有有一一定定的的化化学学成成分分和和晶体结构，这是它们与溶质原子集团的晶体结构，这是它们与溶质原子集团的G.P.G.P.区主要区别。区主要区别。第9页，本讲稿共54页（二）（二）G.P.G.P.区的结构与形成区的结构与形成 G.P.G.P.区区的的结结构构模模型型如如图图所所示示。此此图图表表示示G.P.G.P.区区的的右右半半边边（左左半半边边与与其其对对称称）的的横横截截面面。图图面面平平行行于于（100100）（指指AlAl原原子子点点阵阵），而而垂垂直直（001001）和和（010010）。CuCu原原子子层层（图图中中的的黑黑点点）是是在在（001001）上上形形成成的的。由由于于CuCu原原子子半半径径小小于于AlAl原原子子半半径径，所所以以CuCu原原子子层层附附近近的的AlAl原原子子点点阵阵必必然然要要沿沿001001方向发生收缩。方向发生收缩。第10页，本讲稿共54页 CuCu原原子子半半径径为为AlAl原原子子半半径径的的87%87%左左右右，所所以以有有理理由由认认为为最最近近邻邻那那两两层层AlAl原原子子层层间间距距的的收收缩缩大大约约为为10%10%，相相邻邻各各层层原原子子间间距距的的收收缩缩逐逐渐渐减减小小。可可以以看看出出，在在CuCu原原子子层层边边缘缘的的点点阵阵畸畸变变最最为为剧剧烈烈。由由于于CuCu原原子子半半径径与与AlAl原原子子半半径径之之间间的的差差值值较较大大（-11.8%)11.8%)，CuCu原原子子层层在在形形成成时时所所发发生生的的弹弹性性应应变变能能较较大大，所所以以Al-CuAl-Cu合金中的合金中的G.P.G.P.区呈圆盘状。区呈圆盘状。第11页，本讲稿共54页 在在Al-AgAl-Ag系系和和Al-ZnAl-Zn系系合合金金中中，溶溶质质原原子子半半径径和和溶溶剂剂原原子子半半径径之之间间差差值值很很小小，在在G.P.G.P.区区形形成成时时所所发发生生的的弹弹性性应应变变能能相相对对较较小小，而而界界面面能能则则相相对对较较大大，所所以以它它们们的的G.P.G.P.区区呈呈球球状状。如如图图所所示示，此此图图为为通通过过G.P.G.P.区区中中心心的的一一个个截截面面，小小圆圆表表示示G.P.G.P.区区，大大圆圆和和小小圆圆之之间间表表示示贫贫溶溶质质原原子子区区（贫银区）。（贫银区）。第12页，本讲稿共54页（三）（三）相的结构与形成相的结构与形成 相相具具有有正正方方点点阵阵，点点阵阵常常数数为为a=4.04a=4.04，c=7.6-8.9c=7.6-8.9。其其晶晶胞胞中中的的原原子子分分为为五五层层，中中央央一一层层为为100%100%的的CuCu原原子子，上上、下下两两面面系系100%100%的的AlAl原原子子，而而中中央央一一层层与与上上、下下两两面面之之间间的的两两个个夹夹层则由层则由CuCu和和AlAl原子混合组成，总的成分相当于原子混合组成，总的成分相当于AlAl2 2Cu Cu。相相一一般般是是在在G.P.G.P.区区的的基基础础上上，向向直直径径和和厚厚度度方方向向，但但主主要要是是向向厚厚度度方方向向成成长长。在在厚厚度度方方向向上上，以以一一层层CuCu原原子子浓浓度度较较高高，另另一一层层CuCu原原子子浓浓度度较较低低，如如此此交交替替重重叠叠而而成成。点点阵阵常常数数与与母母相相相比，在相比，在a a、b b方向上基本相同，在方向上基本相同，在c c方向上则稍为收缩。方向上则稍为收缩。第13页，本讲稿共54页 相相和和基基体体仍仍保保持持完完全全共共格格的的关关系系。随随着着的的相相成成长长，在在相相周周围围的的基基体体相相中中不不断断产产生生应应力力和和应应变变。如如图图示示出出相相周围基体相的应变。周围基体相的应变。第14页，本讲稿共54页（四）（四）相的结构与形成相的结构与形成 相相也也具具有有正正方方点点阵阵，成成分分相相当当于于CuAlCuAl2 2。是是通通过过形形核核长长大大方方式式形形成成的的。与与相相不不同同，相相是是不不均均形形核核，通通常常是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保持部分共格联系。是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保持部分共格联系。第15页，本讲稿共54页（五）（五）相的结构与形成相的结构与形成 一一般般认认为为，相相是是由由长长大大而而成成。随随着着相相的的长长大大，相相周周围围的的相相中中的的应应力力、应应变变和和弹弹性性应应变变能能越越来来越越大大，相相就就越越来来越越不不稳稳定定。当当相相长长大大到到一一定定尺尺寸寸时时，相相与与相相完完全全脱脱离离，而而以以完完全全独独立立的的平平衡衡相相-相相出出现现。相相也也具具有有正正方方点点阵阵，a=6.066a=6.066，c=4.874c=4.874。相相与与基基体体相相之之间间为非共格关系。为非共格关系。G.P.G.P.区区的的形形成成是是凭凭借借浓浓度度起起伏伏的的均均匀匀成成核核，过过渡渡相相与与平平衡衡相相的的形形成成可可以以有有两两种种情情况况：一一是是以以G.P.G.P.区区为为基基础础逐逐渐渐演演变变为为过过渡渡相相以以至至于于平平衡衡相相，Al-CuAl-Cu合合金金属属于于此此类类，二二是是通通过过非非均均匀形核长大方式。匀形核长大方式。第16页，本讲稿共54页图图是是Al-4Cu合合金金在在130oC和和190oC时时效效过过程程中中硬硬度度的的变变化化。图图中中可可以以看看出出，C.P.区区所所造造成成的的硬硬度度增增加加到到一一定定程程度度即即达达到到饱饱和和状状态态，随随着着相相的的出出现现造造成成硬硬度度的的重重新新上上升升并并达达到到峰峰值值；当当组组织织中中出出现现相相时时，硬硬度度开开始始降降低低，这这种种现现象象称称为为过过时时效效；如如形形成成稳稳定定的的相相，则则合合金金完完全全软软化化。因因而而合合金金在在时时效效过过程程中中随随时时效效时时间间的的增增加加，其其硬硬度度先先增增加加后后降降低低，有有一一个个最佳时效时间使其硬度最高。最佳时效时间使其硬度最高。Al-4Cu合金时效硬化曲线合金时效硬化曲线第17页，本讲稿共54页时效过程的基本规律：时效过程的基本规律：先先由由固固溶溶处处理理获获得得双双重重过过饱饱和和的的空空位位和和固固溶溶体体；时时效效初初期期，由由于于空空位位的的作作用用，使使溶溶质质原原子子以以极极大大的的速速度度进进行行重重聚聚形形成成G.P.G.P.区区；随随着着提提高高时时效效温温度度和和增增加加时时效效时时间间，G.P.G.P.区区转转变变为为过过渡渡相相，最最后后形形成成稳稳定定相相。此此外外，在在晶晶体体内内的的某某些些缺陷地带也会直接由过饱和固溶体形成过渡相或稳定相。缺陷地带也会直接由过饱和固溶体形成过渡相或稳定相。第18页，本讲稿共54页3.33.3析出后的显微组织析出后的显微组织（一）析出的类型（一）析出的类型1 1、局部析出、局部析出 优优先先发发生生于于晶晶体体缺缺陷陷处处的的析析出出称称为为局局部部析析出出。较较为为常见的局部析出有两种，即滑移面析出和晶界析出。常见的局部析出有两种，即滑移面析出和晶界析出。滑滑移移线线析析出出的的组组织织与与魏魏氏氏组组织织相相似似，而而在在形形成成晶晶界界析析出出的的同同时时，还还会会出出现现在在晶晶界界附附近近区区域域形形成成无无析析出出区区。局局部部析析出出时时，析析出出物物附附近近基基体体的的浓浓度度显显著著下下降降，但但是是远远离离析析出出物物的的地地方方基基体体仍仍保持原有成分。保持原有成分。第19页，本讲稿共54页l焊接热影响区中的过热区，由于奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织。l简单说来，就是在奥氏体晶粒较粗大，冷却速度适宜时，钢中的先共析相以针片状形态与片状珠光体混合存在的复相组织。l魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧下降，这是不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因。第20页，本讲稿共54页第21页，本讲稿共54页2 2、连续析出、连续析出 析析出出物物附附近近基基体体的的浓浓度度变变化化是是连连续续的的。在在连连续续析析出出中中，析析出出物物的的分分布布是是较较为为均均匀匀的的，或或者者说说是是较较为为全全面面的的，因因而而连续析出又称全面析出。连续析出又称全面析出。连连续续析析出出的的形形核核属属于于均均匀匀形形核核，析析出出物物的的分分布布与与基基体体中中的的晶晶界界、位位错错等等缺缺陷陷无无关关。一一般般情情况况下下，析析出出物物与与基基体体保保持持一一定定的的晶晶体体学学位位向向关关系系和和惯惯习习面面，形形成成具具有有魏魏氏氏组组织织形形态态特特征征的的组组织织。另另外在析出物长大时，溶质原子进行长程扩散。外在析出物长大时，溶质原子进行长程扩散。第22页，本讲稿共54页 纯晶体的凝固纯晶体的凝固 形核晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的，即固相核心的形成与晶核生长至液相耗尽为止。形核方式可以分为两类：1)均匀形核：新相晶核是在母相中均匀地生成的，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响；2)非均匀（异质）形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。在实际熔液中不可避免地存在杂质和外表面（例如容器表面），因而其凝固方式主要是非均匀形核。但是，非均匀形核的基本原理是建立在均匀形核的基础上的，因而先讨论均匀形核。第23页，本讲稿共54页第24页，本讲稿共54页3 3、不连续析出、不连续析出 不不连连续续析析出出的的主主要要特特征征是是沿沿晶晶界界不不均均匀匀形形核核，然然后后逐逐步步向向晶晶内扩展，同时伴有应变诱发再结晶。内扩展，同时伴有应变诱发再结晶。应应变变诱诱发发再再结结晶晶：在在等等温温条条件件下下，由由于于应应力力和和应应变变不不断断增加而诱发的再结晶称为应变诱发再结晶。增加而诱发的再结晶称为应变诱发再结晶。不不连连续续析析出出过过程程中中，析析出出区区与与未未析析出出区区，在在界界面面两两侧侧溶溶质质浓浓度度的的变变化化是是突突变变的的，不不连连续续的的。溶溶质质原原子子在在析析出出过过程中只做短程扩散。程中只做短程扩散。第25页，本讲稿共54页第26页，本讲稿共54页4 4、连续析出与不连续析出的区别、连续析出与不连续析出的区别（1 1）基体浓度变化，连续与不连续；）基体浓度变化，连续与不连续；（2 2）析出过程有无再结晶；）析出过程有无再结晶；（3 3）析析出出物物分分散散于于晶晶粒粒内内，较较均均匀匀。析析出出物物集集中中在在晶晶界界逐逐步步向向晶内发展；晶内发展；（4 4）扩散性质，长程扩散，短程扩散；）扩散性质，长程扩散，短程扩散；（5 5）析出物组织形态不同。）析出物组织形态不同。第27页，本讲稿共54页析晶相变过程的析晶相变过程的动力学动力学1、晶核形成过程动力学、晶核形成过程动力学晶核形成：晶核形成：均匀成核均匀成核 非均匀成核非均匀成核：较常见。：较常见。(1).均匀成核均匀成核组成一定，熔组成一定，熔体均匀一相，在体均匀一相，在T0温度下析晶，温度下析晶，发生在整个熔体内部，析出物质组成与发生在整个熔体内部，析出物质组成与熔体一致。熔体一致。临界晶核临界晶核成核速率成核速率原子与晶核碰撞频率原子与晶核碰撞频率临界晶核数临界晶核数临界晶核周围原子数临界晶核周围原子数迁移活化能迁移活化能第28页，本讲稿共54页P：受核化位垒影响的成核率因子：受核化位垒影响的成核率因子D：受原子扩散影响的成核率因子：受原子扩散影响的成核率因子讨论：讨论：T 对对 IV 的影响。的影响。TIVPDIV分析分析：IV为何出现最大值？为何出现最大值？第29页，本讲稿共54页(2).非均匀成核非均匀成核有外加界面参加的成核。有外加界面参加的成核。原因：成核基体存在原因：成核基体存在降低成核位垒降低成核位垒，有利于成核。，有利于成核。成核剂成核剂(M)固体核固体核液体液体 润湿润湿 0900 10 01/2 (01/2)不润湿不润湿 9001800 0(-1)1/21 (1/21)cos f()非均匀成核非均匀成核临界成核位垒临界成核位垒 与接触角与接触角 的关系。的关系。较小的过较小的过冷度即可冷度即可以成核以成核第30页，本讲稿共54页5 5、析出物的粗化和球化、析出物的粗化和球化 为为了了在在体体积积不不变变的的情情况况下下减减少少界界面面面面积积，从从而而减减小小界界面面能能，析析出出物物（包包括括G.P.G.P.区区、过过渡渡相相以以至至平平衡衡相相）都都会会逐逐渐渐发发生生粗粗化化和和球球化化。其其中中尤尤其其以以平平衡衡相相的的粗粗化化和和球球化化对对合合金金性性能能的的影影响响最最大大，一一旦旦平平衡衡相相发发生生粗粗化化和和球球化化，合合金金的的强强度度就会显著降低。就会显著降低。第31页，本讲稿共54页（二）析出过程中显微组织变化序列（二）析出过程中显微组织变化序列第32页，本讲稿共54页（三）无析出区（三）无析出区 许许多多时时效效合合金金在在发发生生晶晶界界析析出出时时，还还会会在在晶晶界界附附近近形形成成一一个个无无析析出出区区，一一般般认认为为无无析析出出区区是是有有害害的的，因因为为它它的的屈屈服服强强度度很很低低，易易于于在在该该区区发发生生塑塑性性变变形形，结结果果导导致致晶晶间间破破坏坏。除除此此之之外外，相相对对于于晶晶粒粒内内部部而而言言，无无析析出出区区是是阳阳极极，易于发生电化学腐蚀，从而使应力腐蚀加速。易于发生电化学腐蚀，从而使应力腐蚀加速。无无析析出出区区形形成成的的原原因因有有两两种种看看法法，一一是是溶溶质质贫贫化化理理论论，另另一一是是空位扩散理论。空位扩散理论。第33页，本讲稿共54页图1 显微硬度随时效时间的变化曲线Fig11Curve of microhardness versus agingtime第34页，本讲稿共54页（一）时效硬化机制（一）时效硬化机制 按按照照近近代代的的强强度度理理论论，合合金金的的强强化化是是由由于于位位错错的的运运动动受受到到阻阻碍碍后后所所产产生生的的结结果果。对对时时效效强强化化（硬硬化化）而而言言，强强化化的原因主要有三种：的原因主要有三种：1 1、析析出出物物周周围围的的基基体体相相中中的的弹弹性性应应力力场场对对位位错错运运动动有有阻阻碍作用；碍作用；2 2、位位错错切切过过析析出出物物，形形成成表表面面台台阶阶，增增加加界界面面能能所所造造成成的的强强化化，即所谓化学强化；即所谓化学强化；3 3、位位错错绕绕过过析析出出物物所所造造成成的的强强化化，即即所所谓谓的的OrowanOrowan机机理理而发生的强化。而发生的强化。3.43.4析出过程中性能的变化析出过程中性能的变化第35页，本讲稿共54页第36页，本讲稿共54页（二）硬度变化（二）硬度变化 时时效效硬硬化化是是时时效效处处理理时时的的主主要要性性能能变变化化。许许多多时时效效型型合合金金，特特别别是是铝铝基基合合金金，时时效效处处理理时时的的硬硬度度-时时间间关关系系曲曲线线根根据据时时效温度的不同，可以分两种类型，即所谓冷时效和温时效。效温度的不同，可以分两种类型，即所谓冷时效和温时效。第37页，本讲稿共54页1 1、冷时效（自然时效）、冷时效（自然时效）是是指指在在较较低低温温度度下下进进行行的的时时效效，一一般般是是指指室室温温下下搁搁置置时时所所发发生生的的情情况况。硬硬度度-时时间间关关系系曲曲线线大大致致可可分分为为三三段段：孕孕育育期期（某某些些合合金金的的孕孕育育期期不不明明显显）、快快速速反反应应阶阶段段以以及及慢慢速速反反应应阶阶段段。在在慢慢速速反反应应阶阶段段的的后后期期，硬硬度度基基本本上上保保持持常常数数。一一般般认认为为，冷冷时时效效所所反反应应的的性性能能变变化化是是由由G.P.G.P.区形成所致。区形成所致。第38页，本讲稿共54页2 2、温时效（人工时效）、温时效（人工时效）是是指指在在较较高高温温度度下下进进行行的的时时效效。硬硬度度-时时间间关关系系曲曲线线大大致致可可分分为为三三段段：孕孕育育期期、硬硬化化阶阶段段（上上升升阶阶段段）以以及及软软化化阶阶段段（下下降降阶阶段段）。软软化化阶阶段段又又称称为为过过时时效效，需需要要避避免免，一一般般认认为为，是是从从析析出出平平衡衡相相开开始始的的。温温度度愈愈高高，出出现现极极大大值值或或开开始始出出现现过过时时效效的的时时间间愈愈短短。温温时时效效可可以以反反映映析析出出的的全全过过程程甚甚至至析出物的粗化和球化的情况。析出物的粗化和球化的情况。第39页，本讲稿共54页(四四)、双硬度峰值、双硬度峰值第40页，本讲稿共54页对于二元合金，产生这一现象的原因可能有两种：对于二元合金，产生这一现象的原因可能有两种：（1 1）由由于于某某一一析析出出程程可可以以分分为为明明显显可可分分的的几几个个不不同同阶阶段段，每个阶段的结构变化皆可以引起一个硬度峰。每个阶段的结构变化皆可以引起一个硬度峰。（2 2）由由于于发发生生局局部部析析出出和和连连续续析析出出的的时时间间先先后后不不同同的的缘缘故故。如如前前所所述述，局局部部析析出出发发生生在在先先，连连续续析析出出发发生生在在后后，因因此此由由这这两两种种析析出出所所引引起起的的硬硬度度也也出出现现的的有有先先有有后后。在在一一般般的的情情况况下下，由由局局部部析析出出和和连连续续析析出出所所引引起起的的硬硬度度分分别别对对应应第第一一、第第二硬度峰。二硬度峰。第41页，本讲稿共54页（一）溶质浓度的影响（一）溶质浓度的影响 一一般般来来说说，在在不不超超过过最最大大溶溶解解度度的的条条件件下下，随随溶溶质质浓浓度度（即即固固溶溶体体过过饱饱和和度度）的的增增加加，将将发发生生两两方方面面的的影影响响：（1 1）析出过程加快析出过程加快。（。（2 2）时效处理时性能变化越来越显著。）时效处理时性能变化越来越显著。当当溶溶质质浓浓度度超超过过最最大大固固溶溶度度时时，时时效效后后的的性性能能变变化化越越不不显显著著。这这是是因因为为合合金金中中出出现现了了其其他他组组织织组组成成物物，从从而而使使析析出出产产物物所所占占的的比比值值减减小小的的缘缘故故。所所以以时时效效型型合合金金中中的的溶溶质质浓浓度度一一般般皆皆控控制制在在最最大固溶度附近。大固溶度附近。3.53.5影响析出过程的因素影响析出过程的因素第42页，本讲稿共54页（二）微量元素的影响（二）微量元素的影响 在在时时效效型型合合金金中中，除除了了必必不不可可少少的的溶溶质质元元素素外外，往往往往为为了了一一定定的的目目的的而而再再加加入入一一些些其其它它合合金金元元素素，或或者者由由于于冶冶炼炼等等方方面面的的原原因因而而残残留留下下来来一一些些元元素素。这这些些元元素素的的含含量量虽虽然不多，但是却可对析出过程产生很大的影响。然不多，但是却可对析出过程产生很大的影响。1 1、降低溶质原子的扩散速度、降低溶质原子的扩散速度 例例如如在在Al-CuAl-Cu系系合合金金中中，当当加加入入CdCd、SnSn或或InIn以以后后就就是是如如此此。由由于于CdCd、SnSn或或InIn原原子子与与空空位位的的结结合合能能大大于于CuCu原原子子与与空空位位的的结结合合能能，因因此此在在固固溶溶淬淬火火时时后后大大部部分分的的空空位位皆皆与与CdCd、SnSn或或InIn原原子子结结合合，这这样样，CuCu原原子子的的扩扩散散由由于于缺缺乏乏空空位位的的帮帮助助而而变变得得困难。困难。第43页，本讲稿共54页2 2、提高过渡相析出的速度、提高过渡相析出的速度 例例如如在在Al-CuAl-Cu系系合合金金中中，当当加加入入CdCd、SnSn或或InIn以以后后，相相的的析析出出速速度度加加快快。有有人人认认为为这这是是由由于于这这些些合合金金元元素素被被吸吸附附在在 相相-基基体体的的界界面面上上，使使界界面面结结构构改改变变界界面面能能减减小小，从从而而使使 相的临界晶核减小的缘故。相的临界晶核减小的缘故。3 3、增加析出相的弥散度、增加析出相的弥散度 例例如如在在Al-Zn-MgAl-Zn-Mg合合金金系系中中当当加加入入AgAg以以后后，可可使使析析出出物物的的弥弥散散度度显显著著增增加加，并并使使无无析析出出区区消消失失，这这对对合合金金性性能能提提高高是是有有利的。在利的。在Al-CuAl-Cu系合金中加入系合金中加入CdCd，也有类似的效果。，也有类似的效果。第44页，本讲稿共54页（三）固溶处理工艺的影响（三）固溶处理工艺的影响 第45页，本讲稿共54页1 1、加热温度、保温时间的影响、加热温度、保温时间的影响 一一般般来来说说，固固溶溶处处理理温温度度愈愈高高，保保温温时时间间愈愈长长，被被溶溶解解的的物物质质愈愈多多化化学学成成分分愈愈均均匀匀，晶晶粒粒也也愈愈粗粗，结结果果在在随随后后的的时时效效处处理理时时的的性性能能变变化化就就愈愈显显著著。同同时时有有利利于于连连续续析析出出而而不不利利于于局局部部析析出出。还还会会使使固固溶溶处处理理后后“冻冻结结”下下来来的的空空位位数数目目增增加加，缩缩短短时时效效处处理理时时间间。但但固固溶溶处处理理温温度度受受到到合合金金熔熔点点的的限限制制，时时间间也也不不宜宜过过长长。合合适适的的加加热热温温度度和和保温时间必须根据具体情况而定。保温时间必须根据具体情况而定。第46页，本讲稿共54页2 2、固溶处理冷却速度的影响、固溶处理冷却速度的影响（1 1）许许多多合合金金当当固固溶溶处处理理冷冷却却速速度度较较慢慢时时会会发发生生部部分分析析出出，因因而而随随后后的的时时效效处处理理的的效效果果将将受受到到影影响响。要要注注意意：对对于于时时效效型型合合金金的的固固溶溶处处理理，冷冷却却速速度度愈愈大大，所所获获得得的的硬硬度度愈愈低低；而而对对于于钢钢的的淬淬火火，冷冷却却速速度度愈愈大大，则则所所得得的的硬硬度度就就愈愈高高。两两种种情情况况正正好相反。好相反。（2 2）剧剧烈烈的的固固溶溶淬淬火火会会产产生生很很大大的的热热应应力力，这这种种热热应应力力的的数数值值可可能能很很大大，甚甚至至达达到到屈屈服服极极限限水水平平，结结果果会会使使合合金金内内部部发发生生塑塑性性变变形形，从从而而促促进进滑滑移移面面析析出出的的形形成成。另另一一方方面面，固固溶溶淬淬火火所所产产生生的应力还会使零件发生变形甚至开裂。的应力还会使零件发生变形甚至开裂。第47页，本讲稿共54页（四）固溶处理后时效处理前的冷加工变形（四）固溶处理后时效处理前的冷加工变形 这这个个因因素素的的影影响响是是错错综综复复杂杂的的，并并由由于于所所用用的的实实验验方方法法不不统统一一，因因此此所所得得结结果果，往往往往是是矛矛盾盾的的，甚甚至至对对于于同一种合金，由于作者不同也会得出相反的结论。同一种合金，由于作者不同也会得出相反的结论。一一般般来来说说，塑塑性性变变形形能能够够诱诱发发固固态态相相变变，对对析析出出过过程程也也是是如如此此。固固溶溶处处理理后后时时效效处处理理前前的的的的冷冷加加工工变变形形能能加加速速时时效效过过程程并并提提高高时时效效处处理理后后的的最最高高硬硬度度 。另另外外冷冷加加工工变变形形还能促进平衡相的析出，部分甚至全部抑制无析出区的形成。还能促进平衡相的析出，部分甚至全部抑制无析出区的形成。第48页，本讲稿共54页形变时效对形变时效对Cu-Ag-Cr合金硬度的影响合金硬度的影响第49页，本讲稿共54页（五）时效处理的温度与持续时间（五）时效处理的温度与持续时间 时时效效处处理理温温度度是是个个重重要要的的影影响响因因素素，它它对对析析出出过过程程的的机机理理和和动动力力学学，以以及及合合金金在在时时效效后后的的结结构构、组组织织和和性性能能都都有有很很大大影影响响。如如冷冷时时效效与与温温时时效效多多是是以以此此来来区区分分的的。温温度度高高原原子子活活动动能能力力强强，析析出出速速度度加加快快，但但是是随随温温度度升升高高，过过饱饱和和度度及及自自由由能能之之差差也也减减小小，当当这这一一因因素素占占主主导导作作用用时时，析析出出速速度度又又将将降降低低，因因此此，在在一一定定温温度度范范围围内内，可可以以通通过过提提高高温温度度的的办办法法来来加加速速时时效效过过程。另外，温度升高，时效的阶段数将减小。程。另外，温度升高，时效的阶段数将减小。与与时时效效处处理理温温度度相相比比，时时效效处处理理时时间间是是个个次次要要的的因因素素。虽虽然然如如此此，如如果果采采用用人人工工时时效效，则则要要注注意意时时间间不不能能太太长长，以以免免发生过时效。发生过时效。第50页，本讲稿共54页时效处理对时效处理对Cu-Ag-Cr合金硬度的影响合金硬度的影响第51页，本讲稿共54页（六）两段时效（六）两段时效 所所谓谓两两段段时时效效就就是是行行在在某某一一等等温温温温度度进进行行第第一一次次时时效效，接着在另一个温度进行第二次时效。接着在另一个温度进行第二次时效。一一般般情情况况下下，第第一一次次时时效效采采用用较较低低的的温温度度，第第二二次次时时效效采采用较高的温度。用较高的温度。对对于于同同一一种种合合金金，即即在在溶溶质质浓浓度度相相同同的的情情况况下下，随随着着时时效效温温度度的的降降低低，由由于于固固溶溶体体过过饱饱和和度度的的增增加加，析析出出物物晶晶核核是是增增多多的的。第第一一次次时时效效的的目目的的即即在在于于获获得得弥弥散散度度较较大大的的析析出出物物。第第二二次次时时效效的的目目的的则则是是使使固固溶溶体体析析出出达达到到足足够够的的程程度度，并并使使析析出出物物长长成成一一定定的的尺尺寸寸。这这样样，与与常常规规的的一一段段时时效效相相比比，两两段段时时效效可可以以获获得得分分布布较较密密且且较较为为均均匀匀的的析析出出物。物。第52页，本讲稿共54页（七）时效后的回归（七）时效后的回归 许许多多时时效效型型合合金金在在发发生生时时效效（硬硬化化）以以后后，通通过过在在某某一一温温度度（该该温温度度的的位位置置处处于于平平衡衡相相甚甚至至过过渡渡相相的的固固溶溶度度曲曲线线以以下下）加加热热，时时效效硬硬化化现现象象会会基基本本上上消消除除，硬硬度度会会基基本本上上恢恢复复（回回归归）到到刚刚经经固固溶溶处处理理的的状状态态，这这种种现现象象称称为为回回归归。这这些些合合金金在在发发生生回回归归后后，当当再再次次进进行行时时效效时时，会会重重新发生硬化。新发生硬化。第53页，本讲稿共54页本章小结本章小结lAl-Cu合金的析出过程为：合金的析出过程为：相（相（Al基过饱和固溶体）、基过饱和固溶体）、G.P.区、区、相、相、相、相、相（平衡相相（平衡相CuAl2)。l析出的类型：局部析出、连续析出、不连续析出。析出的类型：局部析出、连续析出、不连续析出。l影响析出过程的因素。影响析出过程的因素。第54页，本讲稿共54页