第8八章 合金脱溶沉淀与时效.ppt

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1、第八章第八章 合金的脱溶沉淀与时效合金的脱溶沉淀与时效一、概念一、概念二、合金脱溶过程二、合金脱溶过程三、脱溶热力学三、脱溶热力学四、脱溶动力学四、脱溶动力学五、脱溶的分类及显微组织五、脱溶的分类及显微组织六、脱溶时的性能变化六、脱溶时的性能变化七、回归现象（固溶处理）七、回归现象（固溶处理）八、调幅分解八、调幅分解返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效时效时效时间效应所引起的合金性能变化。时间效应所引起的合金性能变化。脱溶（时效的实质）脱溶（时效的实质）-从过饱和固溶体中析出第二相从过饱和固溶体中析出第二相(沉淀相沉淀相)或形成溶质原或形

2、成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程。属扩散型相变。子聚集区以及亚稳定过渡相的过程。属扩散型相变。一、概念一、概念过饱和过饱和固溶体固溶体 析析 出出 固溶处理固溶处理 饱和饱和固溶体析出相固溶体析出相 （固溶淬火）（固溶淬火）固溶处理固溶处理 速冷速冷 人工时效人工时效 自然时效自然时效 Tt AB过饱和过饱和 饱和饱和析出相析出相 溶质偏聚区溶质偏聚区亚稳过渡相亚稳过渡相稳定第二相稳定第二相返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效基本条件：基本条件：有固溶度变化曲线（随有固溶度变化曲线（随T降低而减小）降低而减小）形成有限固溶体形成有限

3、固溶体生产应用：生产应用：有色金属及沉淀硬化不锈钢等强化的主要手段。有色金属及沉淀硬化不锈钢等强化的主要手段。AB返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效二、合金脱溶过程二、合金脱溶过程一般地：一般地：G.P区形成区形成 过渡相形成过渡相形成 平衡相形成平衡相形成 G.P区形成区形成：在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效二、合金脱溶过程二、合金脱溶过程一般地：一般地：G.P区形成区形成 过渡相形成过渡相形成 平衡

4、相形成平衡相形成 G.P区形成区形成：在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。G.P区特点（区特点（P147）1)过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度很快，均匀形核，均匀分布；很快，均匀形核，均匀分布；2)晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持共格关系；母相保持共格关系；3)热力学上亚稳热力学上亚稳性能变化性能变化 硬度上升硬度上升G.P区形状区形状一般：溶质一般：溶质/溶剂原子半径差大，溶剂原子半径差大，弹性应变能大，以盘状析出；弹性应变能大，以盘状析出；溶质溶质/溶剂原子半径差

5、小，溶剂原子半径差小，弹性应变能小，以球状析出。弹性应变能小，以球状析出。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效二、合金脱溶过程二、合金脱溶过程一般地：一般地：G.P区形成区形成 过渡相形成过渡相形成 平衡相形成平衡相形成 G.P区形成区形成：在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。在若干个原子层范围内的溶质原子富集区。过渡相形成过渡相形成 平衡相形成（平衡相形成（）以以 G.P.区为基础逐渐转变为过渡相，区为基础逐渐转变为过渡相，Al-Cu 过渡相独立地形核长大过渡相独立地形核长大,Al-Ag合金合金 Al(100%)0.75Al+0.25

6、CuCu(100%)0.75Al+0.25CuAl(100%)CuAl2长大到破坏共格关系时长大到破坏共格关系时 4.044.044.044.047.685.86.0666.0664.87相相abc与基体关系与基体关系 共格共格 半共格半共格 非共格非共格 母相母相4.044.044.04返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效4.044.044.044.047.685.86.0666.0664.87相相abc与基体关系与基体关系 共格共格 半共格半共格 非共格非共格 母相母相4.044.044.04返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SM

7、SE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效共格关系共格关系返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效举例：举例：钢的回火：钢的回火：C偏聚偏聚 钒钢：钒钢：Fe2-4C Fe3 C V4C3 VC钨钢：钨钢：Fe2-4C Fe3 C W3C W3C/W23C6 WC钼钢：钼钢：Fe2-4C Fe3 C Mo3C MoC返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效几种时效硬化型合金的析出系列几种时效硬化型合金的析出系列 返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8

8、脱溶与时效脱溶与时效三、脱溶沉淀过程的热力学三、脱溶沉淀过程的热力学三、脱溶沉淀过程的热力学三、脱溶沉淀过程的热力学 脱溶时的能量变化符合一般的固态相变规律。脱溶时的能量变化符合一般的固态相变规律。脱溶驱动力脱溶驱动力新相和母相的化学自由能差，新相和母相的化学自由能差，脱溶阻力脱溶阻力脱溶相的界面能和应变能。脱溶相的界面能和应变能。由由G.P.能量逐渐降低。能量逐渐降低。相变驱动力，相变驱动力，最大，最大，G.P.最小最小但相变难易程度还需考虑相变阻力。但相变难易程度还需考虑相变阻力。实际脱溶过程可表示为：实际脱溶过程可表示为：0 1G.P.2 3 平衡平衡 返 回下一页上一页 本章首页固态相

9、变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效0 1G.P.2 3 平衡平衡 G.P区形成共格界面，界面区形成共格界面，界面能低，所需形核功较小；且能低，所需形核功较小；且G.P区与基体浓度差区与基体浓度差 较小，易较小，易通过扩散形核并长大，所以一通过扩散形核并长大，所以一般脱溶时先形成般脱溶时先形成G.P.区。区。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效四、脱溶沉淀过程动力学四、脱溶沉淀过程动力学四、脱溶沉淀过程动力学四、脱溶沉淀过程动力学 如图，脱溶沉淀的各个阶段均有独如图，脱溶沉淀的各个阶段均有独立的立的C C曲线，且已相

10、互交叉在一起。曲线，且已相互交叉在一起。n孕育期长短取决于温度和过饱和度孕育期长短取决于温度和过饱和度 TT，扩散，扩散；过饱和度过饱和度，驱动力，驱动力 综合使动力学曲线呈综合使动力学曲线呈C C型。型。n中间过渡相的数目取决于母相的中间过渡相的数目取决于母相的 过饱和程度及温度：过饱和程度及温度：过饱和度高，中间过渡相数目多过饱和度高，中间过渡相数目多 过冷度大，过渡相多。过冷度大，过渡相多。脱溶过程是通过扩散进行的。因此过饱和固溶体的等温脱脱溶过程是通过扩散进行的。因此过饱和固溶体的等温脱溶动力学曲线也呈溶动力学曲线也呈C C形。形。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUM

11、T原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效五、脱溶的分类及显微组织五、脱溶的分类及显微组织连续脱溶连续脱溶在脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续。在脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续。均匀脱溶均匀脱溶 析出物均匀分布在基体中的连续脱溶。实际上均匀析出物均匀分布在基体中的连续脱溶。实际上均匀脱溶很少。脱溶很少。非均匀脱溶非均匀脱溶 析出物优先在晶界、亚晶界、滑移面、孪晶界面、析出物优先在晶界、亚晶界、滑移面、孪晶界面、位错及其它缺陷处。位错及其它缺陷处。A.A.滑移面析出的非均匀脱溶滑移面析出的非均匀脱溶 B.B.晶界析出的非均匀脱溶晶界析出的非均匀脱溶特征：原子长程扩散特征：原子

12、长程扩散 返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效非连续脱溶非连续脱溶在脱溶过程中，脱溶的两相耦合成长，脱溶物附近基体中的浓度变化为在脱溶过程中，脱溶的两相耦合成长，脱溶物附近基体中的浓度变化为非连续。非连续。特征特征1：析出相从晶界不均匀形核，然后向晶内扩展：析出相从晶界不均匀形核，然后向晶内扩展第一步：第一步：在过饱和在过饱和1相中溶质原子首先在晶界处偏聚，并在晶界处脱溶相中溶质原子首先在晶界处偏聚，并在晶界处脱溶析出析出相；相；第二步：第二步：相

13、长入母相相长入母相0中，并在中，并在相两侧出现原子贫化区相两侧出现原子贫化区1相相重复第一步和第二步过程。重复第一步和第二步过程。特征特征2：析出相呈层片状与相邻贫化区组成类似珠光体团的胞状组织。：析出相呈层片状与相邻贫化区组成类似珠光体团的胞状组织。特征特征3：晶界形成胞状物时一般伴随着基体再结晶。：晶界形成胞状物时一般伴随着基体再结晶。特征特征4：原子短程扩散：原子短程扩散0 +1(+0)返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效 非连非连非连非连续脱续脱续脱续脱溶的溶的溶的溶的机理机理机理机理示意示意示意示意图图图图 返 回下一页上一页

14、本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效非连续脱溶过程与珠光体转变相似，但二者本质不同。非连续脱溶过程与珠光体转变相似，但二者本质不同。非连续脱溶非连续脱溶 是析出强化相，且是析出强化相，且0、1相结相结构相同；构相同；珠光体转变珠光体转变 中中、相结构不相同。相结构不相同。非连续脱溶过程与连续脱溶过程区别：非连续脱溶过程与连续脱溶过程区别：说明：说明：0 1+Fe3C 无无 长程长程短程短程 连续连续不连续不连续 连续脱溶连续脱溶非连续脱溶非连续脱溶种类种类组织形态组织

15、形态脱溶位置脱溶位置再结晶再结晶原子扩散原子扩散界面浓度界面浓度项目项目晶界晶内晶界晶内（均匀分布）（均匀分布）胞状胞状有有晶界晶界多样化，晶界无沉淀带多样化，晶界无沉淀带返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效五、脱溶的分类及显微组织五、脱溶的分类及显微组织金属固态相变原理金属固态相变原理金属固态相变原理金属固态相变原理P156P156图图图图7.97.9连续脱溶连续脱溶（非均匀脱溶均匀脱溶）（非均匀脱溶均匀脱溶）先发生连续非均匀脱溶，随后发生连续均匀脱溶。先发生连续非均匀脱溶，随后发生连续均匀脱溶。析出相均匀分布在与母相结构相同的固溶体中

16、。析出相均匀分布在与母相结构相同的固溶体中。非连续脱溶连续脱溶非连续脱溶连续脱溶 先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组织，伴有再结晶发生，随后发生连续脱溶，析出相均匀织，伴有再结晶发生，随后发生连续脱溶，析出相均匀分布在与母相结构相同的固溶体中。析出物发生粗化和分布在与母相结构相同的固溶体中。析出物发生粗化和球化。球化。非连续脱溶非连续脱溶 先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组先发生非连续脱溶，析出物在晶界集结形成胞状组织，伴有再结晶发生，析出物发生粗化和球化。织，伴有再结晶发生，析出物发生粗化和球化。返 回下一页上一页 本章首页固态

17、相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效六、脱溶沉淀时的性能变化六、脱溶沉淀时的性能变化1 2+1、冷时效和温时效、冷时效和温时效冷时效：冷时效：较低温度下进行的时效较低温度下进行的时效 其硬度一开始迅速上升，其硬度一开始迅速上升，达到一定值后恒定达到一定值后恒定冷时效温度越高，硬度上升愈快，冷时效温度越高，硬度上升愈快，能达到的硬度值越高能达到的硬度值越高故可用提高时效温度的办法故可用提高时效温度的办法 缩短时效时间缩短时效时间冷时效主要形成冷时效主要形成G.P区区 返 回下一页上

18、一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效六、脱溶沉淀时的性能变化六、脱溶沉淀时的性能变化1 2+1、冷时效和温时效、冷时效和温时效温时效：温时效：较高的时效温度下进行，较高的时效温度下进行，有孕育期，然后硬度迅速上升有孕育期，然后硬度迅速上升,达到极值后随时间延长而下降。达到极值后随时间延长而下降。（过时效）（过时效）温时效温度越高，硬度上升速度越快，温时效温度越高，硬度上升速度越快，但能达到的最大硬度值越低，但能达到的最大硬度值越低，越容易出现过时效。越容易出现过时效。温时效析出的是过渡相与平衡相温时效析出的是过渡相与平衡相。返 回下一页上一页 本章首页

19、固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效时效时引起硬度变化的因素：时效时引起硬度变化的因素：1）固溶体的贫化）固溶体的贫化2）基体的回复与再结晶）基体的回复与再结晶3）新相的析出）新相的析出前期冷时效前期冷时效后期温时效后期温时效使硬度随时效时间延长而单调下降使硬度随时效时间延长而单调下降使硬度升高使硬度升高但当析出相与母相共格关系被破坏但当析出相与母相共格关系被破坏及析出相粗化后，硬度又将下降。及析出相粗化后，硬度又将下降。（G.P区，区，）返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效2、时效硬化机制、时效硬化机制内应变

20、强化内应变强化 由于析出相由于析出相与母相与母相1的点阵结构和点阵参数不同，在的点阵结构和点阵参数不同，在析出相周围将产生不均匀畸变区，不均匀应力场；析出相周围将产生不均匀畸变区，不均匀应力场；由于析出相由于析出相间距比母相间距比母相1的点阵距离增大，使位错大的点阵距离增大，使位错大都处于能谷位置，当外力作用时，位错线从能谷位置都处于能谷位置，当外力作用时，位错线从能谷位置移到能峰位置将使能量上升而增加变形抗力，强度增移到能峰位置将使能量上升而增加变形抗力，强度增加。加。1 2+返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效2、时效硬化机制、时效硬

21、化机制切过析出颗粒强化切过析出颗粒强化 当析出相颗粒位于位错线滑移面上，位错线可以切过当析出相颗粒位于位错线滑移面上，位错线可以切过析出相颗粒而强行通过，引起强化，原因：析出相颗粒而强行通过，引起强化，原因：位错需要克服析出相颗粒的应力场位错需要克服析出相颗粒的应力场;析出相颗粒表面积增大析出相颗粒表面积增大,增加表面能和畸变能增加表面能和畸变能1 2+返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效绕过析出相强化绕过析出相强化 当析出相聚集长大，析出相间距增大，析出相比较硬时，当析出相聚集长大，析出相间距增大，析出相比较硬时，位错线不能以切过方式通

22、过时，可绕过析出相。位错线不能以切过方式通过时，可绕过析出相。强化机制：强化机制：WC线弯曲，长度增加，形成新的位错环，均需增加外线弯曲，长度增加，形成新的位错环，均需增加外力做功，表现为强度增加；力做功，表现为强度增加；留下的位错环对下一根位错通过也产生阻力，引起形变留下的位错环对下一根位错通过也产生阻力，引起形变强化。强化。位错线绕过所需外力位错线绕过所需外力=2Gb/L L析出相颗粒间距，析出相颗粒间距，L愈小、愈小、愈大，强化效果愈强。愈大，强化效果愈强。2、时效硬化机制、时效硬化机制返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效返 回下一

23、页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效n 时效硬化曲线解释时效硬化曲线解释：1)1)初期初期:形成形成 G.P.G.P.区区与母相保持共格关系，具有内应变强化效应，再加与母相保持共格关系，具有内应变强化效应，再加上切过强化效应而使硬度显著升高。上切过强化效应而使硬度显著升高。随着时效时间的延长，随着时效时间的延长，G.P.G.P.区数量增多，区数量增多，硬度升高。当硬度升高。当 G.P.G.P.区数量达到平衡值时硬度不再增加，出现平台。区数量达到平衡值时硬度不再增加，出现平台。n 2)2)中期：析出的中期：析出的相相也与母相保持共格关系，内应变强化，

24、位错线可也与母相保持共格关系，内应变强化，位错线可以切过以切过相，故相，故相的析出使硬度和强度进一步升高，并随相的析出使硬度和强度进一步升高，并随相数量相数量及尺寸的增加而增加。当及尺寸的增加而增加。当相粗化到位错线能够绕过时，随着颗粒尺寸和相粗化到位错线能够绕过时，随着颗粒尺寸和颗粒间距的增大，硬度开始下降，出现过时效。颗粒间距的增大，硬度开始下降，出现过时效。n 3)3)后期：析出后期：析出相时相时，与母相保持半共格关系，且形成后很快粗化到，与母相保持半共格关系，且形成后很快粗化到位错线可以绕过的尺寸，半共格关系很快被破坏，因此位错线可以绕过的尺寸，半共格关系很快被破坏，因此相出现不久硬度

25、相出现不久硬度即开始下降。即开始下降。相的析出只能导致硬度下降。相的析出只能导致硬度下降。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效七、回归现象七、回归现象 将时效型合金在时效强化后，于平衡线或过渡相将时效型合金在时效强化后，于平衡线或过渡相的固溶曲线以下某一温度加热，时效硬化立即消失，的固溶曲线以下某一温度加热，时效硬化立即消失，组织又恢复到固溶状态下的现象。组织又恢复到固溶状态下的现象。返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效八、调幅分解八、调幅分解 由一种固溶体分解为结构由一种固溶体分解

26、为结构相同而成分不同的两种固相同而成分不同的两种固溶体。成分自动调整，分溶体。成分自动调整，分解产物解产物1 、2只有溶质富只有溶质富区和贫区，两者没有清晰区和贫区，两者没有清晰的相界。的相界。1 +2 ABX1 2 GT返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效八、调幅分解八、调幅分解 分解过程：分解过程：1）成分连续变化）成分连续变化2）按正弦曲线变化）按正弦曲线变化3）按上坡扩散进行。）按上坡扩散进行。1 +2 返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效组织与性能组织与性能调幅分解过程中新

27、旧相始终保持共格关系。调幅分解过程中新旧相始终保持共格关系。调幅组织弥散度非常大（调幅波长小），有极好的弥散强调幅组织弥散度非常大（调幅波长小），有极好的弥散强化效应，故强度较高。化效应，故强度较高。无位错的过分堆积，保证材料有较好的塑性。无位错的过分堆积，保证材料有较好的塑性。调幅组织具有明显的规律性和方向性，因而具有良好的物调幅组织具有明显的规律性和方向性，因而具有良好的物理性能（如导磁和屏磁）。理性能（如导磁和屏磁）。八、调幅分解八、调幅分解 1 +2 返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效学习指学习指南南动动 画画视视 频频重重 点点与难点与难点现现 场场应应 用用教教 学学习习 题题知知 识识拓拓 展展返 回下一页上一页 本章首页固态相变,SMSE,CUMT原理篇原理篇8 脱溶与时效脱溶与时效习题：习题：1、简述时效的一般过程和时效硬化机制。、简述时效的一般过程和时效硬化机制。2、不连续脱溶与珠光体转变有何相同点和不同点。、不连续脱溶与珠光体转变有何相同点和不同点。