(哈工大)有色金属热处理工艺学权威课件-1-2-3全剖析

有色金属的热处理-有色金属的基本介绍黑色金属有色金属钢铁材料。非铁金属。有色金属的分类：有色轻金属：密度小于4.5g/cm3的金属材料（铝、镁、锂等）；有色重金属：密度大于4.5g/cm3的金属材料（铜、镍、铅、锡等）；稀有金属：地壳含量稀少的金属（锆、钨、钼、铌、钽等）；贵金属：（金、银、铂族金属）有色金属和合金的性能，取决于成分、组织、加工过程、热处理过程。有色金属的强化途径有色金属的强化途径：冷变形强化；固溶强化；沉淀强化；过剩相强化；细化组织强化；纤维增强复合强化。有色金属的强化途径冷变形强化冷变形也称作冷作硬化。金属材料在再结晶温度以下的变形称为冷变形。冷变形后材料即被强化，强化程度随变形程度、变形温度及材料本身性质有关。同种材料在同一温度下冷变形时，变形程度越大则强度越高，但延伸率降低。图Cu-Zn合金压下量与力学性能的关系图几种有色金属屈服强度与压下量的关系有色金属的强化途径冷变形强化冷变形强化是金属材料常用的强化方式之一，适用于工业纯材，固溶体型合金及热处理不强化的多相合金。某些合金冷变形时能形成较好的织构而在一定方向上强化，称为织构强化。金属材料发生冷变形强化的原因是：冷变形时金属内部位错密度增大，而且位错互相缠结，形成胞状结构，阻碍位错运动，使不能移动的位错数量剧增，以致需要更大的力才能使位错克服障碍而运动。变形程度越大，上述情况越严重，则材料的变形抗力越大，强度越高。有色金属的强化途径固溶强化合金元素固溶到基体金属中形成固溶体时，合金的强度、硬度一般都会得到提高，称为固溶强化。可贵的是，对合金进行固溶强化时，强度、硬度得到提高的同时，塑性还能保持在良好的水平上。合金元素溶入基体金属之后，使机体金属中的位错密度增加，同时晶格发生畸变。畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金元素聚集到位错附近，形成“气团”，位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起移动，或从气团中挣脱出来，因此需要更大的切应力。合金元素对基体金属的强化效果主要取决于合金元素原子与基体金属原子的尺寸差别。一般原子尺寸差别越大，对置换固溶体的强化效果可能越大。有色金属的强化途径固溶强化采用固溶强化合金时，应挑选强化效果高的合金元素。但更重要的是选择在基体金属中固溶度大的合金元素，因为固溶体强化效果随被固溶的元素百分含量增大而增加。例如：Cu，Mg是Al合金的主要合金元素；Al，Zn是Mg合金的主要合金元素；Zn，Al，Sn是Cu合金的主要合金元素。进行固溶强化时，往往采用多元少量的复杂合金化原则（即多种合金元素同时加入，但每种元素加入量少），使固溶体的成分复杂化，这样可以使固溶体的强化效果更高，并能保持到较高的温度。有色金属的强化途径沉淀强化在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低温度加热（时效），过饱和固溶体发生分解，析出弥散相，引起合金的强化，称为沉淀强化。通过这种强化方法，合金的强度可以提高百分之几十至几倍。沉淀强化是Al，Mg，Cu等有色金属材料常用的有效强化手段。沉淀强化的效果取决于合金的成分、淬火后固溶体过饱和度、强化相特性、分布以及弥散度等因素。强化效果最好的合金位于极限溶解度成分及其附近的成分范围。图二元系相图d为B在A中的极限固溶度t为成分为d的合金的最佳淬火温度有色金属的强化途径沉淀强化试验证明，过饱和固溶体的分解要经过一个过程，一般对大多数合金来说，开始是溶质元素扩散、偏聚、形成无数溶质元素富集的亚显微区域，成为G.P.区；随时效时间的延长，或时效温度的升高，G.P.区长大为过渡相（具有一种中间过渡的与母相共格的晶体结构），而后才形成析出相（具有独立的非共格晶体结构）。将金属氧化物或难熔化合物的超细粉末与基体金属的粉末混合烧结，也可以得到弥散强化材料。这种材料在基体金属上分布着高温下很稳定的弥散难熔质点，耐热性能很好。有色金属的强化途径沉淀强化图Al-Mg二元相图图纯镁图Mg-1%Al图Mg-3%Al图Mg-6%Al图Mg-6%Al有色金属的强化途径过剩相强化过量的合金元素加入到基体金属中，一部分溶入固溶体，超过极限溶解度的部分则不能溶入，形成过剩第二相，简称过剩相。过剩相对合金一般都有强化作用，其强化效果与过剩相本身性能有关，过剩相的强度、硬度越高，强化效果越大。但硬脆过剩相含量超过一定限度后，合金变脆，性能反而降低。此外，还与过剩相的形态、大小、数量和分布有关。等轴、细小和均匀分布时的强化效果最好。粗大、沿晶界分布或呈针状时合金变脆，强度也不高。另外，还与过剩相与基体之间的界面强度有关。将金属氧化物或难熔化合物的超细粉末与基体金属的粉末混合烧结，也可以得到弥散强化材料。这种材料在基体金属上分布着高温下很稳定的弥散难熔质点，耐热性能很好。有色金属的强化途径过剩相强化过剩相强化在有色金属合金中应用广泛，几乎所有在退火状态使用的两相合金都应用了过剩相强化，或者是固溶强化与过剩相强化的联合应用。过剩相强化与沉淀强化有相似之处。区别在于，沉淀强化时，强化相极为细小，弥散度大，在光学显微镜下观察不到；而在过剩相强化合金时，强化相粗大，用光学显微镜低倍既能看到。有色金属的强化途径过剩相强化图Mg-Si二元相图图Mg-0.5%Si图Mg-1%Si图Mg-1%Si图Mg-3%Si图Mg-3%Si有色金属的强化途径组织细化强化组织细化，对单相合金说是指晶粒细化，对多相合金说是指基体相晶粒的细化及过剩相的细化。细化组织可以提高材料在室温下的强度和塑性，是金属材料常用的强韧化方法之一。晶界上原子排列错乱，杂质富集，并有大量位错等缺陷，而且晶界两侧的晶粒位向不同，这些都阻碍位错从一个晶粒向另一个晶粒运动。晶粒越细小，单位体积内界面面积越大，对位错运动的阻力也越大，合金的强度越高。在熔炼浇注合金时，采用避免金属溶液过热、搅动、降低浇注温度、增大冷却速度等措施，有利于获得细晶粒铸件。对于变形合金的组织细化，一般可采用变形及再结晶方法。有色金属的强化途径组织细化强化铸造合金的组织细化可采用变质处理，即浇注前在合金溶液中加入被称为变质剂的元素或化合物，使金属溶液的结晶过程受到影响，结晶为细密组织。（1）加入适当难熔质点作为非自发晶核。晶核数目大量增加，结晶晶粒细小；（2）在金属熔液中加入微量、易熔表面活性物质，吸附在所形成的微小晶体表面，把晶体与熔液隔开，阻碍晶体长大。（3）加入微量的、对初生晶体有化学作用从而改变其结晶性能的物质，可以使初生晶体的形状改变。变质处理方法，不仅能细化初生晶粒，也能细化共晶体和粗大过剩相，或改变它们的形状。有色金属的强化途径纤维增强复合强化用高强度纤维同适当基体材料相结合，以强化基体材料的方法，称为纤维增强复合材料。增强纤维有碳纤维、难熔化合物纤维（Al2O3，SiC，BN，TiB2等）和难熔金属纤维（钨、钼等）。金属基体材料主要有铝、钛、镍、镁等。金属基复合材料的强化机理与固溶强化、弥散强化等不同。主要不是靠阻碍位错运动，而是靠纤维与基体之间良好的结合强度。由于基体材料的良好塑性和韧性，纤维高的强度，使整个材料具有很高的抗拉强度以及优异的韧性。有色金属的热处理热处理在金属材料及其制品的生产过程中的主要作用：改善工艺性能，保证下一道工序的顺利进行。例如均匀化退火可以改善热加工性能，中间退火可以改善冷加工性能；提高使用性能，充分发挥材料的潜力。例如航空工业中广泛应用的LY12硬铝，经过淬火和时效处理后，抗拉强度可以从196MPa提高至392-490MPa；热处理过程：加热---保温---降温冷却。有色金属的热处理有色金属及其合金最常用的热处理方法：退火；固溶处理（淬火）；时效；变形热处理；化学热处理退火在金属材料的半成品或者制成品中常常存在有残余应力、成分不均匀、组织不稳定等缺陷，严重影响合金的工艺性能和使用性能，例如塑性低、耐蚀性差、力学性能差等。要消除或者减少这些缺陷，则需要进行退火。退火：加热到适当温度-----保温一定时间-----缓慢速度冷却。去应力退火；再结晶退火；均匀化退火；退火退火图去应力退火、再结晶退火和均匀化退火规范示意图去应力退火去应力退火：铸件、焊接件、切削加工件、塑性变形件的内部往往存在很大的残余应力，使合金的应力腐蚀倾向大大增加，组织及力学性能稳定性显著降低。因此，必须进行退火。去应力退火是把合金加热到一个较低温度（低于材料再结晶开始温度），保持一定时间，以缓慢的速度冷却的热处理工艺。冷却速度视合金能否热处理强化而定，对可热处理强化的合金要缓慢冷却。在去应力退火的温度范围内保温，原子活动能力增加，消除或减少某些晶格中的缺陷（例：同一滑移系中异号为错相互抵消、空位及原子扩散的相互抵消等）。从而使晶格弹性畸变能下降，保证合金制品的尺寸稳定，应力腐蚀倾向下降，但合金强度和硬度基本不下降。去应力退火质量的主要因素是加热温度：过高，则工件强度和硬度大幅降低；过低，则需要长时间加热才能充分消除内应力，影响生产效率。再结晶退火再结晶退火：把工件加热到再结晶温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却的工艺。再结晶退火的目的：细化晶粒，充分消除内应力，降低合金的强度和硬度，提高塑性。再结晶过程是一个形核和晶核长大（聚集再结晶）的过程。为了获得细小的晶粒组织，必须正确控制加热温度、保温时间和冷却速度三个因素。对同一合金而言，加热温度越高，保温时间就要越短。否则将很快进入再结晶晶核长大阶段；加热温度越低，保温时间就要越长。否则再结晶过程不充分，达不到再结晶退火的目的。根据现有工业有色金属合金再结晶退火温度统计表明，最佳再结晶退火温度为：0.7-0.8Tm（Tm为合金熔点的绝对温度）。再结晶退火金属在冷变形后加热，开始再结晶的最低温度称为再结晶起始温度。一般所说的再结晶温度是指冷变形70%以上，在一小时保温时间之内能完全再结晶的最低温度。影响再结晶温度的主要因素：变形程度：变形程度越大，再结晶温度越低；成分：材料成分越纯，再结晶温度越低。合金元素扩散系数越小，固溶体成分越复杂，再结晶温度可能越高；第二相质点性质：合金为两相混合物时，对于不承受塑性变形的硬质点，当其尺寸大，间距大时，将加速基体相的再结晶。对于能同基体一起塑性变形的第二相质点，对基体相的再结晶不起促进作用。再结晶退火再结晶退火的冷却速度：在加热或者冷却过程中有溶解和析出相变，因而有热处理强化效果的合金进行再结晶退火时，冷却速度关系很大。这类合金在加热及保温过程中，强化相将溶入固溶体，并在冷却时又从固溶体中析出。若冷却速度很慢，强化相能从固溶体中充分析出，并长大为颗粒状，则合金的强度、硬度降低，塑性增大；若冷却速度快则获得过饱和固溶体；冷速稍慢，但不够慢，则强化相只能称弥散状态析出，来不及聚集粗化，此时合金的硬度将仍然很高，特别是热处理强化效果大的合金更是如此。因此对热处理强化效果大的合金进行再结晶软化退火时，必须以很慢的速度冷却，例如超硬铝软化退火时须以每小时30°C的冷速冷至150-200°C，然后才能空冷。再结晶退火后合金的强度、硬度降低，塑性变形能力显著提高。因此在材料冷变形加工过程中，当加工硬化使变形难以继续进行时，常对材料进行再结晶退火，使其软化，这种便于继续变形加工的退火称为中间退火。再结晶退火图加热温度对冷塑性变形金属的性能和组织的影响均匀化退火浇注铸件和铸锭时，由于冷速过快，会使结晶在不平衡状态下进行。常常出现偏析、不平衡共晶体、第二相晶粒粗大以及硬脆相沿晶界分布等缺陷，使合金的强度、硬度及抗腐蚀性严重降低。为消除此类缺陷，必须进行均匀化退火。即将合金加热到接近熔点的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却。在均匀化退火过程中，温度高，原子扩散快，枝状偏析消失，沿晶界分布的不平衡共晶体和不平衡相被溶解。在均匀化温度下是过饱和固溶体，保温过程中将析出过剩相。有的过剩相可能被球化，从而显著提高合金的塑性以及组织稳定性。合金化程度较高的变形合金铸锭，一般都进行均匀化退火，以提高它们的塑性变形能力。