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耿林哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学基础(材料相变原理)第7章合金的脱溶分解与时效从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子偏聚区及亚稳过渡相的过程称为脱溶。合金在脱溶过程中其机械性能、物理性能、化学性能等随之变化这种现象称为时效。合金在脱溶过程中硬度和强度升高的现象称为时效硬化或时效强化。时效硬化就是脱溶引起的沉淀硬化。具有时效现象的合金的最基本条件是在其相图上有溶解度的变化,并且固溶度随温度的降低而显著减小。时效硬化合金相图第7章合金的脱溶分解与时效固溶体合金加热到略低于固相线的温度,保温足够时间,使溶质原子充分溶解后立即淬火,得到亚稳定的过饱和固溶体,这种处理称为固溶处理。时效硬化合金相图经固溶处理的合金在室温下放置或加热到一定温度保持,合金将产生脱溶析出。析出相往往不是相图的平衡相,而是亚稳相或溶质原子的偏聚区。脱溶过程中过饱和固溶体逐渐变为饱和固溶体。室温下放置产生的时效称为自然时效,加热进行的时效称为人工时效。第7章合金的脱溶分解与时效Cu原子通过扩散,沿母相Al的{100}晶面偏聚富集,形成的薄片状的Cu原子富集区,称为G.P.区。G.P.区的形状:薄片状(与原子半径差有关)G.P.区的尺寸:片厚0.3-0.6nm,直径8nmG.P.区的晶体结构:与母相相同,面心立方G.P.区与基体的界面:完全共格7.1脱溶过程和脱溶物结构一、G.P.区的形成及其结构脱溶的一般过程:溶质原子聚集区→过渡相→平衡相以Al-4%Cu合金为例第7章合金的脱溶分解与时效Cu原子进一步扩散,G.P.区长大,形成有序结构,因其有一定的成分和结构,称为过渡相θ”。形核:由G.P.区转化或直接由固溶体析出θ”相的形状:薄片状θ”相的尺寸:片厚0.8-2nm,直径15-40nmθ”相的晶体结构:正方结构,a=0.404nm,c=0.76-0.86nmθ”相与基体的界面:完全共格7.1脱溶过程和脱溶物结构二、过渡相的形成与结构过渡相θ”的形成:第7章合金的脱溶分解与时效Cu原子进一步扩散,θ”相长大,点阵常数变化,成分接近Al2Cu,界面共格下降,称为过渡相θ’。θ’相的形状:片状θ’相的尺寸:进一步长大θ’相的晶体结构:正方结构,a=0.404nm,c=0.58nmθ’相与基体的界面:部分共格7.1脱溶过程和脱溶物结构二、过渡相的形成与结构过渡相θ’的形成:第7章合金的脱溶分解与时效θ’相进一步长大,点阵常数变化,界面共格消失,形成稳定化合物Al2Cu,称为平衡相θ。θ相的形状:块状θ相的尺寸:很大θ相的晶体结构:正方结构,a=0.607nm,c=0.478nmθ相与基体的界面:不共格7.1脱溶过程和脱溶物结构三、平衡相的形成第7章合金的脱溶分解与时效7.1脱溶过程和脱溶物结构第7章合金的脱溶分解与时效动力:自由能差形成G.P.区的动力△G1=a-b形成θ”相的动力△G2=a-c形成θ’相的动力△G3=a-d形成θ相的动力△G4=a-e△G1△G2△G3△G47.2脱溶热力学和动力学一、脱溶的热力学分析阻力:界面能,弹性应变能--与界面共格程度有关影响:成分因素。第7章合金的脱溶分解与时效在时效温度相同时,随溶质元素含量增加,固溶体过饱和度增大,脱溶相的临界晶核尺寸减小。在溶质含量相同时,随时效温度降低,固溶体过饱和度增大,临界晶核尺寸也减小。7.2脱溶热力学和动力学一、脱溶的热力学分析第7章合金的脱溶分解与时效有孕育期。时效温度升高,原子扩散速度提高,但固溶体过饱和度降低。过饱和度越小,脱溶过程的阶段越少。7.2脱溶热力学和动力学二、脱溶动力学及其影响因素等温脱溶C曲线第7章合金的脱溶分解与时效①时效温度的影响时效温度提高,原子活动能力增强,脱溶速度加快。时效温度升高,过饱和度降低,脱溶速度降低。选择适当的脱溶温度,加快时效过程。时效温度过高,G.P.区或过渡相可能不出现,并且析出相长大,时效强化效果降低。7.2脱溶热力学和动力学二、脱溶动力学及其影响因素影响脱溶动力学的因素第7章合金的脱溶分解与时效②合金成分的影响时效温度相同时,合金的熔点越低,原子间的结合力越弱,原子的活动能力越强,脱溶沉淀速度越快。溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大,固溶沉淀速度越快。固溶体的过饱和度越大,脱溶沉淀速度越快。其它合金元素的影响:溶质原子扩散速度,过渡相的析出速度,析出相的弥散度。7.2脱溶热力学和动力学二、脱溶动力学及其影响因素影响脱溶动力学的因素第7章合金的脱溶分解与时效③晶体缺陷的影响增加晶体缺陷,新相易于形成,使脱溶速度加快。G.P.区的形成与空位密度有关。过渡相的形成与位错密度有关。7.2脱溶热力学和动力学二、脱溶动力学及其影响因素影响脱溶动力学的因素第7章合金的脱溶分解与时效脱溶物在固溶体晶内均匀形核,析出物分布比较均匀。7.3脱溶后的显微组织一、连续脱溶及其显微组织连续均匀脱溶:在合金脱溶过程中,脱溶物附近基体中的浓度变化为连续的,称为连续脱溶。连续脱溶可分为均匀脱溶和非均匀脱溶。脱溶物在固溶体晶界或晶内滑移面及晶体缺陷处形核,析出物分布比较均匀。形成的组织与魏氏组织相似。连续非均匀脱溶:第7章合金的脱溶分解与时效7.3脱溶后的显微组织一、连续脱溶及其显微组织局部脱溶是脱溶相在晶界和滑移带等晶体缺陷处优先形核而发生的脱溶。因此脱溶相基本分布在晶界或滑移带上。晶界析出的同时,还会在晶界附近形成无析出带,一般认为是由于晶界附近空位密度降低,原子扩散困难所致。还有认为晶界附近位错密度降低而不易引起形核所致。无析出带降低合金的屈服强度,易导致晶间破坏,易发生电化学腐蚀。晶界无析出带组织照片第7章合金的脱溶分解与时效7.3脱溶后的显微组织二、非连续脱溶及其显微组织母相α与脱溶物中的α相的成分变化不连续,组织类似珠光体。称为非连续脱溶。非连续脱溶的显微组织特征时在晶界上形成界限明显的胞状物。胞状物由平衡脱溶物和贫溶质固溶体组成,与珠光体团类似。非连续脱溶形成胞状物时,一般伴随着基体再结晶,并优先发生于晶界上,又称为晶界再结晶反应型析出,简称晶界反应型析出。溶剂与溶质原子半径差较小时,易发生连续析出,半径差较大时,易发生晶界反应型析出。第7章合金的脱溶分解与时效7.3脱溶后的显微组织二、非连续脱溶及其显微组织连续脱溶和非连续脱溶的比较:(1)连续脱溶界面溶质浓度连续变化,非连续脱溶界面浓度突然变化。(2)连续脱溶不发生再结晶,非连续脱溶往往伴随再结晶。(3)连续脱溶析出物主要分布于晶内,分布较为均匀,有魏氏组织特征;非连续脱溶析出物主要集中于晶界,并形成胞状物。(4)连续脱溶属于长程扩散,非连续脱溶属于短程扩散。第7章合金的脱溶分解与时效7.3脱溶后的显微组织二、非连续脱溶及其显微组织脱溶产物显微组织变化顺序的三种情况:第7章合金的脱溶分解与时效7.4合金时效时的性能变化一、硬度变化随时效时间的延长,硬度逐渐升高的变化规律称为时效硬化曲线。时效温度较低时,随时间增加,硬度上升,到一定程度后保持不变,称为冷时效。提高时效温度,硬度上升速度块,达到的硬度值高,可以缩短时效时间。时效温度较高时,随时效时间增加,硬度先上升,到达峰值后再下降,称为温时效。极大值后硬度出现下降的现象称为过时效。提高时效温度,达到峰值需要的时间短,峰值硬度低,易出现过时效。冷时效形成G.P.区;温时效形成过渡相与平衡相。铝合金的冷时效与热时效的温度界限在100℃左右。第7章合金的脱溶分解与时效7.4合金时效时的性能变化一、硬度变化温时效的时效硬化曲线中会出现一个或几个硬度峰值。时效达到峰值硬度之前时,称为欠时效;达到硬度峰值的时效为峰时效。铝铜合金中,当铜含量低于3%时,只形成一个硬度峰,对应θ”强化;当铜含量高于3%时,形成两个硬度峰,分别对应G.P.区和θ”强化。产生多峰时效的原因:(1)时效过程每一个阶段的结构变化都可引起一个硬度峰;(2)发生不均匀脱溶和连续均匀脱溶的时间先后不同,两种脱溶所引起的硬化出现有先后之别。第7章合金的脱溶分解与时效7.4合金时效时的性能变化二、屈服强度的变化在一定温度下时效时,随时效时间延长,屈服强度提高,达到峰值后继续时效,屈服强度开始下降。时效初期,随时效时间延长,脱溶相逐渐增多长大,脱溶相之间的距离缩短,屈服强度增高,直至达到极大值。继续增加时效时间,脱溶相尺寸增大,脱溶相之间的距离也增大,屈服强度开始下降。屈服强度的变化与脱溶相之间的距离关系很大。第7章合金的脱溶分解与时效7.4合金时效时的性能变化二、屈服强度的变化G.P.区和θ”相尺寸很小,本身强度较低,位错切过比较容易,临界屈服应力较高,与基体中弹性应力场对位错运动的阻碍作用有关。θ’相尺寸较低且强度较高,位错难于切过,易于绕过,临界屈服应力较低,但由于形成位错环,使后续位错绕过变得困难,所以加工硬化率较高。θ相尺寸和间距更大,位错更易于绕过,临界屈服应力更低,但也由于形成位错环,加工硬化率也较高。第7章合金的脱溶分解与时效7.4合金时效时的性能变化三、回归现象合金时效硬化后,在脱溶相的固溶度曲线以下的某一温度加热,时效硬化现象会立即消除,硬度基本恢复到固溶处理状态,这种现象称为回归现象。合金回归后,再次进行时效处理,可重新发生硬化,但时效速度减慢。时效形成的G.P.区加热到一定温度时发生溶解,但过渡相和平衡相由于保温时间较短而来不及形成,快速冷却后,可得到过饱和固溶体。再次进行时效处理,可重新发生硬化。再次硬化速度较慢的原因是:回归处理温度较低,快冷到室温保留的空位浓度较低,扩散速度降低。第7章合金的脱溶分解与时效7.5铁基合金的脱溶与时效一、马氏体时效钢的脱溶及性能变化马氏体时效钢的碳含量很低,小于0.03%。加入大量镍,提高钢的淬透性,奥氏体化后空冷即可得到板条马氏体。典型代表是18Ni型钢。淬火马氏体因碳含量低,强度硬度均较低。经过450-500℃时效处理,马氏体中析出细小共格的Ni3M金属间化合物,屈服强度可以提高到1400-3500MPa。时效温度超过500℃,将发生马氏体逆转变,过时效引起强度降低。第7章合金的脱溶分解与时效7.5铁基合金的脱溶与时效二、铁基合金的淬火时效含Mo、W、V等元素的铁基合金淬火后进行时效,形成合金碳化物,将产生时效硬化现象。三、应变时效低碳钢淬火后进行塑性变形,再在较低温度下进行时效,C、N原子在偏聚在位错线附近,形成气团,或析出碳化物,钉扎位错,使钢的屈服强度升高。这种硬化现象称为应变时效。第7章合金的脱溶分解与时效7.6合金的调幅分解调幅分解是固溶体分解的一种特殊形式。它不存在形核阶段,按扩散偏聚机制,由一种固溶体分解为两种结构相同但成分不同的固溶体。调幅分解的产物只有溶质的富区和贫区,二者之间没有清晰的界面,因而具有很好的强韧性。在调幅分解过程中,富区中溶质原子进一步富化,贫区中的溶质原子进一步贫化。溶质原子从低浓度区向高浓度区扩散,发生上坡扩散。调幅分解过程中,新相与母相晶体结构相同,始终保持共格关系。调幅分解形成的新相在某一晶向优先长大(受弹性模量各向异性影响),具有定向排列的组织特征。调幅分解所得到的组织弥散度很大,具有较高的屈服强度和较好的韧性。作业题:1概念解释:固溶处理,脱溶,时效,时效合金的回归现象,调幅分解。2以Al-Cu合金为例,说明时效合金的脱溶过程及各种脱溶物的特征。第6章淬火钢回火时的转变
本文标题:哈工大《材料科学基础Ⅱ》(相变)8
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