固态相变原理Ch3-1重构.ppt

固态相变原理,哈尔滨工业大学材料学院,重构型相变过程中 涉及大量的化学键被破坏，原子近邻的拓扑关系也要产生显著的变化； 新相与母相间在晶体学上没有明确的位向关系； 由于相变经历了很高的势垒，相变潜热很大，因而相变进展的相当缓慢； 属于一级相变。 固态金属中的相变以重构型相变所涉及范围最广、种类最多。,第三章 重构型固态相变,重构型固态相变分类,3.1 脱溶沉淀（转变/分解）,1. 沉淀的条件固溶体的溶解度随温度发生变化,脱溶沉淀的概念：固溶体的溶解度随温度变化，合金在高温时是单相，冷却到低温时变成不稳定的过饱和固溶体，它将会脱溶分解。,在温度为T1的单相区内均匀化后，冷却至溶解度T2以下：沉淀相的体积分数和弥散度由冷却速度控制。 先进行固溶处理，从T1急速冷却到室温，然后重新加热至两相区保温(时效)使沉淀相得以析出，沉淀相的体积分数和弥散度由时效温度和保温时间控制。,2. 沉淀的分类,连续,不连续,起始,途中,终了,连续沉淀和不连续沉淀示意图,连续沉淀（脱溶）和不连续沉淀（脱溶）,镍基高温合金相的形状（a）球形；（b）立方形,连续均匀沉淀析出相的形状与界面能和应变能有关,连续均匀沉淀形成的魏氏组织 Si-Mn-Al，800C缓冷,连续不均匀脱溶：沉淀相优先在晶界、位错等处形核长大,Al-Ag合金Ag2Al脱溶相在晶界处不均匀脱溶,铁镍基合金中胞状（不连续） 脱溶产物的TEM像,不连续沉淀（脱溶）,不连续与连续脱溶主要区别,母相和沉淀相的自由焓-成分关系曲线,3. 沉淀的驱动力,Ce,相变驱动力：Go（CD） 形核驱动力：GN（EF）,4.普遍沉淀（连续沉淀）,Al-Cu合金为例，沉淀过程,合金脱溶时遵循一定的脱溶顺序。脱溶合金析出的早期产物及过渡相往往与母相是共格和半共格的，通常利用这些弥散析出物使合金硬化，发展成所谓时效硬化合金。,生产应用： 有色金属与沉淀强化不锈钢主要的强化手段！,界面能增大， G*增大,沉淀序列：GP区、 、 、,Al-Cu系合金脱溶过程各阶段在某一等温温度下的成分自由能关系曲线示意图,G.P.区、 、 相周边母相的晶格畸变示意图,Al-Cu合金中、 及 相的晶体结构与形貌,G.P.区形成：在若干个原子层范围内的溶质原子(Cu)富集区。 主要特征： 晶体结构与基体相同并与基体共格，呈盘状，盘面垂直于基体低弹性模量方向。 过饱和固溶体的分解初期形成，形成速度很快，均匀分布； 硬度上升。,G.P.区,这类产物无法用金相显微镜观测到，在1938年有Guinier和Preston各自分别借助X射线检测到，所以称这类为G.P.区。,G.P.区,G.P.区 形状,溶质/溶剂原子半径差大，弹性应变能大，盘状析出 例如：Al-Cu合金 溶质/溶剂原子半径差小，弹性应变能小，球状析出 例如：Al-Ag合金。,G.P.区透射电子显微像 （a）Al-2at%Cu合金的GP区（圆盘状）；（b） Al-1at%Ag合金GP区高分辨像,GP区结构的场离子显微镜图,表征方法,相,相形成：随着时效时间的延长，将形成介稳相 ， 可以 G.P.区为基 础逐渐转变形成，也可以独立形核长大形成(Al-Ag合金) 主要特征： 其厚度为210nm，直径为30150nm，成分接近CuAl2； 具有正方点阵a=b=0.404nm（与基体点阵常数一致）, c=0.78nm ； 与基体完全共格。,与基体呈共格状态，并产生弹性应变，这种共格应变是导致合金强化的重要原因。,相,相,相形成：随着时效时间的延长与温度的升高，将形成介稳相 ， 主要特征： 它同样具有正方点阵，a=b=0.404nm, c=0.58nm,成分近似CuAl2 ， 与基体半共格， 优先在位错处形核。,相,相,相的形成：经更高温度与更延长时间的时效将析出平衡相. 主要特征： 它具有正方点阵，a=b=0.606nm, c=0.487nm，与基体非共格。,Al-Cu合金时效硬化曲线,时效硬化：脱溶合金随着脱溶过程硬度升高的现象。,时效过程中Al-Cu合金的硬度变化如图所示，从图可以看出，最大强化效果是在析出阶段，当 大量形成时，硬度开始下降（过时效）。,工程应用：双级时效,5. 沉淀析出的影响因素,(1) 晶体缺陷,过饱和空位的作用： 促进G.P.区的形成; 以多种方式提供非均匀形核的位置；,(b) 位错的作用：促进的沉淀,(c) 晶界的作用：平衡相优先形核的位置,合金沉淀过程中，晶界处的局部沉淀往往在紧靠晶界附近两侧出现无沉淀区或称无析出带（Precipitate Free-Zone-PFZ）,5. 沉淀析出的影响因素,无沉淀区（无析出带）,Al-Zn-Mg合金不同冷却速度下的无析出区的透射电镜照片,水淬,油淬,5. 沉淀析出的影响因素,无沉淀区（无析出带）的形成机制,空位贫化机制 溶质贫化机制,固溶温度（t1t2），固溶温度越高，PFZ 越窄； 时效温度（t1t2），时效温度越高，PFZ 越宽；,固溶处理温度 及时效温度对 无析出带影响,空位浓度,固溶处理后冷却速