合金的脱溶沉淀与时效

1、合金的脱溶沉淀与时效 定义：定义： 从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程为脱溶或沉淀。区以及亚稳定过渡相的过程为脱溶或沉淀。 条件：条件： 合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度的降合金在平衡状态图上有固溶度的变化，并且固溶度随温度的降低而减少。低而减少。将双相组织加热到固溶度线以将双相组织加热到固溶度线以上某一温度保温足够时间，将上某一温度保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体获得均匀的单相固溶体a相，这相，这种处理称为种处理称为固溶处理固溶处理。合金的脱溶沉淀与时效 若将经过固溶处理后

2、的若将经过固溶处理后的C C0 0成分合金急冷，抑制成分合金急冷，抑制a a相分解，则在室相分解，则在室温下获得亚稳的过饱和固溶体，若将此固溶体长期在室温或较高温下获得亚稳的过饱和固溶体，若将此固溶体长期在室温或较高温度下等温保持时，也将属性脱溶，这将提高合金的强度和硬度，温度下等温保持时，也将属性脱溶，这将提高合金的强度和硬度，称为称为沉淀强化或时效强化沉淀强化或时效强化。 在时效过程中，材料的在时效过程中，材料的机械性能、物理性能和化机械性能、物理性能和化学性能等均随之发生变化。学性能等均随之发生变化。根据时效温度的不同，可根据时效温度的不同，可将时效分为自然时效和人将时效分为自然时效和人

3、工时效。工时效。脱溶过程和脱溶物的结构 以以Al-4%CuAl-4%Cu合金为例，其室温平衡组织为合金为例，其室温平衡组织为a a相固溶体和相固溶体和相。但是相。但是在时效过程中，加热时效，胶溶顺序为：在时效过程中，加热时效，胶溶顺序为：1 1、G.P.G.P.区的形成及其结构区的形成及其结构 在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为在若干原子层范围内的溶质原子聚集区即称为G.P.G.P.区。区。它所具有的特点：它所具有的特点：l 在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均 匀分布。匀分布。l其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并

4、与母相保持共格关系；其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；l在热力学上是亚稳定的。在热力学上是亚稳定的。脱溶过程和脱溶物的结构 由于由于G.P.G.P.区与母相保持共格，区与母相保持共格，故其界面能较小，而弹性故其界面能较小，而弹性应变能较大，应变能较大，因此，因此，G.P.G.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半径区的形状与溶质和溶剂的原子半径差有关。差有关。 根据计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应变能根据计算，当析出物体积一定时，其周围的弹性应变能按球状按球状针状针状圆盘状的顺序依次减小。圆盘状的顺序依次减小。 一般认为，当溶质与溶剂的原子半径差小于一般认为，当溶质与溶

5、剂的原子半径差小于3 3时析出物时析出物呈球状，当原子半径差大于呈球状，当原子半径差大于5 5时析出物呈圆盘状。时析出物呈圆盘状。脱溶过程和脱溶物的结构 2 2、过渡相的形成及其结构、过渡相的形成及其结构l”的形成与结构的形成与结构 G.P.G.P.区形成以后，当时效时间延长或时效温度提高时，将形成区形成以后，当时效时间延长或时效温度提高时，将形成过渡相。（两种方式：原位形核和独立形核）过渡相。（两种方式：原位形核和独立形核） ”相与基体完全共格，仍为薄片状，随着长大，周围基体的应相与基体完全共格，仍为薄片状，随着长大，周围基体的应力和应变也增大。力和应变也增大。l在铝铜合金中，随着时效过在铝

6、铜合金中，随着时效过程的进展，片状程的进展，片状”相周围相周围的共格关的共格关 系部分遭到破坏，系部分遭到破坏，转变为新的过渡相转变为新的过渡相相。相。 相与基体部分共格。相与基体部分共格。脱溶过程和脱溶物的结构 3 3、平衡相的形成及结构、平衡相的形成及结构 在铝铜合金中，随着在铝铜合金中，随着相的成长，其周围基体中的应力和应变相的成长，其周围基体中的应力和应变不断增大，弹性应变能也会增大，则变得不稳定，将转变为稳定不断增大，弹性应变能也会增大，则变得不稳定，将转变为稳定相相（与基体完全不共格）。（与基体完全不共格）。脱溶热力学与动力学 合金在脱溶时的动力也是新相与母相的自由能差，阻力是新相

7、的合金在脱溶时的动力也是新相与母相的自由能差，阻力是新相的界面能和应变能。界面能和应变能。脱溶过程和脱溶物的结构 从上图可以看出，形成从上图可以看出，形成G.P.G.P.区进的相变驱动力最小，而析出平衡区进的相变驱动力最小，而析出平衡相时的相变驱动力最大。尽管形成相时的相变驱动力最大。尽管形成相时相变驱动力最大，但由相时相变驱动力最大，但由于于相与基体非共格，形核和长大时的界面能较大，所以不易长相与基体非共格，形核和长大时的界面能较大，所以不易长大。大。 脱溶动力学及影响因素脱溶动力学及影响因素时效温度越高，固溶体的时效温度越高，固溶体的过饱和度就越小，脱溶过过饱和度就越小，脱溶过程的阶段也就

8、越少；而在程的阶段也就越少；而在同一时效温度下合金的溶同一时效温度下合金的溶质原子浓度越低，其固溶质原子浓度越低，其固溶体过饱和度就越小，则脱体过饱和度就越小，则脱溶过程阶段也越少。溶过程阶段也越少。脱溶过程和脱溶物的结构 影响因素：影响因素：l晶体缺陷的影响；（空位、位错、层错）晶体缺陷的影响；（空位、位错、层错）l合金成分的影响；（合金的熔点、浓度）合金成分的影响；（合金的熔点、浓度）l时效温度的影响；时效温度的影响；脱溶后的显微组织脱溶后的显微组织1 1、连续脱溶：在合金的脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变、连续脱溶：在合金的脱溶过程中，脱溶物附近基体中的浓度变化为连续的即称为连续脱溶

9、。化为连续的即称为连续脱溶。 均匀脱溶均匀脱溶 非均匀脱溶（多数脱溶）非均匀脱溶（多数脱溶）脱溶后的显微组织 2 2、非连续脱溶（胞状脱溶）、非连续脱溶（胞状脱溶） 因其脱溶物中的因其脱溶物中的a a相和母相相和母相a a之间的溶质浓度不连续而称为非连之间的溶质浓度不连续而称为非连续脱溶。续脱溶。 脱溶过程和脱溶物的结构胞状组织和珠光体组织的区别在于：胞状组织和珠光体组织的区别在于：由共析转变形成的珠光体中由共析转变形成的珠光体中两相（两相（+Fe3C)+Fe3C)与母相在结构和成分上完全不同，而由非连与母相在结构和成分上完全不同，而由非连续脱溶所形成的胞状物的两相（续脱溶所形成的胞状物的两相

10、（0 01+1+）中必有一相的结）中必有一相的结构与母相相同，只是其溶质原子浓度不同而已。构与母相相同，只是其溶质原子浓度不同而已。 脱溶过程和脱溶物的结构 以以连续脱溶连续脱溶非连续脱溶非连续脱溶不伴生再结晶不伴生再结晶再结晶再结晶分散于晶粒内部，较均匀分散于晶粒内部，较均匀分布在晶界上，胞状结构分布在晶界上，胞状结构长程扩散长程扩散知识扩散知识扩散脱溶过程中显微组织的变化：脱溶过程中显微组织的变化：l 连续非均匀脱溶加均匀脱溶；连续非均匀脱溶加均匀脱溶；l非连续脱溶加连续脱溶；非连续脱溶加连续脱溶；l仅发生非连续脱溶；仅发生非连续脱溶；脱溶过程和脱溶物的结构脱溶时效时的性能变化 时效硬化：

11、时效硬化： 随时间的延长，硬度将进一步升高，称为时效硬化。随时间的延长，硬度将进一步升高，称为时效硬化。 冷时效：在较低温度下进行的时效；冷时效：在较低温度下进行的时效； 温时效：在较高温发生的时效；温时效：在较高温发生的时效；脱溶过程和脱溶物的结构 以以时效硬化机制时效硬化机制 时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的，可以按位错通过析出相的方式不同将时效硬化机制分为以下三，可以按位错通过析出相的方式不同将时效硬化机制分为以下三类：类：脱溶时效时的性能变化 以以l内应变强化：内应变强化：由于在析出相由于在析出相周围产生不均匀

12、畸变区，即周围产生不均匀畸变区，即形成不均匀应力场。形成不均匀应力场。l切过析出相颗粒强化切过析出相颗粒强化 当位错切过颗粒时，不仅需当位错切过颗粒时，不仅需要克服析出相颗粒所造成的应要克服析出相颗粒所造成的应力场，还由于切过之后增加力场，还由于切过之后增加的表面能。的表面能。l绕过析出相强化绕过析出相强化按此方式向前移动进所需的按此方式向前移动进所需的切应力切应力为为过时效的本质是什么？过时效的本质是什么？回归现象：时效型合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的固回归现象：时效型合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的固溶度曲线以下某一温度加热，时效感化现象会立即消除，硬度溶度曲线以下某一温度加热，

13、时效感化现象会立即消除，硬度恢复到固溶处理状态。恢复到固溶处理状态。脱溶时效时的性能变化 回归现象的实质：通过时效形成的回归现象的实质：通过时效形成的G.P.G.P.区在加热到稍高于区在加热到稍高于G.P.G.P.区固溶度曲线的温度时，区固溶度曲线的温度时，G.P.G.P.区发生溶解，而过渡相和平衡相区发生溶解，而过渡相和平衡相则由于保温时间过短而来不及形成，再次快冷至室温后仍获得则由于保温时间过短而来不及形成，再次快冷至室温后仍获得过饱和固溶体。过饱和固溶体。 回归时速度很快（存在空位）；回归时速度很快（存在空位）；l 铁基合金的脱溶与时效铁基合金的脱溶与时效 以马氏体时效钢为例讲述时效硬化

14、以马氏体时效钢为例讲述时效硬化钢的脱溶。钢的脱溶。 马氏体时效钢中的强化相为金属间化合物。马氏体时效钢中的强化相为金属间化合物。 强化元素有：强化元素有：BeBe、TiTi、AlAl、MoMo、NbNb等元素；等元素；脱溶时效时的性能变化合金的调幅分解时效强化的原因有二：时效强化的原因有二： 1 1、由于溶质原子向位错偏聚；、由于溶质原子向位错偏聚； 2 2、由于不断从马氏体基体中析出大量弥散分布的超显微的金、由于不断从马氏体基体中析出大量弥散分布的超显微的金属间化合物质点。属间化合物质点。应变时效：纯铁或低碳钢经形变后时效时产生的硬化现象；应变时效：纯铁或低碳钢经形变后时效时产生的硬化现象； 合