第7章 过饱和固溶体脱溶分解

1、1第七章第七章 过饱和固溶体的脱溶分解过饱和固溶体的脱溶分解脱溶分解脱溶分解：由过饱和固溶体析出新相或形成原子偏聚的过程。：由过饱和固溶体析出新相或形成原子偏聚的过程。条件条件：固溶体的溶解度随温度的降低发生变化。：固溶体的溶解度随温度的降低发生变化。得到过饱和固溶体的方法得到过饱和固溶体的方法：将合金加热到固溶线以上一定温：将合金加热到固溶线以上一定温度保温足够时间，得到均匀的单相固溶体，然后快冷至室温，度保温足够时间，得到均匀的单相固溶体，然后快冷至室温，即可得到过饱和固溶体。这个过程称为即可得到过饱和固溶体。这个过程称为固溶处理固溶处理。过饱和固溶体的分解方法过饱和固溶体的分解方法：将经

2、固溶处理的合金加热到固溶：将经固溶处理的合金加热到固溶线一下某一温度保温一定时间，可实现过饱和固溶体的分解。线一下某一温度保温一定时间，可实现过饱和固溶体的分解。这一过程称为这一过程称为时效时效。时效：时效： 自然时效自然时效人工时效人工时效T=T=室温室温时效强化时效强化- -沉淀强化沉淀强化TT室温室温2第一节第一节 铝合金在时效过程中组织和性能的变化铝合金在时效过程中组织和性能的变化发现：发现：淬火淬火Al-Cu-Mn-Mg合金在室温下硬度逐渐升高合金在室温下硬度逐渐升高时效硬化现象。时效硬化现象。光学显微镜下无变化。光学显微镜下无变化。1920年年Merica在确定了几种元素在在确定了

3、几种元素在Al中的固溶度曲线后，中的固溶度曲线后，提出原因：在固溶度曲线以下从过饱和固溶体中析出了某提出原因：在固溶度曲线以下从过饱和固溶体中析出了某种能够提高合金性能的细小的第二相。种能够提高合金性能的细小的第二相。采用采用X射线结构分析和电子显微分析技术证实。射线结构分析和电子显微分析技术证实。3一一、Al-Cu合金在时效过程中的硬度变化合金在时效过程中的硬度变化达到脱溶分解达到脱溶分解的条件的条件4欠时效、时效欠时效、时效峰峰、过时效过时效随温度升高最大随温度升高最大硬度降低，且峰硬度降低，且峰值时间缩短，值时间缩短，温度较低时峰值温度较低时峰值前出现硬度平台前出现硬度平台5Al-CuA

4、l-Cu合金合金室温平衡组织为：室温平衡组织为： （AlAl2 2CuCu） 的实际过程要经过形成三个中间相的实际过程要经过形成三个中间相来完成。来完成。区GPsss二、二、Al-Cu合金在时效过程中的微观组织变化合金在时效过程中的微观组织变化在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为：非平衡相非平衡相平衡相平衡相6(1)GP区区 GP区是溶质原子区是溶质原子(Cu)偏聚区，在偏聚区，在100面上偏聚。面上偏聚。此区内晶体结构与基体相同并此区内晶体结构与基体相同并与基体共格，无明显界面与基体共格，无明显界面。 GP区是区是1938年年Guinier和和Preston各

5、自独立用各自独立用X射线衍射线衍射发现的，故称射发现的，故称GP区。区。7(2) 相相 随着时效时间的延长，将形成介稳相随着时效时间的延长，将形成介稳相 ,成分接近于成分接近于Al2Cu,正方点阵。正方点阵。 可能是可能是GP区溶解再析出形成，亦可由区溶解再析出形成，亦可由GP区转化。区转化。呈盘状，与母相有一定取向关系。这种盘状共格沉淀物在基体呈盘状，与母相有一定取向关系。这种盘状共格沉淀物在基体内产生内产生较大弹性应变较大弹性应变，可使合金明显强化。，可使合金明显强化。8 随着时效温度的升高和时间的延长，将析出介稳随着时效温度的升高和时间的延长，将析出介稳相相 。成分近似成分近似Al2Cu

6、，正方点阵，正方点阵,但轴比但轴比c/a相对于相对于 下降，下降，与基体的界面为与基体的界面为半共格关系半共格关系。(3) 相相9， 经更高温度或更长时间的时效经更高温度或更长时间的时效,将析出平衡相将析出平衡相 ,成分为成分为Al2Cu，正方点阵，轴比，正方点阵，轴比c/a相对于相对于 又又下降。下降。与基体非共格，界面能较高与基体非共格，界面能较高。(4) 相相10GP区区GP区区+ + + 11”GPT脱溶沉淀动力学图脱溶沉淀动力学图动力学特点：动力学特点： 1. 曲线呈曲线呈C型；型； 2. 存在孕育期；存在孕育期； 3. 反映温度、时间反映温度、时间对脱溶沉淀过程的影响对脱溶沉淀过程

7、的影响规律。规律。12回归现象：回归现象： 时效强化后的时效强化后的AlCu合金，加热到稍合金，加热到稍高温度，短时保温再迅速冷却，时效硬化高温度，短时保温再迅速冷却，时效硬化效果基本消失，硬度和塑性基本恢复到固效果基本消失，硬度和塑性基本恢复到固溶处理状态，称为回归。实质是溶处理状态，称为回归。实质是GP区和区和 的加热回溶。的加热回溶。回归再时效回归再时效13非均匀形核非均匀形核晶界晶界无沉淀析出带无沉淀析出带14(a)(c)(e)(b)(d)(f)铝合金在不同温度下热暴露后的SEM(a)未热暴露; (c)100; (e)150; (g)200; (i)250; (k)300;非均匀形核非

8、均匀形核晶界晶界15非均匀形核非均匀形核位错位错16第二节第二节 钢的回火转变钢的回火转变将淬火钢加热到将淬火钢加热到以下某一温度，保温后以适当以下某一温度，保温后以适当方式冷至室温的一种热处理工艺。方式冷至室温的一种热处理工艺。回火是淬火后不可缺少的热处理工艺。回火是淬火后不可缺少的热处理工艺。原因原因：1. 1. 淬火钢具有高的硬度和大的淬火应力，除低碳钢外，一淬火钢具有高的硬度和大的淬火应力，除低碳钢外，一般都很脆。因此，淬火钢实际上无法直接使用，必须进行般都很脆。因此，淬火钢实际上无法直接使用，必须进行回火。回火。2. 2. 淬火钢的组织是：淬火钢的组织是：马氏体马氏体+ +残余奥氏体

9、残余奥氏体。 M、残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有、残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有向铁素体和渗碳体稳定状态转化的趋势。向铁素体和渗碳体稳定状态转化的趋势。17回火的目的：回火的目的： 减少或消除淬火工件的内应力，防止变形或开减少或消除淬火工件的内应力，防止变形或开裂；裂； 降低脆性，提高钢的塑性和韧性；降低脆性，提高钢的塑性和韧性； 稳定钢的组织和尺寸；稳定钢的组织和尺寸； 获得所需的强度、硬度、塑性、韧性的配合，获得所需的强度、硬度、塑性、韧性的配合，以满足不同的工件性能要求。以满足不同的工件性能要求。181 1、马氏体中碳原子的偏聚（马氏体中碳原子的偏聚（2020

10、100100）2 2、马氏体分解（马氏体分解（100100250250）3 3、残余奥氏体的转变（残余奥氏体的转变（250250300300）4 4、碳化物的转变（碳化物的转变（250250400400）5 5、渗碳体的聚集长大和渗碳体的聚集长大和相的再结晶（相的再结晶（400400以上）以上）一、淬火钢在回火时的组织转变一、淬火钢在回火时的组织转变191 1、马氏体中碳原子的偏聚（、马氏体中碳原子的偏聚（2020100100） 马氏体是马氏体是C在在-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体，呈体心正方晶格，呈体心正方晶格，C原子分布在体心立方的扁八面体间隙之中，造成了很大的原子分布在体心立方的

11、扁八面体间隙之中，造成了很大的弹性应变，因此升高了马氏体的能量；加之马氏体晶体中弹性应变，因此升高了马氏体的能量；加之马氏体晶体中存在较多的微观缺陷，也使马氏体能量增高，使存在较多的微观缺陷，也使马氏体能量增高，使马氏体处马氏体处于不稳定状态于不稳定状态。 在在100以下回火时，铁及合金元素的原子难以扩散，但以下回火时，铁及合金元素的原子难以扩散，但C、N等间隙原子尚可进行短距离的近程扩散。当等间隙原子尚可进行短距离的近程扩散。当C、N原子扩原子扩散到微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。因此，马氏体散到微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。因此，马氏体中过饱和的中过饱和的C、N原子将向微观缺陷处偏聚

12、。原子将向微观缺陷处偏聚。20对于对于板条马氏体板条马氏体，因有大量位错，碳原子倾向于偏，因有大量位错，碳原子倾向于偏聚在位错附近，形成偏聚区而降低马氏体的能量。聚在位错附近，形成偏聚区而降低马氏体的能量。对于对于片状马氏体片状马氏体，亚结构为孪晶，没有足够的位错，亚结构为孪晶，没有足够的位错线容纳碳原子，因此，除少量碳原子可向位错偏聚线容纳碳原子，因此，除少量碳原子可向位错偏聚外，大量碳原子将沿外，大量碳原子将沿100M或孪晶面或孪晶面112M偏聚，偏聚，形成薄片状偏聚区。形成薄片状偏聚区。这些偏聚区的含碳量高于马氏体的平均含碳量，为这些偏聚区的含碳量高于马氏体的平均含碳量，为碳化物的析出创

13、造了条件。碳化物的析出创造了条件。212 2、马氏体分解、马氏体分解（80250）在100以上回火时，马氏体开始发生分解，从过饱和固溶体中析出弥散的-碳化物，同时，马氏体中碳浓度降低。随着回火温度的升高，马氏体中的碳过饱和度不断下降，正方度减小。1 1）高碳）高碳M M的分解的分解2 2）低、中碳）低、中碳M M的分解的分解221）高碳）高碳M的分解的分解 结构分析发现高碳M在较低温度分解时，出现两种不同的正方度的相，一种与淬火时得到的高碳M相近，另一种为低碳M，这种情况被称为双相分解。当回火温度升高时，相变的只有一种正方度，成为单相分解。 原因：温度较低时，C原子扩散较慢，形成高碳区和低碳区

14、，而温度较高时，C原子的扩散相对较快，从而消除C原子浓度的差别 当回火温度高于300后，回火后的相的正方度等于1时，M分解结束。23 随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低； 高碳钢的碳浓度随回火温度升高降低很快； 碳钢在200以上回火时，在一定的回火温度下，马氏体具有一定的碳浓度，回火温度越高，马氏体的碳浓度越低。 回火马氏体：经过低温分解后的马氏体2）低、中碳）低、中碳M的分的分解解低碳低碳M的转变温度较高，在淬火过程中就回发生的转变温度较高，在淬火过程中就回发生C的偏聚甚的偏聚甚至自回火。至自回火。Ms点高时在较低温度时不发生碳化物的析出，点高时在较低温度时不发生碳化物的析出，只能在

15、较高温度回火后析出碳化物只能在较高温度回火后析出碳化物24 回火时间回火时间对马氏体中含碳对马氏体中含碳量的影响较小，马氏体的量的影响较小，马氏体的碳浓度在回火初期下降很碳浓度在回火初期下降很快，随后趋于平缓；快，随后趋于平缓； 回火温度回火温度越高，回火初期越高，回火初期碳浓度下降越多。碳浓度下降越多。253、残余奥氏体的转变残余奥氏体的转变（250300） 含碳量大于0.4%的碳素钢淬火后，组织中总含有一定量的残余奥氏体。 残余A与过冷A的不同之处 M转变使得残余A中的C含量相对较高 M相变产生应力使得残余A可能发生变形和热稳定化等 残余A的转变 向P和B转变 向M转变26 残余奥氏体的转

16、变与原来过冷奥氏体的转变在本质上是相同的，转变的温度区间也相同，只是转变的速度不同。 所以，合金钢中的残余奥氏体也具有和过冷奥氏体相似的C曲线。 原始A与残余A转变的区别： 残余奥氏体向贝氏体转变速度加快，而向珠光体转变速度减慢。 a) 残余奥氏体在珠光体形成温度范围内回火时，先析出共析碳化物，随后分解为珠光体残余残余A向向P和和B的转变的转变27 残余残余A在加热到在加热到Ms以下时会发生以下时会发生M分解，但是这种分解是分解，但是这种分解是在淬火在淬火M分解后才能发生分解分解后才能发生分解 残余残余A在较高温度回火后，若残余在较高温度回火后，若残余A的稳定化程度比较高的稳定化程度比较高在回

17、火过程中不发生分解，则在随后的淬火过程中会转变在回火过程中不发生分解，则在随后的淬火过程中会转变成成M，称为，称为“二次淬火二次淬火”。 残余残余A的稳定化的的稳定化的原因原因： C、N原子与位错交互作用的结果，即在淬火中断时原子与位错交互作用的结果，即在淬火中断时C、N等间隙原子偏聚到位错周围形成气团，增加位错运动的阻等间隙原子偏聚到位错周围形成气团，增加位错运动的阻力，从而增加力，从而增加A的稳定性阻止的稳定性阻止A向向M转变转变 另外还有一些设想，但是不能解释一些现象。另外还有一些设想，但是不能解释一些现象。残余残余A向向M的转变的转变284、碳化物的转变（250400） 马氏体分解和残

18、余奥氏体转变时由于由于C含量和含量和回火温度的不同可能形成几种碳化物：回火温度的不同可能形成几种碳化物： -碳化物（FeFe2.42.4C C，密排六方，密排六方）是亚稳定相 -碳化物（分子式为Fe5C2，具有单斜晶格）a) -碳化物（渗碳体Fe3C）29 低碳钢（wc0.2%），不形成-碳化物，直接单相分解形成渗碳体 中碳钢（0.2%wc0.4%），高于100时析出亚稳-碳化物，在250以上时，亚稳-碳化物转变成较为稳定的-碳化物，在，在300以上时以上时亚稳-碳化物和-碳化物转变成渗碳体，在转变成渗碳体，在450以上全部转变成渗碳体。以上全部转变成渗碳体。 强碳化物形成的元素强碳化物形成的

19、元素，在较低温度时，扩散不易只能形成亚，在较低温度时，扩散不易只能形成亚稳碳化物和渗碳体。随着温度的升高，将形成合金渗碳体稳碳化物和渗碳体。随着温度的升高，将形成合金渗碳体（FeM）3C，温度高于，温度高于500后形成合金碳化物。后形成合金碳化物。 转变方式：转变方式： 原位生成：在原位生成：在和和F界面形成合金碳化物界面形成合金碳化物 独立形核长大：在一些能量较高的缺陷处形核长大独立形核长大：在一些能量较高的缺陷处形核长大305、相的再结晶（ 400以上 ）当回火温度升高后，F基体将发生回复（1）回复和晶粒长大 低、中碳钢的淬火M中有大量的位错，这些位错在回复初期将通过滑移和攀移使得部分消失

20、。同时有部分板条界面消失，相邻板条合并成宽的板条。剩余的位错相互缠结成胞块。400以上时，回复非常明显，板条形状不明显，只能看到边界不清晰的亚晶块。但是有碳化物钉扎晶界，不会出现再结晶的现象。 高碳钢主要为孪晶型M，在250以上回火时孪晶开始消失，到400以上时孪晶完全消失，保留片状M的特征成为回火托氏体，在600以上回火时，片状M特征消失得到的组织成为回火索氏体31（2）内应力消失）内应力消失内应力分类内应力分类： 第一类（宏观区域）：工件内外温差和相变引起的整个试第一类（宏观区域）：工件内外温差和相变引起的整个试样各处都存在的内应力样各处都存在的内应力 第二类（围观区域）：晶粒间的温差和相

21、变引起的围观区第二类（围观区域）：晶粒间的温差和相变引起的围观区域的内应力域的内应力 第三类：晶格畸变和共格关系产生弹性畸变引起的内应力第三类：晶格畸变和共格关系产生弹性畸变引起的内应力内应力的变化内应力的变化 不管是哪种内应力都会随着回火温度的升高和时间的延长不管是哪种内应力都会随着回火温度的升高和时间的延长都会逐渐消失，首先消失的是第三类，依次为第二类和第都会逐渐消失，首先消失的是第三类，依次为第二类和第一类内应力的消失，应力的消失温度随材料的变化有所变一类内应力的消失，应力的消失温度随材料的变化有所变化，一般在化，一般在500以上回火以上回火1h后内应力基本会消失后内应力基本会消失32二

22、、淬火钢在回火时力学性能的变化二、淬火钢在回火时力学性能的变化 在200以下回火时硬度降低很少，塑性变化不大 在200以上回火时硬度开始开始降低；塑性不变 温度超过超过300时时，回火硬度、强度、弹性极限越低，塑性指标上升。1、低碳钢回火后的力学性能：、低碳钢回火后的力学性能：332、高碳钢回火后的力学性能、高碳钢回火后的力学性能 高碳钢采用完全淬火时，高碳钢采用完全淬火时，如 果 回 火 温 度 低 于如 果 回 火 温 度 低 于300，则仍处于脆性，则仍处于脆性状态；状态； 如 果 回 火 温 度 高 于如 果 回 火 温 度 高 于300，则所得的综合，则所得的综合力学性能并不比低温回

23、力学性能并不比低温回火的低碳马氏体好。火的低碳马氏体好。343、中碳钢回火后的力学性能：、中碳钢回火后的力学性能： 在在250以前回火后，强度塑以前回火后，强度塑性变化不大，处于脆性断裂性变化不大，处于脆性断裂 在在300以后回火，强度和硬以后回火，强度和硬度逐渐降低，塑性增加。度逐渐降低，塑性增加。 从强度和塑性的匹配上中碳从强度和塑性的匹配上中碳钢也并不比低碳钢有优势。钢也并不比低碳钢有优势。 较好的弹性性能，所以用作较好的弹性性能，所以用作弹簧的中碳钢弹簧的中碳钢 有高的弹性极限、疲劳极限、有高的弹性极限、疲劳极限、抗应力松弛性能和适当的冲抗应力松弛性能和适当的冲击韧度，特别是抗多次冲击

24、击韧度，特别是抗多次冲击的能力，用作结构件的能力，用作结构件35三、合金钢在回火时力学性能变化的特点三、合金钢在回火时力学性能变化的特点 合金元素对回火转变和组织性有很大影响，可归纳为三合金元素对回火转变和组织性有很大影响，可归纳为三个方面：个方面： 延缓钢的软化，即提高淬火延缓钢的软化，即提高淬火钢的回火抗力；钢的回火抗力； 原因原因：合金与：合金与C及及F的相互作的相互作用，影响用，影响C的扩散和的扩散和M的分解的分解从而提高回火抗力从而提高回火抗力 发生二次硬化现象；发生二次硬化现象； 原因原因：析出的合金碳化物的：析出的合金碳化物的弥散强化弥散强化 影响钢回火后的脆性。影响钢回火后的脆性。36回火脆性： 有些钢在某一温度范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。低温回火脆性 （ 250400）高温回火脆性 （450650，回火后慢冷）四、回火四、回火脆性脆性37不可避性：几乎所有的钢种都会产生低温回火脆性不可逆性：产生低温回火