第六章淬火与时效(2)

1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院第六章 无多型性转变合金的 淬火与时效 （2） 6.5 6.5 时效前后合金性能的变化时效前后合金性能的变化 6.6 6.6 影响时效过程及材料性能的因素影响时效过程及材料性能的因素 6.7 6.7 淬火（固溶处理）与时效规程淬火（固溶处理）与时效规程中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院6.5 6.5 时效前后合金性能的变化时效前后合金性能的变化6.5.1 6.5.1 力学性能力学性能时效时间硬度合金成分、时效温度、力学性能的变化关系IIIGenerally, a peak corresponds to a kind

2、of precipitate.For Al-Cu alloys, there can be more than 4 peaks resulted from the formation of GP, , and .However, there is also the case where different peaks can not be discriminated, or one peak corresponds to several kinds of precipitates.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院时效强化机制解析：位错与脱溶质点间的相互作用时效强化机制解

3、析：位错与脱溶质点间的相互作用 Orowan机制：位错绕过机制 切割机制：短程作用（界面，反相畴）、长程作用 Interpretation: Microstructure contains a number of heterogeneities, which can contribute both to localization of plastic flow, and to initiation and propagation of crack. In order of decreasing size, the heterogeneities include intermetallic pa

4、rticles, quench induced intergranular and intragranular precipitates, and precipitate-free zones situated at the grain boundaries. Failure Modes: intermetallic decohesion, intergranular fracture and intragranular fracture. 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Orowan机制：位错绕过机制机制：位错绕过机制中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工

5、程学院位错环绕机制（Orowan机制）强化理论12/102/12/32ln23rafrdrGbfKbRT02ln4rRKGbTDislocation theory：K=1 for screw, K=1- for knife, is poisson coefficient, G is shear module, b burgers vector, r0 radius of dislocation, R half of the distance between particles, f volume fraction, r radius of particle.中南大学中南大学金属材料热处理MSE

6、_材料科学与工程学院切割机制强化作用切割机制强化作用（以10b为界限，小于10b为短程作用； 大于10b为长程作用）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-短程作用-(1) 界面能增加导致的额外切应力计算：界面能增加导致的额外切应力计算：rbA2新增面积：新增能量：Ab 1for a single particlerfrbfA32322/122/32/11 . 1rGbfaIf the fact that dislocation will be incurvated in front of precipitate istaken into account, the above

7、 equation becomes tofor all particles in a unit area.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院(2) 反相畴界能增加导致的附加切应力机算：反相畴界能增加导致的附加切应力机算：ordered particles2/122/32/128. 0rbGfA可见短程作用中，增加的切应力具有以下形式2/12/1rBfParabolic-type 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-长程作用-(3) 长程作用计算：两应变场的相互作用长程作用计算：两应变场的相互作用2/16/52/133314 .27rfbETwhere

8、 E is Youngs module, , a function of the mismatch of lattices of the 2 phase. The other parameters have the conventional meanings. If the increase of the stress needed to incise the particles excesses that introduced by the long-range effect, then the long-range effect is to be neglected. 中南大学中南大学金属

9、材料热处理MSE_材料科学与工程学院两种机制的相互作用两种机制的相互作用-强化与沉淀粒子尺寸的关系强化与沉淀粒子尺寸的关系2/12/1rBf12/1raf质点半径强化增量开始阶段：粒子小、共格，易被切割后阶段：大、半共格或非共格，绕过In real alloys, larger volume and finer particles; strain field中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Fracture Model: For fracture controlled by void nucleation at second phase particles, fractu

10、re toughness is expressed as:6/1VICfKfv is volume faction of the second phase,(but not applicable to 7XXX Al alloys)If fracture is controlled by the heterogeneity of plastic flow,cyICnK hardening exponent, yield stress, decohesionstress and particle space. Standard: a criticalstrain to failure at th

11、e crack tip. Related to theFracture of the second particles.1121GBPFZf2/ 1PFZRICEK中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院6.5.2 6.5.2 物理性能物理性能电阻电阻：随时效时间变化。 在高导电高强度铜基合金的低温时效中，过饱和度降低提高导电率，但脱溶质点增加电子散射。 Al-Ag合金出现反常，电阻连续增加-G.P区共格作用。 基体固溶量、脱溶质点尺寸、脱溶量、应变场等因素。磁性磁性：居里点几乎只与固溶体成分有关。 连续脱溶时随时间连续改变，不连续脱溶时有两个居里点。 矫顽力、剩磁、磁能积等指

12、标是结构敏感的。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院6.5.3 6.5.3 耐蚀性耐蚀性一般：单相合金比多相合金更具耐蚀性-微电池作用小。时效三阶段中各种腐蚀情况强度抗应力腐蚀时效时间/温度局部脱溶时：晶界、滑移面等优先腐蚀。 局部脱溶后普遍脱溶会使电势差减小，腐蚀减弱；过时效后沉淀相粗化，质点间距增加，原电池数少。可见：人工时效时，对应于局部脱溶的某一阶段晶间腐蚀速率会出现最大。-晶间腐蚀抗力最小。应力腐蚀：固溶状态有好的应力腐蚀抗力。晶间腐蚀：自然时效时倾向低于人工时效；过时效态高应力腐蚀：趋势与晶间腐蚀的不同。硬铝自然时效态对应力腐蚀最敏感，人工时效次之，过时效最低。

13、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院S30400奥氏体钢富Cr碳化物析出后，促进晶界优先腐蚀中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院6.6 影响时效过程及材料性能的因素影响时效过程及材料性能的因素合金成分塑性变形固溶处理时效制度其他因素几个根本方面：缺陷，第二相（体积分数、分布、尺寸、形貌等），基体（均匀度、晶粒度等）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-影响时效的因素-T硬化增量BC4C3C2C1C0C5C6C6.6.1 6.6.1 合金成分的影响合金成分的影响主要组元：参与时效的第二相的量少量组元： 可溶性、不可溶性 影响第二相的溶解

14、与析出 （包括影响脱溶相的稳定、 与空位等的结合，或者选 择性吸附于某些界面，或 抑制不连续脱溶）Insolvable element exerts no effecton aging, not like the solvable ones中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-影响因素-6.6.2 6.6.2 塑性变形的影响塑性变形的影响-时效前的冷变形时效前的冷变形 有利于较高温度的脱溶； 延缓较低温度下的脱溶（G.P）； 晶界无沉淀带（晶内脱溶）。？Question: To analyze the effect of cold deformation on the pr

15、ocess of solid-solution treatment and aging of Al-Cu alloy. Dislocation increases sites for heterogeneous nucleation thus leads to finerprecipitates. 2000 series alloys: Al-Cu, Al-Cu-Mg, and Li-containing alloyssuch as 8090.G.P区的形成受空位和溶质原子迁移控制；过渡相和平衡相受位错控制中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-影响因素-6.6.3 6.6.

16、3 固溶处理制度的影响固溶处理制度的影响温度升高加速时效过程： 原因：温度升高，空位浓度增加； 强化相溶解彻底； 更均匀； 晶粒粗化有利于普遍脱溶。冷却速度： 固溶体的稳定性； 热应力-屈服？塑性变形？导致缺陷有利于形核？ 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院-影响因素-6.6.4 6.6.4 时效温度和时间的影响时效温度和时间的影响温度的影响： 不同脱溶相的形成与长大； 是否有过时效； 脱溶相与基体间的界面关系等。 但应考虑极低温度无过时效时间的影响： （与温度影响类似分析）T1T2T3强 度时 间t1t2其他因素：物理场如超声波、辐射等中南大学中南大学金属材料热处理MS

17、E_材料科学与工程学院合金的性能取决于（成分）组织合金的性能取决于（成分）组织: :E.g. Al-2.5Cu-1.5Mg(-0.25Si) alloysGenerally: SSS solid solutionGP S S SAfter addition of Si: raise the level of hardening over the entire time scale; Affect the first stage of hardening; delay the RT age-hardening while enhance the HT response.中南大学中南大学金属材料热

18、处理MSE_材料科学与工程学院For Al-2Cu-0.9Mg-0.25Si and Al-2Cu-0.9Mg-0.5Si,ageing sequence are changed respectively as: S+X +X+Q(Al5Cu2Mg8Si6)Interpretation: interaction between Si and vacancies. Reduce dislocation loops, fewer heterogenous S; Increasing GP zones and inhibit formation of S. 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料

19、科学与工程学院6.7 淬火（固溶处理）与时效规程淬火（固溶处理）与时效规程TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火温度时效温度CoolingdtdT结构材料： 常温强度；耐蚀 高温强度，抗蠕变强度中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院淬火：温度（保证不过烧），保温时间，冷却速度淬火：温度（保证不过烧），保温时间，冷却速度L+TAC0T2T1B晶粒度、铸态第二相晶粒尺寸、装炉量、变形量、工件尺寸、塑性变形量，再结晶及长大，性能要求等！尽量快速加热短时保温。过烧？铝合金：温度精度控制在正负3OCTt1dtdTCdtdT临界冷速与合金系、成分、淬火前组织有关；空冷、风

20、冷、水冷、油冷、熔融金属冷等；分级淬火。铝合金：常用空冷或水淬，温度可不同中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火温度时效温度/淬火温度1CoolingdtdT（淬火介质1）（淬火介质2）等温淬火/时效与分级淬火/时效淬火冷速主要决定于过饱和固溶体的稳定性：淬火冷速主要决定于过饱和固溶体的稳定性： 合金系；合金元素含量；淬火前组织。 Al-Cu-Mg水冷；Al-Zn-Mg空冷（静止）； 耐热奥氏体时效钢、Nimonic耐热合金、Mg-Al-Zn合金空冷； 同一系合金，随合金元素浓度增加，过冷固溶体稳定性降低快冷 淬火速度：淬

21、火速度：(1) 不同温度的同一介质(2) 不同介质中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院时效：单级时效、多级时效时效：单级时效、多级时效单级时效：等温时效，分自然时效和人工时效meltingagingTT6 . 05 . 0最大强化效果温度人工时效中不完全人工时效、过时效、稳定化时效也经常应用。稳定化时效：温度更高或时间更长。保证性质和尺寸的稳定。多级时效：一般先低温后高温。 低温过饱和度大，脱溶相可更弥散，成为高温时效时脱溶相的核心。 合金综合性能好：Al-Zn-Mg合金，强度较高，抗疲劳、抗应力腐蚀。 也有先高温后低温的，如一些耐热镍基合金，保证晶粒度、强化相（碳化物和）的合理分布。回归再时效：回归处理后再重复原来