CH9合金的脱溶沉淀与时效PPT(10级)

1、授课 朱世杰2022-5-21授课 朱世杰2022-5-22 1. 有色金属及合金热处理的类型，固溶处理、时效、时效硬有色金属及合金热处理的类型，固溶处理、时效、时效硬 化、脱溶的基本概念。化、脱溶的基本概念。 2. 合金的脱溶过程和脱溶物的结构。合金的脱溶过程和脱溶物的结构。 3. 合金过饱和固溶体脱溶转变的热力学和动力学。合金过饱和固溶体脱溶转变的热力学和动力学。 4. 合金过饱和固溶体脱溶后的组织。合金过饱和固溶体脱溶后的组织。 5. 合金过饱和固溶体脱溶转变时的性能变化。合金过饱和固溶体脱溶转变时的性能变化。 6. 合金时效时产物的强化机制。合金时效时产物的强化机制。 7. 合金时效应

2、用举例。合金时效应用举例。授课 朱世杰2022-5-231. 概述：有色合金的强化，有色合金热处理的作用，有色合金热处理概述：有色合金的强化，有色合金热处理的作用，有色合金热处理的类型。的类型。2.固溶处理、时效、时效硬化、脱溶的概念。有色合金固溶处理、时效、时效硬化、脱溶的概念。有色合金(以以Al-Cu合金为合金为例例)的时效过程和脱溶物的结构。的时效过程和脱溶物的结构。3. 合金过饱和固溶体脱溶转变的热力学。合金过饱和固溶体脱溶转变的热力学。4. 合金过饱和固溶体脱溶转变的动力学及其影响因素。合金过饱和固溶体脱溶转变的动力学及其影响因素。5. 合金过饱和固溶体脱溶的类型及对组织的影响。合金

3、过饱和固溶体脱溶的类型及对组织的影响。6. 合金过饱和固溶体脱溶转变时性能变化的规律及影响因素。合金过饱和固溶体脱溶转变时性能变化的规律及影响因素。7. 合金时效时过饱和固溶体的分解机制。合金时效时过饱和固溶体的分解机制。8. 合金时效时产物的强化机制。合金时效时产物的强化机制。 9. 时效合金的回归现象。时效合金的回归现象。10. 合金元素对时效过程的影响。合金元素对时效过程的影响。授课 朱世杰2022-5-24 金属分为金属分为黑色金属黑色金属和和有色金属有色金属两大类。两大类。黑色金属包括铁、铬、锰，工业中主要是黑色金属包括铁、铬、锰，工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属以外的所有金属指钢

4、铁材料。而黑色金属以外的所有金属则为有色金属材料。有色金属的种类很多，则为有色金属材料。有色金属的种类很多，但工业上应用较多的有色金属材料主要有但工业上应用较多的有色金属材料主要有铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铅、锌等。钛及钛合金、铅、锌等。 有色金属的强度一般较低。设法有色金属的强度一般较低。设法提高提高有色金属的强度有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一直是有色冶金工作者的一个重要课题。一个重要课题。待待处理的有色金属铸件处理的有色金属铸件授课 朱世杰2022-5-25 金属材料多为晶体材料，其强化思想一般分为两种：金属材料多为晶体材料

5、，其强化思想一般分为两种：l尽可能减少晶体中的可动位错，抑制位错源的开动，从而使尽可能减少晶体中的可动位错，抑制位错源的开动，从而使金属材料接近金属晶体的理论理度。金属材料接近金属晶体的理论理度。l大大增加晶体缺陷密度，在金属中造成尽可能多的阻碍位错大大增加晶体缺陷密度，在金属中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍。通常采用的合金化强化、加工硬化和热处理强运动的障碍。通常采用的合金化强化、加工硬化和热处理强化就是主要的工艺手段。化就是主要的工艺手段。 金属材料的强化机制的基本出发点金属材料的强化机制的基本出发点是抑制位错源的开是抑制位错源的开动，设法增大金属中位错滑动的阻力，阻碍位错运动。阻碍动，

6、设法增大金属中位错滑动的阻力，阻碍位错运动。阻碍位错运动的根本原因，是晶体中的点阵缺陷。即位错以各种位错运动的根本原因，是晶体中的点阵缺陷。即位错以各种形式与各种点阵缺陷交互作用，而使位错运动受到阻碍。形式与各种点阵缺陷交互作用，而使位错运动受到阻碍。 工程中的金属材料具有形式复杂多样的组织状态，其工程中的金属材料具有形式复杂多样的组织状态，其基本组成部分为基体、界面和第二相。各部分都能以不同的基本组成部分为基体、界面和第二相。各部分都能以不同的形式阻碍位错的运动。形式阻碍位错的运动。 授课 朱世杰2022-5-26目前工业上主要采用强化方法：目前工业上主要采用强化方法：l固溶强化固溶强化l细

7、晶强化细晶强化l第二相强化（沉淀强化或时效强化、弥散强化）第二相强化（沉淀强化或时效强化、弥散强化）l位错强化（形变强化、淬火等）。位错强化（形变强化、淬火等）。 其中其中固溶处理固溶处理+时效处理时效处理是有色金属材料的最重要的强化处是有色金属材料的最重要的强化处理手段。理手段。授课 朱世杰2022-5-27 纯金属变为固溶体后，其强度和硬度将升高而塑性将降低，纯金属变为固溶体后，其强度和硬度将升高而塑性将降低，这个现象称为这个现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化主要是通过两个方面表现出来：固溶强化主要是通过两个方面表现出来： 强化机制为：由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因强化机制为：由

8、于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。该应力场与而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。该应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。而导致强化。 弹性交互作用是溶质原子造成的点阵畸变引起的。溶质浓弹性交互作用是溶质原子造成的点阵畸变引起的。溶质浓度越高，点阵畸变越大，强化效果越显著。因而，固溶体强度度越高，点阵畸变越大，强化效果越显著。因而，固溶体强度随溶质浓度而增高。随溶质浓度而增高。 间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈，其强间隙溶质原子的强化效应远比

9、置换式溶质原子强烈，其强化作用约相差化作用约相差10-10010-100倍。倍。授课 朱世杰2022-5-28 有些溶质可以降低金属的层错能，这些溶质将在扩展位错有些溶质可以降低金属的层错能，这些溶质将在扩展位错的层错区集聚，形成所谓的铃木气团。扩展位错滑动时，层错的层错区集聚，形成所谓的铃木气团。扩展位错滑动时，层错区将脱离铃木气团，使层错能增高。为了使扩展位错脱离铃木区将脱离铃木气团，使层错能增高。为了使扩展位错脱离铃木气团的钉扎，必须额外增大外加应力，表现为金属屈服强度提气团的钉扎，必须额外增大外加应力，表现为金属屈服强度提高。高。 滑动的位错与其他位错交截或进行交滑移时需要束集。由滑动

10、的位错与其他位错交截或进行交滑移时需要束集。由于溶质使层错能降低，铃木气团将使层错区加宽，从而使束集于溶质使层错能降低，铃木气团将使层错区加宽，从而使束集变得困难，金属强度也会由此而得到提高。变得困难，金属强度也会由此而得到提高。 溶质原子通过与位错的电化学交互作用而阻碍位错运动。溶质原子通过与位错的电化学交互作用而阻碍位错运动。溶质原子与溶剂原子的价电子差是形成固溶强化的一个原因。溶质原子与溶剂原子的价电子差是形成固溶强化的一个原因。溶质原子使其附近区域原子的电子结构发生变化，因此，必然溶质原子使其附近区域原子的电子结构发生变化，因此，必然与位错之间存在电子相互作用，从而强化固溶体。与位错之

11、间存在电子相互作用，从而强化固溶体。 授课 朱世杰2022-5-29 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷，使位错线弯曲，从而使位错滑移的阻力增大在合金组和晶体缺陷，使位错线弯曲，从而使位错滑移的阻力增大在合金组元的原子和位错之间元的原子和位错之间产生的电交互作用产生的电交互作用和和化学交互作用化学交互作用，也是固溶，也是固溶强化的原因之一。强化的原因之一。 一种元素的固溶强化作用有时受溶解度的限制，并且强化效果越大一种元素的固溶强化作用有时受溶解度的限制，并且强化效果越大的元素，溶解度往往越小。这是因为

12、固溶强化效果大的元素与溶剂的元素，溶解度往往越小。这是因为固溶强化效果大的元素与溶剂原子的体积差、价电子差，以及其它性能差别也很大，这些正是限原子的体积差、价电子差，以及其它性能差别也很大，这些正是限制溶解度的因素。因此工业上多采用多元微量合金化方法进行固溶制溶解度的因素。因此工业上多采用多元微量合金化方法进行固溶强化。强化。 总之，总之，影响金属固溶强化作用的主要原因是错配度和固溶度两方面，影响金属固溶强化作用的主要原因是错配度和固溶度两方面，要综合考虑。要综合考虑。此外，固溶强化作用愈大，塑性和韧性下降越明显，此外，固溶强化作用愈大，塑性和韧性下降越明显，在固溶强化的同时，还要考虑对塑性和

13、韧性的影响。在固溶强化的同时，还要考虑对塑性和韧性的影响。 如用于铜合金固溶强化的元素主要有锌、铝、锡、镍等，它们在如用于铜合金固溶强化的元素主要有锌、铝、锡、镍等，它们在铜中的最大溶解度均大于铜中的最大溶解度均大于9.4%9.4%。授课 朱世杰2022-5-210固溶强化遵循下列规律固溶强化遵循下列规律：l 第一，对同一合金系，固溶体浓度越大，则强化效果越第一，对同一合金系，固溶体浓度越大，则强化效果越好。好。l 第二，合金组元与基体金属的原子尺寸差异对固溶强化第二，合金组元与基体金属的原子尺寸差异对固溶强化效果起主要作用原子尺寸差异越大，则替代固溶体的强化效效果起主要作用原子尺寸差异越大，

14、则替代固溶体的强化效果越好。此外，电化学性能的差异和弹性模量的差异对固溶果越好。此外，电化学性能的差异和弹性模量的差异对固溶强化效果也有一定影响。强化效果也有一定影响。l 第三，对同一种固溶体，强度随浓度增加呈曲线关系升第三，对同一种固溶体，强度随浓度增加呈曲线关系升高。高。 l 第四，第四，工业上多采用多元微量合金化方法进行固溶强化。工业上多采用多元微量合金化方法进行固溶强化。授课 朱世杰2022-5-211 晶界因其特殊的结构而表现出特殊的性能，当晶粒变形时位错晶界因其特殊的结构而表现出特殊的性能，当晶粒变形时位错不能穿越晶界层，晶界成为位错运动的障碍，进而阻碍了材料变形不能穿越晶界层，晶

15、界成为位错运动的障碍，进而阻碍了材料变形的产生。的产生。 晶界强化机制是：多晶体中各个晶粒塑性变形开始的先后不同。晶界强化机制是：多晶体中各个晶粒塑性变形开始的先后不同。由于晶界的存在，引起在晶界处产生弹性变形不协调和塑性变形不由于晶界的存在，引起在晶界处产生弹性变形不协调和塑性变形不协调，进而在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒在晶界处的连续协调，进而在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒在晶界处的连续性。导致晶界附近引起二次滑移，使位错迅速增殖，形成加工硬化性。导致晶界附近引起二次滑移，使位错迅速增殖，形成加工硬化微区，阻碍位错运动。此外由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿微区，阻碍位错运动。此外

16、由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。 总之，由于晶界的存在而使位错运动受阻，从而使金属强化。总之，由于晶界的存在而使位错运动受阻，从而使金属强化。晶界强化的出发点是增加晶界以阻碍位错运动。金属晶粒越细，晶晶界强化的出发点是增加晶界以阻碍位错运动。金属晶粒越细，晶界越多，阻碍位错运动的作用越大，需要协调的具有不同位向的晶界越多，阻碍位错运动的作用越大，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，表现为强化效果越好。粒越多，金属塑性变形的抗力越高，表现为强化效果越好。 授课 朱世

17、杰2022-5-212 晶粒大小与金属屈服强度的定量关系晶粒大小与金属屈服强度的定量关系，即著名的霍尔，即著名的霍尔-配配奇奇(Hall-Petch)公式。该公式描述了晶界强化的基本规律，其公式。该公式描述了晶界强化的基本规律，其形式为形式为 式中式中 s屈服强度；屈服强度； 0单晶体中位错运动的摩擦阻力单晶体中位错运动的摩擦阻力(派纳派纳力力)；d-晶粒直径。晶粒直径。 Hall-Petch公式实质上表示了晶界给多晶体塑性变形所带公式实质上表示了晶界给多晶体塑性变形所带来的阻力，克服这种阻力依靠晶体内部位错塞积群所形成的来的阻力，克服这种阻力依靠晶体内部位错塞积群所形成的应力集中效应。应力集

18、中效应。 细化晶粒不但是重要的强化机制，还是理想的韧化方法。细化晶粒不但是重要的强化机制，还是理想的韧化方法。因此因此工业生产中常常采用控制铸造、轧制及热处理工艺细化工业生产中常常采用控制铸造、轧制及热处理工艺细化晶粒，以达到强化金属材料的目的晶粒，以达到强化金属材料的目的。210dKss授课 朱世杰2022-5-213 细晶强化是通过向合金中细晶强化是通过向合金中加入微量合金元素加入微量合金元素，或，或改变加工工艺改变加工工艺及及热处理工艺热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金的，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金的强度，还会改善合金的塑性和韧性。强度，还会改善合金的

19、塑性和韧性。 如在变形铝合金结晶过程中，若采取一些强冷措施，如在连续如在变形铝合金结晶过程中，若采取一些强冷措施，如在连续浇注铸锭时向结晶器中通水冷却、向热的铸锭上多次喷水激冷等，浇注铸锭时向结晶器中通水冷却、向热的铸锭上多次喷水激冷等，可以提高铸造的冷却速度，增大结晶的过冷度，结晶时一般不会开可以提高铸造的冷却速度，增大结晶的过冷度，结晶时一般不会开裂，但可以有效的细化晶粒，改善合金的性能。裂，但可以有效的细化晶粒，改善合金的性能。 铸造铝合金铸造铝合金通过改变铸造工艺（如变质处理）及加入微量元素通过改变铸造工艺（如变质处理）及加入微量元素（如变质剂）进行变质处理的方法来细化合金组织，提高强

20、度和韧（如变质剂）进行变质处理的方法来细化合金组织，提高强度和韧性。变质处理对不能热处理或热处理强化效果不大的铸造铝合金和性。变质处理对不能热处理或热处理强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金具有特别重要的意义。变形铝合金具有特别重要的意义。 变形铝合金变形铝合金中添加微量钛、锆、铍以及稀土等元素，它们能形中添加微量钛、锆、铍以及稀土等元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。提高合金的强度和塑性。授课 朱世杰2022-5-214 目前工业上使用的合金大都是复相或多相合金，其显微组目前工

21、业上使用的合金大都是复相或多相合金，其显微组织为在固溶体基体上分布着第二相织为在固溶体基体上分布着第二相( (过剩相过剩相) )。第二相强化第二相强化亦称亦称过剩相强化过剩相强化，一般为强硬脆的金属间化合物，它们在合金中起，一般为强硬脆的金属间化合物，它们在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用。阻碍滑移和位错运动的作用。 第二相强化是指弥散分布于合金基体组织中的第二相粒子第二相强化是指弥散分布于合金基体组织中的第二相粒子可成为阻碍位错运动的有效障碍，是一种用于强化金属材料的可成为阻碍位错运动的有效障碍，是一种用于强化金属材料的有效方法之一。有效方法之一。 第二相强化的出发点是利用第二相粒子阻碍位错

22、运动。第二相强化的出发点是利用第二相粒子阻碍位错运动。 第二相强化的机制：运动着的位错遇到滑移面上的第二相第二相强化的机制：运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过或绕过，使滑移变形继续进行。该过程要消耗粒子时，或切过或绕过，使滑移变形继续进行。该过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。 授课 朱世杰2022-5-215 根据强化机理不同，通常将第二相强化进一步分为根据强化机理不同，通常将第二相强化进一步分为和和两种，第二相是通过两种，第二相是通过加入合金元素加入合金元素然后经过塑性加工和然后经过塑性加工和热热处理形成处理形成

23、，也可通过，也可通过粉末冶金等方法粉末冶金等方法获得。获得。 ：是指第二相粒子自固溶：是指第二相粒子自固溶体沉淀体沉淀( (或脱溶或脱溶) )而引起的强化效应。而引起的强化效应。 沉淀强化中第二相粒子可变形，并与母相具有共格关系，这种沉淀强化中第二相粒子可变形，并与母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关。其物理本质是沉淀相粒子及其应力强化方式与淬火时效密切相关。其物理本质是沉淀相粒子及其应力场与位错发生交互作用，阻碍位错运动；同时，由于位错切过第二场与位错发生交互作用，阻碍位错运动；同时，由于位错切过第二相，破坏了第二相的结构，增加了新界面，增加了能量的消耗，从相，破坏了第二相的结构

24、，增加了新界面，增加了能量的消耗，从而强化了金属材料。产生沉淀强化的条件是第二相粒子能在高温下而强化了金属材料。产生沉淀强化的条件是第二相粒子能在高温下溶解，并且其溶解度随温度降低而下降。溶解，并且其溶解度随温度降低而下降。 一般沉淀强化是多种机制综合作用的结果，但常以共格应变强一般沉淀强化是多种机制综合作用的结果，但常以共格应变强化作用为主。因此，峰时效常出现在能使沉淀相粒子与基体共格应化作用为主。因此，峰时效常出现在能使沉淀相粒子与基体共格应变达到最大程度的时效阶段，即沉淀相粒子与基体的关系由共格到变达到最大程度的时效阶段，即沉淀相粒子与基体的关系由共格到半共格过渡的时效阶段。半共格过渡的

25、时效阶段。授课 朱世杰2022-5-216 时效强化时效强化又称又称沉淀强化沉淀强化，是有色合金强化的一种重要手段。它，是有色合金强化的一种重要手段。它是通过合金的固溶处理（淬火），获得单一的过饱和固溶体组织，是通过合金的固溶处理（淬火），获得单一的过饱和固溶体组织，然后进行时效的热处理工艺。然后进行时效的热处理工艺。 过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度时，将在基体中析过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度时，将在基体中析出弥散分布的第二相的过程称作出弥散分布的第二相的过程称作时效时效。 时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化时效强化或或时

26、效时效硬化硬化。时效过程中析出均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基。时效过程中析出均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体中能形成强烈的应变场。体中能形成强烈的应变场。 通过固溶处理和时效可以将合金的强度提高百分之几十甚至几通过固溶处理和时效可以将合金的强度提高百分之几十甚至几倍。其原因在于热处理前后第二相的组织形态发生了很大变化，而倍。其原因在于热处理前后第二相的组织形态发生了很大变化，而这些变化均有利于合金强化。这些变化均有利于合金强化。授课 朱世杰2022-5-217几种有色合金的热处理强化效果几种有色合金的热处理强化效果合金合金铝合金铝合金镁合金镁合金铍青铜铍青铜牌号牌号2A012A

27、12ZM5QBe2抗拉强度抗拉强度MPa160(退火退火)230(退火退火)180(铸态铸态)180(软态软态)300(淬火自淬火自然时效然时效)440(淬火自淬火自然时效然时效)440(淬火人淬火人工时效工时效)440(淬火人淬火人工时效工时效)授课 朱世杰2022-5-218 ：是指通过在合金组织中：是指通过在合金组织中引入弥散分布的硬粒子，阻碍位错运动，导致强化的效应。引入弥散分布的硬粒子，阻碍位错运动，导致强化的效应。 弥散强化中第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。当弥散强化中第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错圈。位错遇到第二相粒

28、子时，只能绕过并留下位错圈。 其强化机制：位错不断绕过硬粒子，在粒子周围其强化机制：位错不断绕过硬粒子，在粒子周围 积累的位错圈积累的位错圈相当于一个位错塞积群，阻碍后续位错靠近；另一方面相邻粒子间相当于一个位错塞积群，阻碍后续位错靠近；另一方面相邻粒子间距随着位错圈塞积而减小，增大了位错运动的阻力，进一步使金属距随着位错圈塞积而减小，增大了位错运动的阻力，进一步使金属得到强化。得到强化。 通常第二相硬粒子是人为加入的，不溶于基体，本身不变形，通常第二相硬粒子是人为加入的，不溶于基体，本身不变形，位错难于切过。作为强化相的硬粒子有两个基本要求，一是其弹性位错难于切过。作为强化相的硬粒子有两个基

29、本要求，一是其弹性模量要远高于基体弹性模量；二是要与基体呈非共格关系。模量要远高于基体弹性模量；二是要与基体呈非共格关系。 此外，从强化机制角度也常把合金过时效或钢的回火，作为弥此外，从强化机制角度也常把合金过时效或钢的回火，作为弥散强化的方法看待。这是从实用上把强化相粒子是否与基体具有共散强化的方法看待。这是从实用上把强化相粒子是否与基体具有共格关系看作区分弥散强化与沉淀强化的界限。格关系看作区分弥散强化与沉淀强化的界限。授课 朱世杰2022-5-219 第二相的存在一般都使合金的强度升高，其强化效果与第第二相的存在一般都使合金的强度升高，其强化效果与第二相的特性、数量、大小、形状和分布均有

30、关系，还与第二相二相的特性、数量、大小、形状和分布均有关系，还与第二相粒子间距、第二相与基体相的晶体学匹配情况、界面能、界面粒子间距、第二相与基体相的晶体学匹配情况、界面能、界面结合等状况有关，这些因素往往又互相联系，互相影响，情况结合等状况有关，这些因素往往又互相联系，互相影响，情况十分复杂。十分复杂。 注意：注意： 在时效处理时，当第二相充分析出，数量达到最多，但第二相在时效处理时，当第二相充分析出，数量达到最多，但第二相粒子还没有开始长大，此时第二相粒子间距最小，合金强度最粒子还没有开始长大，此时第二相粒子间距最小，合金强度最高。当第二相粒子开始长大，且间距也随之增大，则合金的强高。当第

31、二相粒子开始长大，且间距也随之增大，则合金的强度开始降低。度开始降低。 当第二相的数量一定且分布均匀，对合金有较好的强化作用，当第二相的数量一定且分布均匀，对合金有较好的强化作用，但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会脆化合金，其强度也但会使合金塑性韧性下降；数量过多还会脆化合金，其强度也会下降。会下降。授课 朱世杰2022-5-220 位错强化也是金属中常用的一种强化机制，主要着眼于位位错强化也是金属中常用的一种强化机制，主要着眼于位错数量与组态对塑变抗力的影响。错数量与组态对塑变抗力的影响。 位错强化是指用增加位错密度提高金属强度的方法。位错强化是指用增加位错密度提高金属强度的方法。 位错强

32、化的机制位错强化的机制：提高金属中位错密度，使位错运动时易：提高金属中位错密度，使位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，造成位错运动的于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。 金属的塑性变形抗力的增加与位错密度之间有以下关系：金属的塑性变形抗力的增加与位错密度之间有以下关系： 式中式中G-切变模量，切变模量，b-柏氏矢量，柏氏矢量，-强化系数强化系数(约为约为0.5)，-位错位错密度。密度。 另外，由于位错组态的影响，一般面心立方金属比体心立另外，由于位错组态的影响，

33、一般面心立方金属比体心立方金属位错强化效应大。方金属位错强化效应大。21Gb授课 朱世杰2022-5-221 添加合金元素应着眼于使塑性变形时位错易于增殖，或易添加合金元素应着眼于使塑性变形时位错易于增殖，或易于分解，提高金属材料的加工硬化能力。具体途径如下：于分解，提高金属材料的加工硬化能力。具体途径如下：l 细化晶粒细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调诱发几何上需要的位错，同时还可使晶粒内位错塞积群的数量诱发几何上需要的位错，同时还可使晶粒内位错塞积群的数量增多。增多。l 形成第二相粒子形成第二相粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望位错

34、绕。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。l 促进淬火效应促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构亚结构l 降低层错能降低层错能。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。授课 朱世杰2022-5-222 形变强化形变强化是金属材料在冷变形过程中强度将逐升高的现象。是金属材料在冷变形过程中强度将逐升高的现象。 生产金属材料的主要方法是生产金属材料的

35、主要方法是塑性加工塑性加工，即在外力作用下使金，即在外力作用下使金属材料发生塑性变形，使其具有预期的性能、形状和尺寸。属材料发生塑性变形，使其具有预期的性能、形状和尺寸。 形变强化的机理形变强化的机理是冷变形后金属内部的错密度将大大增加，是冷变形后金属内部的错密度将大大增加，且位错相互缠结并形成胞状结构且位错相互缠结并形成胞状结构( (形变亚晶形变亚晶) )，它们不但阻碍位错，它们不但阻碍位错的滑移，而且使不能滑移的位错数量剧，从而大大增加了位错滑的滑移，而且使不能滑移的位错数量剧，从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高。移的难度并使强度提高。 对有色合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化效

36、应提高对有色合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化效应提高合金强度。形变强化在工业上具有广泛的实用价值，几乎适用于合金强度。形变强化在工业上具有广泛的实用价值，几乎适用于所有的有色金属材料，并且是纯金属、单相固溶体合金和不能热所有的有色金属材料，并且是纯金属、单相固溶体合金和不能热处理强化的有色合金的主要强化方法。处理强化的有色合金的主要强化方法。授课 朱世杰2022-5-223 有色金属及其合金的半成品或制有色金属及其合金的半成品或制品的生产工艺流程如右图，可以看出品的生产工艺流程如右图，可以看出热处理是有色金属的重要组成部分，热处理是有色金属的重要组成部分，没有热处理工序，板带材的生产就不

37、没有热处理工序，板带材的生产就不能进行能进行 。 有色金属及其合金的热处理可依有色金属及其合金的热处理可依工艺性能和使用性能的不同而异。主工艺性能和使用性能的不同而异。主要有要有铸锭的均匀化退火铸锭的均匀化退火、压力加工过压力加工过程中的退火程中的退火（去应力退火和再结晶退（去应力退火和再结晶退火）、火）、成品的热处理成品的热处理（固溶处理及时（固溶处理及时效），效），形变热处理形变热处理也有一定的应用。也有一定的应用。有色金属及合金的生产工艺流程有色金属及合金的生产工艺流程授课 朱世杰2022-5-224 有色合金的热处理作用有以下几有色合金的热处理作用有以下几个方面个方面： (1) 改善工

38、艺性能，保证后道工序改善工艺性能，保证后道工序顺利进行。如铸锭的均匀化退火可以顺利进行。如铸锭的均匀化退火可以改善合金成分和组织的均匀性，消除改善合金成分和组织的均匀性，消除内应力，从而改善热加工性能。中间内应力，从而改善热加工性能。中间退火可以使合金发生再结晶，改善合退火可以使合金发生再结晶，改善合金的塑性变形能力。金的塑性变形能力。 (2) 提高使用性能，充分发挥材料提高使用性能，充分发挥材料的潜力。如铝合金合金经固溶处理及的潜力。如铝合金合金经固溶处理及时效后可以提高合金的强度。时效后可以提高合金的强度。 有色金属及合金的生产工艺流程有色金属及合金的生产工艺流程授课 朱世杰2022-5-

39、225有色金属及合金热处理主要类型有：有色金属及合金热处理主要类型有： (一一) 均匀化退火均匀化退火 (二二) 基于回复、再结晶的退火基于回复、再结晶的退火 (三三) 基于固态相变的退火基于固态相变的退火 (四四) 形变热处理形变热处理 (五五) 固溶处理（淬火）和时效固溶处理（淬火）和时效 授课 朱世杰2022-5-226 用于消除或减少铸态合金非平衡态的热处理。其用于消除或减少铸态合金非平衡态的热处理。其是通是通过高温长时间加热以使原子充分扩散，使合金：过高温长时间加热以使原子充分扩散，使合金： (1) 充分提高铸件的力学性能，保证一定的塑性，提高合金充分提高铸件的力学性能，保证一定的塑

40、性，提高合金抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等；抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等； (2) 消除由于铸件壁厚不均匀，快速冷却等所造成的内应力；消除由于铸件壁厚不均匀，快速冷却等所造成的内应力； (3) 稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；生体积胀大现象； (4) 改善和消除铸锭或铸件在冶金过程中形成的偏析和针状改善和消除铸锭或铸件在冶金过程中形成的偏析和针状组织，实现合金成分均匀化，改善合金的组织和力学性能；组织，实现合金成分均匀化，改善合金的组织和力学性能； (5) 改善第二相的形状和分布，提高合金的塑

41、性，改善加工改善第二相的形状和分布，提高合金的塑性，改善加工性能和使用性能。性能和使用性能。授课 朱世杰2022-5-227 工业生产的冷却条件下，铸造组织的不平衡特征表现工业生产的冷却条件下，铸造组织的不平衡特征表现： 基体固溶体成分不均匀，产生晶内偏析或枝晶偏析，组织基体固溶体成分不均匀，产生晶内偏析或枝晶偏析，组织上不均匀性增加，其组织呈现树枝晶状；上不均匀性增加，其组织呈现树枝晶状； 形成伪共晶、离异共晶组织；形成伪共晶、离异共晶组织； 在某些情况下，平衡状态为单相成分的合金可能出现非平在某些情况下，平衡状态为单相成分的合金可能出现非平衡的第二相，而多相合金过剩相的数量会增多。衡的第二

42、相，而多相合金过剩相的数量会增多。 可溶相在基体中的最大固溶度发生偏移。快速凝固时，高可溶相在基体中的最大固溶度发生偏移。快速凝固时，高温形成的不均匀固溶体，由于合金元素浓度高的部分在冷却时温形成的不均匀固溶体，由于合金元素浓度高的部分在冷却时不能进行充分扩散，来不及从固溶体中平衡析出，则此部分固不能进行充分扩散，来不及从固溶体中平衡析出，则此部分固溶体就会呈饱和状态，从而扩大了合金元素的固溶度极限，得溶体就会呈饱和状态，从而扩大了合金元素的固溶度极限，得到过饱和状态的固溶体。到过饱和状态的固溶体。 晶粒间还有气孔和显微缩孔、非金属夹杂，它们都能使晶晶粒间还有气孔和显微缩孔、非金属夹杂，它们都

43、能使晶粒彼此隔绝，从而阻碍扩散过程。粒彼此隔绝，从而阻碍扩散过程。授课 朱世杰2022-5-228对铸造状态合金的性能的影响，主要表现：对铸造状态合金的性能的影响，主要表现： 若发生枝晶偏析和组织中出现非平衡脆性相，则合金塑性若发生枝晶偏析和组织中出现非平衡脆性相，则合金塑性明显降低，特别在枝晶网胞边缘生成连续的粗大脆性化合物网明显降低，特别在枝晶网胞边缘生成连续的粗大脆性化合物网状壳层时，合金的塑性将急剧下降。状壳层时，合金的塑性将急剧下降。 对于铸件来说，非平衡组织状态有些情况下对合金的耐蚀对于铸件来说，非平衡组织状态有些情况下对合金的耐蚀性能是不利的。晶内偏析也使合金的抗蚀性能降低。性能

44、是不利的。晶内偏析也使合金的抗蚀性能降低。 粗大的枝晶和严重的枝晶偏析可能在随后的铸造坯料粗大的枝晶和严重的枝晶偏析可能在随后的铸造坯料(铸锭铸锭)进行轧制及挤压时，具有不同化学成分的各显微区域拉长并形进行轧制及挤压时，具有不同化学成分的各显微区域拉长并形成带状组织。产生各向异性和增加晶间断裂倾向。成带状组织。产生各向异性和增加晶间断裂倾向。 非平衡组织状态对铸件使用过程中组织和性能的稳定性都非平衡组织状态对铸件使用过程中组织和性能的稳定性都是不利的。是不利的。授课 朱世杰2022-5-229均匀化退火时的主要组织变化均匀化退火时的主要组织变化 ： 由于温度高、原子扩散速度快，主要的组织变化是

45、枝晶偏由于温度高、原子扩散速度快，主要的组织变化是枝晶偏析消除或减少析消除或减少 ，沿晶界分布的非平衡共晶体及其他非平衡相将，沿晶界分布的非平衡共晶体及其他非平衡相将被溶解，使合金溶质浓度逐渐均匀化。被溶解，使合金溶质浓度逐渐均匀化。Cu-Ni合金均匀化退火前后的显微组织和微区分析合金均匀化退火前后的显微组织和微区分析(a) 铸态枝晶偏析组织铸态枝晶偏析组织 (b)扩散退火后的组织扩散退火后的组织 (c)微区分析微区分析授课 朱世杰2022-5-230 均匀化退火均匀化退火对区域偏析的影响却极其微弱。对于区域偏析需扩散时间之对区域偏析的影响却极其微弱。对于区域偏析需扩散时间之久，这是生产条件所

46、不容许的，因为消除区域偏析需要晶间相互扩散，这种久，这是生产条件所不容许的，因为消除区域偏析需要晶间相互扩散，这种晶间扩散也因受到晶界夹杂及空隙等的阻碍而难以实现。晶间扩散也因受到晶界夹杂及空隙等的阻碍而难以实现。 均匀化退火时还可能发生晶粒的长大、过饱和固溶体的分解、第二相均匀化退火时还可能发生晶粒的长大、过饱和固溶体的分解、第二相的聚集与球化、相的转变和淬火效应等变化。的聚集与球化、相的转变和淬火效应等变化。 均匀化退火时基体无多型性转变的合金，一般不会发生晶粒长大现象，均匀化退火时基体无多型性转变的合金，一般不会发生晶粒长大现象，但发生多型性转变的合金晶粒可能粗化。在能热处理强化的工业镁

47、、铝、铜但发生多型性转变的合金晶粒可能粗化。在能热处理强化的工业镁、铝、铜合金中，第二相在基体中的溶解度随温度的变化而变化。合金中，第二相在基体中的溶解度随温度的变化而变化。 在均匀化退火温度下仍处于过饱和的固溶体，在均匀化保温过程中还会在均匀化退火温度下仍处于过饱和的固溶体，在均匀化保温过程中还会发生饱和的固溶体分解，析出过剩相。发生饱和的固溶体分解，析出过剩相。 多组元合金中，不同组元所形成的相在固溶体中的固溶度与温度的关系多组元合金中，不同组元所形成的相在固溶体中的固溶度与温度的关系具有不同的变化规律。在通常所选择的均匀化退火温度下，主要的过剩相在具有不同的变化规律。在通常所选择的均匀化

48、退火温度下，主要的过剩相在固溶体中有很高的固溶度，因此它们将发生溶解。固溶体中有很高的固溶度，因此它们将发生溶解。 在快冷条件下形成饱和固溶体，在均匀化退火时，则第二相在均匀化退在快冷条件下形成饱和固溶体，在均匀化退火时，则第二相在均匀化退火的加热和保温阶段就会从固溶体中析出。火的加热和保温阶段就会从固溶体中析出。 授课 朱世杰2022-5-231 金属及合金因冷变形而造成的组织与性质处于热力学亚稳定金属及合金因冷变形而造成的组织与性质处于热力学亚稳定状态，组织和亚结构发生变化，内能增高，强度和硬度增大，塑状态，组织和亚结构发生变化，内能增高，强度和硬度增大，塑性减小，有时还出现织构。冷变形金

49、属被加热到较高温度时，由性减小，有时还出现织构。冷变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增加，会发生回复和再结晶过程，织构也会发生于原子活动能力增加，会发生回复和再结晶过程，织构也会发生变化，从而在一定程度上消除冷变形造成的亚稳定状态。这种热变化，从而在一定程度上消除冷变形造成的亚稳定状态。这种热处理方法称为处理方法称为基于回复、再结晶的退火基于回复、再结晶的退火。 意义意义在于使不稳定状态通过释放能量而逐渐达到稳定状态，在于使不稳定状态通过释放能量而逐渐达到稳定状态，消除金属及合金因冷变形而造成的组织，在结构、性能等方面恢消除金属及合金因冷变形而造成的组织，在结构、性能等方面恢复或基本

50、恢复到变形前的状态。复或基本恢复到变形前的状态。 目的目的是提高金属塑性，以利于后续工序顺利进行；满足产品是提高金属塑性，以利于后续工序顺利进行；满足产品使用性能要求，以获取塑性与强度性能的配合，良好的耐蚀性和使用性能要求，以获取塑性与强度性能的配合，良好的耐蚀性和尺寸稳定性等。尺寸稳定性等。 授课 朱世杰2022-5-232 冷变形金属加热退火时会发生冷变形金属加热退火时会发生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大等过程，等过程，经完全再结晶的金属，其组织和性能将回复到平衡状态。经完全再结晶的金属，其组织和性能将回复到平衡状态。 根据加热退火根据加热退火时，冷变形金属所时，冷变形金属所发

51、生过程的实质，发生过程的实质，可将这类退火分为可将这类退火分为回复退火回复退火和和再结晶再结晶退火退火两大类。两大类。 授课 朱世杰2022-5-233冷变形金属加热退火时的组织变化冷变形金属加热退火时的组织变化授课 朱世杰2022-5-234 这是一种以固态金属合金经高温保温和冷却所发生的扩散这是一种以固态金属合金经高温保温和冷却所发生的扩散型相变为基础的热处理。与基于回复、再结晶的退火的区别在型相变为基础的热处理。与基于回复、再结晶的退火的区别在于后者不发生任何固态相变，而前者的先决条件和基本过程是于后者不发生任何固态相变，而前者的先决条件和基本过程是扩散型固态相变。由于扩散型固态相变的类

52、型很多，如多晶型扩散型固态相变。由于扩散型固态相变的类型很多，如多晶型性转变、共析转变、加热时的第二相的溶解等，对合金的组织性转变、共析转变、加热时的第二相的溶解等，对合金的组织和性能影响很大，这类退火应用比较广泛。和性能影响很大，这类退火应用比较广泛。 如图中如图中C0成分的合金，加热时有成分的合金，加热时有相的相的溶解，因而溶解，因而固溶体的浓度增大；在冷却固溶体的浓度增大；在冷却过程中有过程中有相从相从相中析出，相中析出，固溶体的浓固溶体的浓度减小。若固溶度随温度升高而减小，则度减小。若固溶度随温度升高而减小，则加热和冷却时将发生与上述情况相反的变加热和冷却时将发生与上述情况相反的变化（

53、加热时有第二相的析出，冷却时发生化（加热时有第二相的析出，冷却时发生第二相的溶解）。第二相的溶解）。 授课 朱世杰2022-5-235 在发生脱溶的情况下，脱溶相的大小与脱溶温度有关。在发生脱溶的情况下，脱溶相的大小与脱溶温度有关。 可以通过合适的可以通过合适的热处理工艺，使复相合金中获得不同大小和分布的第二相，以得到所需的性热处理工艺，使复相合金中获得不同大小和分布的第二相，以得到所需的性能，这就是所谓多相化退火。能，这就是所谓多相化退火。 工业上应用的许多有色金属材料，如硬铝、镁铝合金、铍青铜以及镍铬工业上应用的许多有色金属材料，如硬铝、镁铝合金、铍青铜以及镍铬系合金等，都是以固溶体为基体

54、的复相合金。它们的共同特点是：固溶度随系合金等，都是以固溶体为基体的复相合金。它们的共同特点是：固溶度随温度降低而减小，在缓冷时有第二相从固溶体中析出，而加热时有第二相溶温度降低而减小，在缓冷时有第二相从固溶体中析出，而加热时有第二相溶解。解。 第二相的相对量一般不超过整个合金体积的第二相的相对量一般不超过整个合金体积的10%15%，第二相溶解或析，第二相溶解或析出时不会引起合金组织的根本改变，但适当地控制加热和冷却工艺，可以获出时不会引起合金组织的根本改变，但适当地控制加热和冷却工艺，可以获得不同浓度的基体相，并改变第二相的大小、形状和分布，从而使合金得到得不同浓度的基体相，并改变第二相的大

55、小、形状和分布，从而使合金得到不同的性能。不同的性能。 如果设法使固溶体基体达到尽可能低的浓度，第二相粒子及其间距又足如果设法使固溶体基体达到尽可能低的浓度，第二相粒子及其间距又足够大，则合金将发生软化，即多相化软化。为达到这种软化目的而采取的热够大，则合金将发生软化，即多相化软化。为达到这种软化目的而采取的热处理工艺就是多相化退火。处理工艺就是多相化退火。 授课 朱世杰2022-5-236 完全退火是将已产生部分淬火硬化的合金加热至相变临界点完全退火是将已产生部分淬火硬化的合金加热至相变临界点（如图（如图4-22中的中的t0）以上的温度保温，使合金变成单相固溶体，）以上的温度保温，使合金变成

56、单相固溶体，然后缓慢冷却（一般为随炉冷）。然后缓慢冷却（一般为随炉冷）。 不完全退火则是加热至相变临界点一下的某一适当温度保温，不完全退火则是加热至相变临界点一下的某一适当温度保温，然后较快冷却（一般为空冷）。然后较快冷却（一般为空冷）。 完全退火可以最大限度地消除淬火硬化，使合金完全软化；完全退火可以最大限度地消除淬火硬化，使合金完全软化；不完全退火只能部分消除淬火硬化，使合金部分软化。不完全退火只能部分消除淬火硬化，使合金部分软化。 完全退火和不完全退火的具体加热温度、保温时间以及冷却完全退火和不完全退火的具体加热温度、保温时间以及冷却速度即可通过实验确定。速度即可通过实验确定。 授课 朱

57、世杰2022-5-237 硬铝硬铝2A12合金合金在不同温度加热然后炉冷或空冷，其抗拉强在不同温度加热然后炉冷或空冷，其抗拉强度如图所示，退火温度对度如图所示，退火温度对2A12合金冷轧材最终强度的影响合金冷轧材最终强度的影响1炉冷至炉冷至200；2空冷空冷 。 该合金的软化温度是：完全退火约该合金的软化温度是：完全退火约380400，不完全退火，不完全退火约约350370 。 若温度太低，淬火硬化不能若温度太低，淬火硬化不能充分消除，合金的硬度仍然较高；充分消除，合金的硬度仍然较高；若温度过高，由于强化相若温度过高，由于强化相S相和相和相的溶解和随后冷却时的不充分相的溶解和随后冷却时的不充分

58、析出，固溶体的浓度较高，这也析出，固溶体的浓度较高，这也会减弱退火软化的作用。会减弱退火软化的作用。 授课 朱世杰2022-5-238： 在实际生产中，变形合金（如变形铝合金）在热轧后、第一在实际生产中，变形合金（如变形铝合金）在热轧后、第一次冷轧之前，很少采用纯粹的多相化退火工艺，而往往是将多次冷轧之前，很少采用纯粹的多相化退火工艺，而往往是将多相化退火与消除部分冷加工硬化的退火结合起来，这就是通常相化退火与消除部分冷加工硬化的退火结合起来，这就是通常所说的预备退火和坯料退火。所说的预备退火和坯料退火。 例如，铝合金热轧板坯的终轧温度一般为例如，铝合金热轧板坯的终轧温度一般为280330 ，

59、在不，在不采用中温轧制的条件下，热轧后通常是空冷至更低的温度。采用中温轧制的条件下，热轧后通常是空冷至更低的温度。 对于热处理强化的变形铝合金，这种工艺不仅会产生加工硬对于热处理强化的变形铝合金，这种工艺不仅会产生加工硬化，而且会引起部分淬火硬化。为了便于冷轧，一般都需要进化，而且会引起部分淬火硬化。为了便于冷轧，一般都需要进行预备退火。行预备退火。 授课 朱世杰2022-5-239 复相合金的耐蚀性与第二相的大小、形状和分布有关。利复相合金的耐蚀性与第二相的大小、形状和分布有关。利用多相化退火，可使合金获得一定大小和分布的第二相，从而用多相化退火，可使合金获得一定大小和分布的第二相，从而提高

60、合金的耐蚀性。提高合金的耐蚀性。 若采用适当的变形工艺，并辅之以恰当的多相化退火使若采用适当的变形工艺，并辅之以恰当的多相化退火使相在晶内和晶界均匀分布，就可以提高合金的耐蚀性。相在晶内和晶界均匀分布，就可以提高合金的耐蚀性。 如如5A06合金，在其最后冷加工之前先加热至合金，在其最后冷加工之前先加热至320 进行多进行多相化退火，可使相化退火，可使相几乎均匀地分布于铝基固溶体晶粒之内，相几乎均匀地分布于铝基固溶体晶粒之内，从而使合金的耐蚀性得到明显的改善。从而使合金的耐蚀性得到明显的改善。 授课 朱世杰2022-5-240 重结晶是指多型性转变和共析转变时晶体结构类型的变化。重结晶是指多型性