过饱和固溶体的脱溶沉淀课件

1、第七章 过饱和固溶体的脱溶分解11. 重要概念2.铝合金在时效过程中组织和性能的变化3.钢的回火转变4.调幅分解21.重要概念脱溶分解： 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。固溶处理：将合金加热到固溶线以上一定温度保温足够时间，获得均匀的单相固溶体，快冷至室温得到过饱和固溶体的过程。固溶与时效工艺的应用： 有色金属的固溶与时效；低碳钢的时效，等。3合析反应、固溶体脱溶沉淀、共析相图、匀晶反应、偏析反应、包析反应42. 铝合金在时效过程中组织和性能的变化2.1 Al-Cu合金在时效过程中的硬度变化合金经加热保温后，得到单相固溶体，之后快冷，得到过饱和固

2、溶体。固溶处理一定温度加热，硬度随时效时间变化，先升后降。时效温度越高，到达硬度最大值时间越短，硬度最大值越低。56产生原因：第二相析出硬度提高第二相尺寸过大：过时效7固态相变Al-Cu合金室温平衡组织为：（Al2Cu） 的实际过程要经过形成三个中间相来完成，在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为：2.2 Al-Cu合金的时效过程89固态相变1)GP区GP区是1938年Guinier和Preston各自独立用X射线衍射发现的，故称GP区。经固溶处理获得的过饱和固溶体，在发生分解之前有一段准备过程，这段时间称为孕育期。随后，铜原子在铝基固溶体（面心立方晶格）的100晶面上偏聚，形成铜原子富集区，称为

3、GP区，呈盘状，只有几个原子层厚。其晶体结构类型仍与基体相同，并与基体保持共格关系，所不同之处是GP区中铜原子的浓度较高，引起点阵的严重畸变，阻碍位错运动，因而合金的强度、硬度提高。10固态相变112）铜原子富集区有序化随着时效时间的延长，将形成介稳相,成分接近于Al2Cu，正方点阵。在GP区的基础上Cu原子进一步偏聚，GP区进一步扩大，并有序化，即形成有序的富铜区，称为 相。呈盘状，与母相有一定取向关系。由于相与基体仍保持共格关系，因此其周围基体产生弹性畸变，它比GP区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，为最大强化的阶段。 3）形成过渡相 随着时效过程的进一步发

4、展，Cu原子继续偏聚，当铜与铝原子之比为1：2时，形成过渡相 。成分近似Al2Cu，正方点阵,但轴比c/a相对于下降，由于相的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，对位错运动的阻碍作用亦就减小，故合金的硬度开始降低。 4）形成稳定相 时效后期，过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2，称为相，正方点阵，轴比c/a相对于又下降。此时相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也随之消失。并随时效温度的提高或时间的延长，相的质点聚集长大合金的强度、硬度进一步降低。 4Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为：过饱和固溶体形成

5、铜原子富集区(GP区)铜原子富集区有序化形成相形成过渡相析出稳定相(CuAl2)+平衡的固溶体。 合金系不同，形成的GP区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化效果也不一样。固态相变时效过程中，最大强化效果是在析出阶段，当大量形成时，硬度开始下降，称为过时效。回归现象：时效强化后的AlCu合金，加热到稍高温度，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溶处理状态，称为回归。实质是GP区和的加热回溶。1516为什么会出现过渡相？因为，过渡相的出现使得系统能量的降低更加容易，速度更快。17182.3 脱溶沉淀的动力学分析Al-Cu合金的固溶度曲线（a）及各相开始析出的

6、动力学曲线（b）193. 钢的回火转变回火：将淬火后的钢加热到低于临界点的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温。原因：M极不稳定，极易分解； AR也是亚稳相目的：改善韧性；稳定组织；消除或减小 内应力。203.1淬火钢回火时的组织转变根据温度，回火过程可分为以下五个有区别又相互重叠的阶段：（1）碳原子的重新分布时效阶段（100以下）（2）过渡碳化物（/或）的沉淀回火第一阶段（100-300 ）（3）残余奥氏体的分解回火第二阶段（200-300 ）（4）过渡碳化物转变为Fe3C回火第三阶段（200-350 ）（5） Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体的形成回火第四阶段（350 以上）21（1

7、）25-100 M中碳原子的重新分布Wc0.2%， 碳原子扩散至孪晶面上弘津气团（2）80-250 M分解高碳M的分解T125 ，单相分解出现原因：碳原子的扩散能力不同22含C量、正方度不同低碳和中碳M的分解 得到：回火马氏体（3）残留奥氏体的转变 （200-300 ）钢中Wc0.4%时，就有ARAR存在既有好处也有坏处AR与过冷A的差别： 高碳；三向压应力23 AR向P和B的转变AR向P的转变与过冷A差别不大；AR向B的转变被提前：M的存在促进B转变（图7-12） AR向M的转变二次淬火： AR在回火冷却时转变为M 如：W18Cr4V的三次回火二次淬火的起因：560保温时，AR发生了催化（反

8、A热稳定现象）560 回火后在250 停留，依然发生稳定化（反催化）。催化和反催化可以反复进行多次产生原因：C、N原子与位错交互作用的结果24Ms点上升Ms点下降（4）碳化物的析出，200-700 2526（5）相状态的变化回复和晶粒长大低碳钢：由于碳化物钉扎晶界，再结晶过程被抑制，回火时相只有回复和晶粒长大高碳钢：T=400，形成回火托氏体 T=600，形成回火索氏体回火时间较短时，低碳钢保留板条特征，高碳钢保留片状特征；长时间回火后，出现等轴组织。27内应力消失回火温度越高，内应力消失越彻底。28轴向应力切向应力径向应力3.2淬火碳钢回火时力学性能的变化29303.3 合金钢回火时力学性能

9、变化的特点（1）延缓钢的软化 Me主要通过影响碳原子的扩散来影响M的分解及碳化物的析出、长大速度强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等都可提高碳在M中的扩散激活能Q，降低扩散系数D（2）发生二次硬化现象本质：共格析出的合金碳化物的弥散强化合金碳化物越稳定、越细小，强化效果越好M2C和MC型碳化物有明显二次硬化效果（3）影响钢回火后的脆性313.4回火脆性定义：淬火钢在回火加热过程中韧性并不是随温度上升而提高，而是在特定温度范围出现韧性明显下降的现象。（1）第一类回火脆性出现温度：250-400 原因：碳化物Fe2C5或Fe3C沿 板条M的条界、束界、群界 或在片状M的孪晶带和原A 晶界上析

10、出。图7-23 37CrNi3钢回火时硬度和冲击韧性的变化32第一类回火脆性无法完全消除，但可以减轻：1）降低钢中杂质元素含量；2）细化A晶粒：用Al脱氧或加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用等温淬火代替淬火+回火5）加入Cr、Si等调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度。33（2）第二类回火脆性发生温度：450-650影响因素（1）化学成分避免P、Sn、Mn、Si、S、As、Sb等，加入Mo、W、V、Ti、稀土等。（2）回火温度和回火时间（3）原始组织：M B P34防止措施1）降低钢中杂质元素含量；2）细化A晶粒：加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用亚温淬火，

11、使P等元素溶入残留的F中。5）避免在450-650 温度范围内回火，在650 以上回火时，采用快冷。354. 调幅分解分解时无形核阶段，是通过自发的成分涨落，通过上坡扩散使溶质成分的波幅不断增加，分解成结构均与母相相同，但成分不同的两种固溶体。364.1调幅分解的热力学条件如图所示，发生调幅分解的条件是：合金的成分必须位于自由能-成分曲线的两个拐点之间。热力学条件：非稳态区内，任何微量的成分起伏都会使系统的自由焓下降，意味着位于失稳分解线以内（非稳态区）的固溶体发生分解不存在热力学势垒，无需形核便会以调幅分解的方式使成分波幅不断增大。位于失稳分界线之外（介稳态区）的固溶体，成分的微量起伏都会引起系统自由焓的上升，因而不能发生调幅分解。3738调幅分解界限推导：假设原始成分为X0的均匀固溶体出现了无限小量的浓度起伏x=x-x0，而xx0，那么1mol原子的自由能变化为：Gv=G(x) - G(x0) =xG(x0)将G(x)对x0按泰勒级数展开，并代回上式，得：显然，只有在Gv为负值时，才可作为调幅分解的驱动力。39只有当X0处在调幅分解线以内时，才有在这种情况下，任何一种微小的浓度起伏，都使体系的自由能下降，即 Gv0。 404.2 增幅分解的动力学条件 固溶体发生spinodal分解时,无形核势垒,只是溶质原子发生上坡扩散。