第五章-脱溶沉淀

第六章脱溶沉淀6.1沉淀的基本概念6.1.1沉淀的条件

只要固溶体的溶解度随温度发生变化，都会出现沉淀。固溶处理：使第二相充分溶入固溶体中，然后保持到室温。时效处理：将过饱和固溶体在一定温度下保温一定的时间使之发生沉淀，使第二相弥散析出。6.1.2沉淀的分类图6.2连续沉淀和不连续沉淀的示意图1.连续沉淀和不连续沉淀①连续沉淀：以孤立小颗粒或薄片在母相中形成。②不连续沉淀：在晶界形核逐步向晶内发展、长大。图6.3连续沉淀组织图6.4不连续沉淀组织2.平衡沉淀与亚稳沉淀3.共格沉淀和非共格沉淀4.正沉淀和负沉淀6.沉淀相的形核和长大

沉淀相或脱溶相应为平衡相。但相当多情况是亚稳平衡相。

沉淀产物与母相的晶体学关系，取决于过冷度、温度和沉淀产物的晶体结构。亚稳相多为共格相；平衡相多为非共格相。

沉淀相中溶质含量高于母相称为正沉淀；相反称为负沉淀。沉淀相的形核驱动力：（6.1）体系自由能变化：（6.2）6.2界面能界面能γ：增加单位面积所增加的能量，即（6.3）6.2.1化学能γC：化学键改变所引起的能量。（6.4）（6.5）上式中：（6.6）所以：用统计学方法，可以得到：（6.7）其中：并考虑：6.2.2畸变能

畸变能是原子偏离平衡位置所增加的能量。

单位面积的界面能可以表示为各位错能量的叠加：（6.8）刃型位错K=1－ν，螺型位错K=1。一维方向不匹配的界面：（6.9）其中：；—不匹配方向上的线应变。

当析出相和基体之间界面上的原子只沿某一原子方向错开一个很小量时，有：（6.10）三种界面的界面能：

共格半共格非共格畸变能大←小化学能小→大总界面能小→大

0.05~2J/m20.2~0.5J/m20.5~1.0J/m2非共格界面：（6.11）

在非共格相界与晶界平衡时，如图6.6（a），有（6.12）

通过测定二面角φ和已知的α相晶界能，便可以求得同时也可以通过改变晶界能和相界能的比值来影响φ角，从而影响第二相的形态。6.3体积应变能

在不存在约束条件下，体积应变能来源于沉淀相和母相比容不同或由形状差异引起的错配。6.3.1共格膨胀理论单位体积弹性应变能为：（6.13）若在x、y两个方向上应变，则（6.14）假定两个方向应力应变相同，且有所以：（6.15）当基体不被压缩时：（6.16）当沉淀相不被压缩时：（6.17）6.3.2非共格界面的体应变能

当两相不共格,基体承受全部应变,此时体应变能为:（6.18）

非共格体应变能的数值与界面能的数值相比较很小，因此，在讨论固态形核时非共格的体应变能都可以忽略不计。6.3.3半共格界面的体应变能

在沉淀相的周围存在位错时，体应变能一部分是位错引入的应变能，另一部分为沉淀相的应力场与位错应力场的交互作用能，即（6.19）（6.20）其中：（6.21）6.4沉淀过程举例6.4.1Al-Cu合金的沉淀GP区→θ’’→θ’→θGuinier-Presten1.常见合金的沉淀贯序2.无沉淀区的形成Al-6.9Zn-2.9Mg合金中的无沉淀区

无沉淀区的形成：时效过程中的空位贫化对无沉淀区形成起主要作用。3.Al-Cu合金的时效强化Al-Cu合金的硬度与时效时间的关系时效过程的规律：（1）硬度随铜含量的增加而上升；（2）2%Cu-Al合金时效未测出GP区；（3）凡有GP预沉淀过程，硬化皆出现二步性；（4）除2%Cu-Al合金外，硬度最高值对应着θ’’相的大量析出、θ’刚开始析出。6.4.2低碳钢的时效

所谓低碳钢的时效，是指间隙原子碳、氮在α-Fe中的脱溶所引起的性能变化。Fe-N过饱和固溶体脱溶时N原子偏聚区的TEM像6.4.3回火

含碳量在0.23%以上的马氏体存在沉淀过程。碳钢马氏体的沉淀贯序：6.5沉淀相粒子的长大和粗化6.6.1沉淀相粒子的长大

非共格界面的三种生长方式：1.片状沉淀相的侧向长大

生长速率取决于界面附近的浓度梯度dC/dx：（6.22）（6.23）

假定溶质浓度随距离x呈线性变化，如图示，则（6.24）（6.25）（6.26）（6.27）一维生长的几点结论：（3）生长速率正比于过饱和度：（1）由（6.26）式有沉淀相的增厚服从抛物线规律：（6.28）（2）由（6.27）式有生长速率随时间增长，增厚越来越慢：（6.29）（6.30）对于一、二、三维生长均有：（6.31）2.片状沉淀相端面的长大：片的直径为无穷大，L特征扩散距离：生长速率与时间无关（6.32）假设L=r，则（6.33）3.球形沉淀相的长大：

设球形粒子半径为r，浓度分布如图示：可以求得：（6.34）（6.35）（6.36）4.台阶机制生长：片状沉淀相侧向推移速率u为：（6.38）（6.37）Ch—台阶侧面α相的浓度。片状沉淀相厚度的增加速率v为：6.6.2沉淀相粒子的粗化沉淀相粒子粗化的驱动力来自总界面能的下降。粒子长大速度为：（6.40）（6.39）对于球形粒子：VB—B原子的体积。界面的曲率半径和界面外侧基体成分的关系由吉布斯-汤姆逊定理，有（6.40）的几点讨论：（6.41）

严格控制时效温度和时间是控制粒子长大的有效措施。6.6沉淀强化机制

在基体上弥散分布着第二相粒子所产生的强化方式称为沉淀强化。6.6.1位错切过颗粒机制位错切过第二相颗粒强化增量：T—位错线的张力函数；d—颗粒间距；r—粒子半径；f—粒子的体积百分数。r0—位错中心半径；（6.42）简化：（6.43）

体积分数一定，