《热处理原理与工艺 教学课件 ppt 作者 赵乃勤 第8章 合金的脱溶沉淀与时效》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理原理与工艺 教学课件 ppt 作者 赵乃勤 第8章 合金的脱溶沉淀与时效（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 合金的脱溶沉淀与时效,8.1 合金的时效过程 8.1.1 合金时效过程的热力学 8.1.2 时效过程 8.2 合金时效动力学及其影响因素 8.2.1 合金时效时脱溶沉淀过程的等温动力学图 8.2.2 影响合金时效动力学的因素 8.3 时效后的微观组织 8.3.1 时效过程中的析出类型及其微观组织 8.3.2 时效过程中微观组织的变化 8.4 合金时效过程中性能的变化 8.4.1 时效硬化曲线及影响时效硬化的因素 8.4.2 时效硬化机理 8.5 调幅分解,第8章 合金的脱溶沉淀与时效,8.5.1 调幅分解的过程 8.5.2 调幅分解的组织与性能 8.6 典型合金的时效相变 8.6.1
2、马氏体时效钢的时效 8.6.2 铝合金的类型及时效过程 8.6.3 镁合金中的相变 8.6.4 钛合金中的相变 8.6.5 铜合金中的相变,8.1 合金的时效过程,图8-1 固溶处理与时效处理的工艺过程示意图,8.1.1 合金时效过程的热力学,图8-2 共晶二元平衡相图及某温度T 的自由能-成分关系曲线,8.1.1 合金时效过程的热力学,图8-3 Al-Cu系合金析出过程各阶段在某一温度 的自由能-成分关系曲线示意图,8.1.2 时效过程,1. G.P.区的形成及结构 2. 相的形成及结构 3. 相的形成及结构 4. 相的形成及结构,8.1.2 时效过程,图8-4 Al-4.6%Cu合金随时效
3、时间延长形成的脱溶析出物的透射电子显微照片 a)G.P.区 b)过渡相 c)过渡相 d)平衡相,1. G.P.区的形成及结构,图8-5 Al-Cu系合金的双重相图,1. G.P.区的形成及结构,8-6.TIF,1. G.P.区的形成及结构,表8-1 不同系统合金的G.P.区形状,2. 相的形成及结构,时效型合金在形成G.P.区以后，当时效时间延长或时效温度提高时，为了进一步降低体系的自由能，会继续析出过渡相。从G.P.区转变为过渡相的过程可能有两种情况：一是以G.P.区为基础演变为相，如Al-Cu合金；二是与G.P.区无关，相独立地在基体中形核长大，并借助于G.P.区的溶解而生长，如Al-Ag
4、合金。,3. 相的形成及结构,8-7.TIF,3. 相的形成及结构,图8-8 相周围基体相的应变示意图,8-9.TIF,8-10.TIF,4. 相的形成及结构,图8-11 相的晶胞尺寸(nm) 和原子位置,4. 相的形成及结构,表8-2 Al-Cu合金时效时最先析出的脱溶,8.2.1 合金时效时脱溶沉淀过程的等温动力学图,图8-12 等温析出C曲线示意图,8.2.1 合金时效时脱溶沉淀过程的等温动力学图,图8-13 具有平衡相、过渡相和G.P. 区固溶度曲线的双重相图的示意图,8.2.2 影响合金时效动力学的因素,1.析出过程中的扩散 2.合金成分的影响 3.时效温度的影响 4.固溶处理后时效
5、处理前的冷加工变形,1.析出过程中的扩散,表8-3 纯铝在不同温度下的空位浓,2.合金成分的影响,图8-14 Al-Cu系按95%抗拉强度的 条件起始转变曲线 1Al-4.08%Cu 2Al-4.60%Cu 3Al-4.60%Cu-0.89%Mg,3.时效温度的影响,在不同温度时效时，析出相的临界晶核大小、数量、分布以及聚集长大的速度不同。时效温度低时，由于扩散困难，G.P.区不易形成；时效温度越高，原子活动能力越强，扩散易于进行，析出速度就越快。,4.固溶处理后时效处理前的冷加工变形,一般来说，塑性变形能够诱发固态相变，对析出过程也是如此。固溶处理后时效处理前的冷加工变形能加速时效过程并提高
6、时效处理后的最高硬度值。比较突出的是Cu-Be系合金和硬铝，其冷加工变形并时效处理后所增加的硬度值相当于单独由形变硬化所增加的硬度值和单独由时效硬化所增加的硬度值之和。,8.3.1 时效过程中的析出类型及其微观组织,1.连续析出及其显微组织 2.非连续析出及其显微组织 3.局部析出及显微组织,1.连续析出及其显微组织,图8-15 形核长大型析出 过程浓度变化示意图,1.连续析出及其显微组织,图8-16 Al-20%Ag合金390时效26h的 魏氏组织、晶界析出以及无析出区,2.非连续析出及其显微组织,图8-17 固溶体不连续析出时的相图和胞状组织,2.非连续析出及其显微组织,图8-18 非连续
7、析出机理示意图,3.局部析出及显微组织,图8-19 沿无沉淀带形成裂纹源的示意图,8.3.2 时效过程中微观组织的变化,(1) 连续析出加局部析出 如图8-20a所示，在阶段中，首先发生局部析出(一般为滑移面析出和晶界析出)，接着发生连续析出。 (2) 连续析出加非连续析出 如图8-20b所示，在阶段首先发生非连续析出，接着发生连续析出。 (3) 仅发生非连续析出 如图8-20c的所示，非连续析出(包含伴生的再结晶)从晶界扩展至整个晶体。,8.3.2 时效过程中微观组织的变化,图8-20 过饱和固溶体析出产物显微组织变化顺序示意图,8.4.1 时效硬化曲线及影响时效硬化的因素,1.硬度变化 2
8、.影响时效硬化的因素,1.硬度变化,1) 固溶体的贫化。 2) 基体相的回复和再结晶。 3) 弥散硬化。 4) 由于共格析出物所引起的硬化。,1.硬度变化,图8-21 合金时效过程中硬度变化示意图,图8-22 Al-38%Ag合金在不同温,8-23.TIF,2.影响时效硬化的因素,(1) 固溶处理工艺的影响 为了获得更好的时效强化效果，固溶处理时应尽可能使强化组元最大限度地溶解到固溶体基体中。 (2) 时效温度和时效时间的影响 合金的时效强化效果与时效工艺有关，时效温度高，析出过程加快，合金达到最高强度所需时间缩短，但时效温度过高时，时效后最高强度值会降低，强化效果不佳；若时效温度过低，原子扩
9、散困难，时效过程变慢，效率降低。 (3) 时效方法的影响 时效一般可分为单级时效或分级时效。 (4) 合金的化学成分的影响 合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。,(1) 固溶处理工艺的影响,1) 固溶处理温度。 2) 保温时间。 3) 冷却速度。,(2) 时效温度和时效时间的影响,合金的时效强化效果与时效工艺有关，时效温度高，析出过程加快，合金达到最高强度所需时间缩短，但时效温度过高时，时效后最高强度值会降低，强化效果不佳；若时效温度过低，原子扩散困难，时效过程变慢，效率降低。,(3) 时效方法的影响,时效一般可分为单级时效或分级时效。,(
10、4) 合金的化学成分的影响,合金能否通过时效强化，首先取决于组成合金的元素能否溶解于固溶体以及固溶度随温度变化的程度。,8.4.2 时效硬化机理,1.内应变强化 2.位错切过沉淀物的硬化 3.位错绕过沉淀物的硬化(弥散强化),1.内应变强化,图8-24 位错线在应力场中的分布 a)位错线通过高度分散应力场 b)应力场较大时位错弯曲的情况,2.位错切过沉淀物的硬化,1) 粒子与基体中的错配引起的应力场。 2) 位错切过粒子后，粒子滑移成两部分，因而增加了表面能，如图8-2511所示。 3) 位错通过粒子时，改变了沉淀物溶质-溶剂原子的临近关系，形成层错或反向畴界，引起了所谓的化学强化。,图8-2
11、5 位错切过粒子示意图(阴影表示多出的表面) a)侧视图 b)俯视图,图8-26 位错绕过析出相示意图,8.5 调幅分解,图8-27 高温时能形成无限固 溶体的平衡相图和各相自由 能变化曲线示意图 a)具有溶解度间隙MKN和拐点曲线 RKV的平衡相图 b)在三个等温 温度下的自由能-成分关系曲线,8.5.1 调幅分解的过程,1.调幅分解的热力学条件 2.调幅分解的过程,1.调幅分解的热力学条件,图8-28 等温温度为时的自由能-成分关系曲线,1.调幅分解的热力学条件,图8-29 等温温度为时的自由能-成分关系曲线,1.调幅分解的热力学条件,图8-30 调幅分解中的 浓度变化和扩散方向,2.调幅
12、分解的过程,发生调幅分解除了要满足热力学条件之外，还需要满足另一个条件，即在合金中可以进行扩散。通过扩散而使溶质原子A和B分别向相和相聚集。因此，调幅分解是按扩散-聚集机理(Diffusional Clustering Mechanism)进行的一种固态相变。,8.5.2 调幅分解的组织与性能,图8-31 各向同性固体中调幅分解,8.5.2 调幅分解的组织与性能,8-32.TIF,8.5.2 调幅分解的组织与性能,图8-33 CuNiFe=51.533.515(摩尔比)合金的调幅分解组织 (亮区为富铜区，暗区为富镍区) a)与磁场方向平行 b)与磁场方向垂直,8.6.1 马氏体时效钢的时效,1
13、.马氏体时效钢的性能和成分特点 2.马氏体时效钢的时效过程与强化机制,1.马氏体时效钢的性能和成分特点,表8-4 典型马氏体时效钢的化学成分与屈服强度,2.马氏体时效钢的时效过程与强化机制,图8-34 18%Ni型马氏体时,2.马氏体时效钢的时效过程与强化机制,图8-35 T-250钢在482时效,2.马氏体时效钢的时效过程与强化机制,图8-36 马氏体相和-NTi相晶格匹配情况示意图,2.马氏体时效钢的时效过程与强化机制,图8-37 C-250钢和T-250钢在不同温度随时效时间显微硬度的变化,8.6.2 铝合金的类型及时效过程,1.铝合金类型 2.变形铝合金的时效特点 3.铸造铝合金的时效
14、特点,1.铝合金类型,图8-38 铝合金分类示意图,1.铝合金类型,表8-5 铝合金热处理的分类和用途,1.铝合金类型,表8-5 铝合金热处理的分类和用途,2.变形铝合金的时效特点,变形铝合金分为防锈铝、锻铝、硬铝和超硬铝合金。除了防锈铝外，其余都是可热处理时效强化的铝合金，主要有Al-Cu-Mg系、Al-Cu-Mn系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg-Cu系合金等。这类铝合金可以通过热处理充分发挥沉淀强化效果，是航空航天领域主要应用的铝合金。以Al-Cu-Mg合金(2000系列)为例，这类合金又称为杜拉铝，是可热处理强化变形铝合金中应用最广泛的一种。,3.铸造铝合金的时效特点,为了使合金
15、具有良好的铸造性能和足够的强度，铸造铝合金中合金元素的含量一般要比变形铝合金多。在常用的铸造铝合金中，其合金元素总的质量分数为8%25,成分接近共晶点。铸造铝合金除了具有良好的铸造性能外，还具有较好的耐蚀性能和切削加工性能，可制成各种形状复杂的零件，并可通过热处理改善铸件的力学性能。,8.6.3 镁合金中的相变,1.镁合金的分类及热处理特点 2.镁合金中的相变特点,1.镁合金的分类及热处理特点,(1)镁合金的分类 镁合金一般按三种方式进行分类，即合金的化学成分、形成工艺及是否含锆。 (2) 镁合金的热处理特点 镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，但镁合金中的原子扩散速度和合金相的分解速度极其缓
16、慢，所以，镁合金热处理的主要特点是固溶和时效处理时间较长，并且镁合金淬火加热后不必快速冷却，通常采用在静止或流动空气中冷却即可。,(1)镁合金的分类,镁合金一般按三种方式进行分类，即合金的化学成分、形成工艺及是否含锆。,(2) 镁合金的热处理特点,图8-39 Al-Mg二元系相图,2.镁合金中的相变特点,8-40.TIF,2.镁合金中的相变特点,8-41.TIF,8.6.4 钛合金中的相变,1.钛的合金化与分类 2.钛合金中的相变特点,1.钛的合金化与分类,表8-6 纯钛与几种常用金属的物理性能比较,1.钛的合金化与分类,表8-7 常用加工钛合金的牌号及主要化学成分,1.钛的合金化与分类,表8-7 常用加工钛合金的牌号及主要化学成分,2.钛合金中的相变特点,(1)钛合金淬火过程中的相变 钛合金自高温快速冷却时，视合金成分不同，相可转变为、或过冷相等亚稳定相。 (2)钛合金的时效过程 钛合金淬火形成的亚稳定相、及过冷相r，在热力学上是不稳定的，加热时要
