合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/301第九章合金的脱溶沉淀与时效合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/302本章内容•1.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。•2.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。•4.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。•6.合金时效时产物的强化机制。•7.合金时效应用举例。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/303本章要求•1.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。•2.固溶处理、时效、时效硬化、脱溶的概念。有色合金(以Al-Cu合金为例)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。•4.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。•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。•7.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。•9.时效合金的回归现象。•10.合金元素对时效过程的影响。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/304金属分为黑色金属和有色金属两大类。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铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铅、锌等。有色金属的强度一般较低。设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。待处理的有色金属铸件概述合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/305一、提高有色合金的途径金属材料多为晶体材料,其强化思想一般分为两种: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。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。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形式阻碍位错的运动。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/306目前工业上主要采用强化方法:固溶强化细晶强化第二相强化(沉淀强化或时效强化、弥散强化)位错强化(形变强化、淬火等)。其中固溶处理+时效处理是有色金属材料的最重要的强化处理手段。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/307(一)固溶强化纯金属变为固溶体后,其强度和硬度将升高而塑性将降低,这个现象称为固溶强化。固溶强化主要是通过两个方面表现出来:溶质原子与位错的弹性相互作用。强化机制为:由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。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,其强化作用约相差10-100倍。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/308溶质原子与溶剂原子的化学交互作用。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。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。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/309值得注意的是: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元的原子和位错之间产生的电交互作用和化学交互作用,也是固溶强化的原因之一。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。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,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,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,它们在铜中的最大溶解度均大于9.4%。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3010固溶强化遵循下列规律:第一,对同一合金系,固溶体浓度越大,则强化效果越好。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。第三,对同一种固溶体,强度随浓度增加呈曲线关系升高。第四,工业上多采用多元微量合金化方法进行固溶强化。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3011(二)细晶强化•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。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。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粒越多,金属塑性变形的抗力越高,表现为强化效果越好。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3012•晶粒大小与金属屈服强度的定量关系,即著名的霍尔-配奇(Hall-Petch)公式。该公式描述了晶界强化的基本规律,其形式为•式中σs—屈服强度;σ0—单晶体中位错运动的摩擦阻力(派纳力);d---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。•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。210dKss合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3013•细晶强化是通过向合金中加入微量合金元素,或改变加工工艺及热处理工艺,使合金基体及沉淀相和过剩相细化,既提高合金的强度,还会改善合金的塑性和韧性。•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,结晶时一般不会开裂,但可以有效的细化晶粒,改善合金的性能。•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(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变形铝合金具有特别重要的意义。•变形铝合金中添加微量钛、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,提高合金的强度和塑性。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3014(三)第二相强化•目前工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(过剩相)。第二相强化亦称过剩相强化,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。•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。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3015•根据强化机理不同,通常将第二相强化进一步分为沉淀强化和弥散强化两种,第二相是通过加入合金元素然后经过塑性加工和热处理形成,也可通过粉末冶金等方法获得。•(1)沉淀强化(着眼于切过第二相粒子):是指第二相粒子自固溶体沉淀(或脱溶)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。•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。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3016时效形成沉淀相,产生强化•时效强化又称沉淀强化,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,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,将在基体中析出弥散分布的第二相的过程称作时效。•时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。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。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3017几种有色合金的热处理强化效果合金铝合金镁合金铍青铜牌号2A012A12ZM5QBe2抗拉强度MPa160(退火)230(退火)180(铸态)180(软态)300(淬火+自然时效)440(淬火+自然时效)440(淬火+人工时效)440(淬火+人工时效)合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3018•(2)弥散强化(着眼于绕过第二相粒子):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。•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。•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,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。合金的脱溶沉淀与时效授课朱世杰2020/1/3019•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、界面结合等状况有关