第四章-有色金属热处理原理与工艺

曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.第四章有色金属热处理原理与工艺一、概述热处理是有色加工的重要组成部分有色金属材料：黑色金属以外的所有金属及其合金。分类：轻有色、重有色、稀有色、贵金属作用：改善工艺性能，保证后续工序顺利进行；提高使用性能，充分发挥材料潜力。类型：退火、淬火、时效、形变热处理退火：加热到适当温度，保温一定时间，缓慢速度冷却。有色中的退火：去应力退火、再结晶退火、均匀化退火二、均匀化退火对象：铸锭、铸件—→浇铸冷速大，造成成分偏析以及内应力目的：提高铸件的性能，消除内应力，稳定尺寸与组织，消除偏析枝晶，改善性能。非平衡铸态组织特征：晶内偏析or枝晶偏析；伪共晶or离异共晶；非平衡第二相；最大固溶度偏移。非平衡组织对性能的影响：枝晶偏析&非平衡脆性相—→塑性↓；晶内偏析、浓度差微电池—→耐腐蚀性↓；粗大的枝晶和严重的偏析—→各向异性&晶间断裂倾向↑；非平衡针状组织—→性能不稳定。固相线以下100~200℃长时间保温—→也称为扩散退火组织变化：获得均匀的单相、晶粒长大、过饱和固溶体的分解、第二相聚集与球化性能变化：塑性↑、改善冷变形的工艺性能、耐蚀性↑、尺寸形状稳定、消除残余应力缺点：加热温度高，时间长，耗时耗能；高温长时间出现变形、氧化以及吸气缺陷；产品强度下降。制定均匀化推过规程的原则：（1）加热温度：温度越高，原子扩散越快，均匀化过程越快，但不宜过高，易发生过烧。一般为0.90~0.95Tm①高温均匀化退火：在非平衡相线温度以上但在平衡固相线温度以下进行均匀化退火。适用：大截面工件or铝合金②分级加热均匀化退火：现在低于非平衡固相线温度加热，待非平衡相部分溶解及固溶体内成分不均匀部分降低，从而非平衡固相线温度升高后，再加热至更高温度保温，在此温度下完成均匀化退火过程。目的：均匀化更迅速、更彻底，且避免过烧适用：镁合金（2）保温时间：包括非平衡相溶解及消除晶内偏析所需的时间取决于退火温度：T↑，D↑，时间↓；铸锭原始组织特征：合金化程度、第二相分散度、尺寸铸锭的致密程度（3）加热速度与冷却速度原则：铸锭不产生裂纹和大的变形，不能过快or过慢主要采用均匀化退火的合金：Al合金、Mg合金、Cu合金中的锡磷青铜、白铜曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.三、基于回复与再结晶过程的退火适用条件：冷变形组织1.冷变形金属金属的塑型加工：锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压塑性变形对材料组织和性能的影响：（1）显微组织的变化：原来等轴状晶粒逐渐沿变形方向伸长，位错密度↑，晶粒取向择优分布；（2）性能的变化：加工硬化，强度↑，塑性↓，电阻率↑，腐蚀↑。2.冷变形金属在退火过程变化——回复再结晶冷变形金属加热退火时会发生回复、再结晶和晶粒长大过程。回复、再结晶过程中性能具体变化：（1）强度&硬度：回复变化小，再结晶变化大；（2）电阻率：回复已有大的转变；（3）内应力：回复消除大部分，再结晶全部消除；（4）亚晶粒尺寸：回复变化小；（5）密度：再结晶剧烈变化；（6）储存能变化：再结晶释放最多。回复、再结晶过程中组织变化过程：多边化形成亚晶—→亚晶粗化—→均匀化长大性能组织变化原因：机械能—→10%释放+90%形变储能—→90%空位位错+10%变形不均匀回复再结晶的驱动力：形变储能回复：冷变形金属退火时发生组织性能变化的早期阶段。本质是点位错的运动。组织结构没有明显变化，电阻率↓↓（对点缺陷敏感），硬度强度下降不多，塑性变化不大，有回复退火硬化效应，弹性极限↑。（回复退火硬化效应：低温回复退火温度下，硬度强度等，特别是屈服极限和弹性极限不仅不降低，反而升高的现象。）低温回复：点缺陷的迁移；中温回复：位错运动与重新分布；高温回复：位错滑移与攀移和重新组合。再结晶：冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。（组织变化，非相变）形成无应变的等轴晶组织，但晶粒晶格类型不变，位错密度↓↓，强度硬度↓↓，塑性↑。加工硬化消失，残余应力全部消除，耐蚀性↑，密度↑。再结晶温度：因为晶核形成长大需要原子扩散，所以需要在一个温度之上发生。再结晶温度（TR）：大变形量的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶的最低温度。TR=0.35~0.40Tm（K）常见金属熔点（℃）：Mg，650；Al，660；Cu，1083；Fe，1538。再结晶温度影响因素：（1）变形程度：变形程度↑，TR↓，但当变形增大到一定后，TR趋于定值；（2）熔点：Tm↑，TR↑；（3）原始晶粒尺寸：尺寸越细，变形抗力越大，变形储能越高，TR↓；（4）第二相粒子：复杂；（5）杂质和合金元素：阻碍再结晶，TR↑；（6）加热速度与保温时间：v↑ort↑，TR↓。再结晶后晶粒度及其影响因素：曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.（1）加热温度：T↑，d↑；（2）原始晶粒：d初↓，d↓；（3）变形度：临界变形度（εc）：对应于再结晶后得到极粗大晶粒的变形程度。超过……：随变形量↑，经理变形更加强烈和均匀，再结晶核心越来越多，再结晶后d↓；（4）杂质和合金：阻碍晶界迁移，有利细化；（5）保温时间：t↑，d↑。3.有色合金的去应力退火定义：把合金加热到一个较低温度（＜TR），保持一段时间，缓慢冷却，也称为低温退火。目的：消除应力，减少变形，稳定尺寸，保持材料强度与塑性较好的结合。残余应力分类：①按作用部位分：第一类残余应力/宏观…：整个工件；第二类/微观…：晶粒尺寸；第三类/点阵畸变：101~2纳米②按产生来源分：变形应力、热应力、相变应力残余应力的作用：可加强or减弱工作应力的作用—→压应力提高寿命。退火消除残余应力的机制：当应力超过屈服极限时，通过塑性变形使应力减小or消除（胡克定律&温度升高）；当应力小于屈服强度极限时，通过蠕变松弛应力。4.有色合金的回复退火和再结晶退火定义：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间后，使变形晶粒转变为无应变的新等轴晶粒的热处理工艺。分类：完全退火、不完全退火、织构退火为缩短保温时间，可是当提高100~200℃。四、基于多形型转变的退火基于固溶度变化的退火：脱溶、多相化退火重结晶退火：消除织构五、淬火/固溶处理与时效1.固溶处理定义：将合金加热到高温单相区一定温度，保温一定时间，使第二相充分溶解到固溶体中，随之迅速冷却到室温，以获得溶质原子在基体相中的过饱和固溶体的热处理工艺。与钢的淬火的本质区别：①加热时第二相充分溶解到固溶体中，而钢淬火加热时第二相可以不完全溶解到固溶体中；②固溶处理冷却不发生相变，仅把高温相固定下来，而淬火冷却过程发生相变。固溶处理的目的：（1）为时效处理做组织准备；（2）强化固溶体，并提高其韧性及抗腐蚀性能；（3）获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能；（4）消除应力与软化，一边继续加工or成型。固溶处理后性能变化：变形铝合金固溶处理后与退火态比，强度↑，塑形相差不大；QBe2（铍青铜）固溶处理后与退火态比，强度↓塑性↑；铸造合金固溶处理后强度&塑性↑；对于多数合金而言，固溶处曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.理后强度↑，但幅度不大。2.时效固溶处理后的铝铜合金在室温放置or一定温度下出现硬度变化。自然时效/室温下：↑→，人工时效/加热：↑→↑↓。时效温度越高，达到硬度峰值所需的时间越短。2.1过饱和固溶体分解机制时效的实质是过饱和固溶体的脱溶沉淀。按照脱溶机理分为：形核长大、调幅分解以Al-Cu合金为例（形核长大）（1）分解过程中组织变化α固溶体—→G.P.区先形成，与基体共格—→θ‘‘正方结构，与基体共格—→θ‘正方结构，与基体共格—→θ正方结构，与基体非共格原因：从体积自由能角度看，形成θ（CuAl2）相时相变驱动力变大，但由于相变的成分和晶体结构相差很大，θ相形核与长大所需克服的能垒很大，不易形成。G.P.区与基体完全共格，界面能小，形核功小，与基体的浓度差小，易形核长大，所以先形成G.P.区。（2）分解过程中的动力学过冷固溶体的沉淀过程是一个扩散过程，沉淀速度与温度也有C曲线特征，由固溶体过饱和度和原子扩散速度相互制约，使沉淀在某一温度达到最快。原因：温度↑时固溶体过饱和度↓，自由能差↓，临界形核功↑，临界形核尺寸↑。同时，原子扩散能力/扩散系数随温度↑而↑，则由于这两因素相互制约导致沉淀速度与温度成C曲线特征。（3）分解过程中各组织特征①G.P.区：固溶体中若干原子层范围内溶质原子的偏聚，属于孕育期概念。其形核主要依靠浓度起伏均匀形核，且在室温or低温下能很快形成，与固溶处理快冷形成过饱和空位为原子扩散提供条件有关。其形状有球状、针状、圆盘状，界面能依次增大，而应变能依次减小，根据具体情况按照能量最低原则，形成不同形状。G.P.区与母相保持共格，无明显界面，在晶格局部浓度较高，使点阵畸变阻碍位错，提高强度和硬度。此外，G.P.区的尺寸随温度↑而↑，密度↓，因为过饱和度减小。大多数有色在时效开始阶段都可能形成G.P.区。②θ‘‘（G.P.Ⅱ区）：在G.P.区的基础上同原子进一步偏聚，G.P.区直径扩大，Cu原子和Al原子发生有序化转变，逐渐变成规则排列，形成较G.P.区温度高的过度相θ‘‘。其为正方晶格，与基体完全共格，薄片状，是最大强化阶段。③θ‘：随着时效过程进一步发展，通远之继续偏聚，当铜与铝原子之比为1:2时，θ‘‘—→θ‘。其为不均匀形核，多在螺型位错和细胞壁处形成，正方晶格，部分共格，（圆）片状，由于晶格畸变程度小于θ‘‘，所以对位错阻碍↓，强度硬度开始↓。④平衡相θ（CuAl2）：当相长大到一定尺寸后，共格破坏，θ‘相将于α相完全脱离，形成与基体之间有明显界面的独立平衡相CuAl2。其为不均匀形核，正方点阵，无共格关系，块状。总结：固溶体—→淬火后过饱和固溶体—→过饱和空位—→过饱和溶质原子—→过渡沉淀相—→平衡沉淀相2.2回归处理定义：将经过自然失效的铝合金在230~250℃（低于固溶处理温度）短时间加热，然后迅速冷却，使合金强度和硬度回复到新淬火态水平的热处理工艺。目的：适当降低强度和硬度，让合金可以再次发生自然失效，最后获得强度硬度稍低，但应力腐蚀位错环/位错螺旋线/堆垛层错|晶界—→聚集区曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.抗力大大提高的工件。应用：零件的整形与修复。2.3时效硬化定义：在时效初期，随时效时间延长，硬度将进一步提高，此部分时效引起的硬度即为时效硬化。时效硬化曲线：时效强度or硬度随时间变化的曲线。分类：冷时效——较低温度下，硬度迅速上升，达到一定值后缓慢上升or保持不变；温时效——较高温度下，初期又一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢的孕育期，之后迅速上升达到一极大值后又随时间延长而下降。极大值硬度称为峰时效。总结：欠时效——峰时效——过时效时效硬化与脱溶相变的规律：（1）t↑硬度↑；（2）在130℃时效时，硬化曲线有双峰，第一个为G.P.区，第二个为θ‘‘；（3）含铜量↑硬度↑；（4）不同成分合金在不同温度下具有不同的脱溶序列。时效硬化机理：（1）溶质原子偏聚or有序化——内应变强化析出相or溶质原子与母体金属之间存在一定的错配度时，在其周围将产生畸变区，形成应力场，阻碍位错运动。（2）共格or非共格的析出相离子引起位错切过析出相颗粒强化；位错绕过析出相强化。2.4影响时效过程及材料性能的因素（1）化学成分合金熔点↓，脱溶速度↑；溶质浓度↑，脱溶过程↑；溶质原子与溶剂原子性能差别越大，脱溶速度越快；其他组元对脱溶速度也有影响。（2）固溶处理工艺的影响尽可能使强化组元最大限度的溶解到固溶体基体中。固溶处理温度↑，时效后强化效果↑（过高，可能使组织粗化，强化↓）；保温时间长短也有影响；冷却速度↑，时效后硬度↑。（3）时效工艺的影响时效温度的影响最为重要：合金在较高温度下短时间保温or在较低温度下长时间保温都能得到要求的强度；最