第7章 过饱和固溶体的脱溶分解

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1、1第七章第七章 过饱和固溶体的脱溶分解过饱和固溶体的脱溶分解脱溶分解脱溶分解：由过饱和固溶体析出新相或形成原子偏聚的过程。：由过饱和固溶体析出新相或形成原子偏聚的过程。条件条件：固溶体的溶解度随温度的降低发生变化。：固溶体的溶解度随温度的降低发生变化。得到过饱和固溶体的方法得到过饱和固溶体的方法：将合金加热到固溶线以上一定温：将合金加热到固溶线以上一定温度保温足够时间，得到均匀的单相固溶体，然后快冷至室温，度保温足够时间，得到均匀的单相固溶体，然后快冷至室温，即可得到过饱和固溶体。这个过程称为即可得到过饱和固溶体。这个过程称为固溶处理固溶处理。过饱和固溶体的分解方法过饱和固溶体的分解方法：将经

2、固溶处理的合金加热到固溶：将经固溶处理的合金加热到固溶线一下某一温度保温一定时间，可实现过饱和固溶体的分解。线一下某一温度保温一定时间，可实现过饱和固溶体的分解。这一过程称为这一过程称为时效时效。时效：时效： 自然时效自然时效人工时效人工时效T=T=室温室温时效强化时效强化- -沉淀强化沉淀强化TT室温室温2第一节第一节 铝合金在时效过程中组织和性能的变化铝合金在时效过程中组织和性能的变化发现：发现：淬火淬火Al-Cu-Mn-Mg合金在室温下硬度逐渐升高合金在室温下硬度逐渐升高时效硬化现象。时效硬化现象。光学显微镜下无变化。光学显微镜下无变化。1920年年Merica在确定了几种元素在在确定了

3、几种元素在Al中的固溶度曲线后，中的固溶度曲线后，提出原因：在固溶度曲线以下从过饱和固溶体中析出了某提出原因：在固溶度曲线以下从过饱和固溶体中析出了某种能够提高合金性能的细小的第二相。种能够提高合金性能的细小的第二相。采用采用X射线结构分析和电子显微分析技术证实。射线结构分析和电子显微分析技术证实。3一一、Al-Cu合金在时效过程中的硬度变化合金在时效过程中的硬度变化达到脱溶分解达到脱溶分解的条件的条件4欠时效、时效峰、欠时效、时效峰、过时效过时效随温度升高最大随温度升高最大硬度降低，且峰硬度降低，且峰值时间缩短，值时间缩短，温度较低时峰值温度较低时峰值前出现硬度平台前出现硬度平台5Al-Cu

4、Al-Cu合金合金室温平衡组织为：室温平衡组织为： （AlAl2 2CuCu） 的实际过程要经过形成三个中间相的实际过程要经过形成三个中间相来完成。来完成。区GPsss二、二、Al-Cu合金在时效过程中的微观组织变化合金在时效过程中的微观组织变化在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为：非平衡相非平衡相平衡相平衡相6(1)GP区区 GP区是溶质原子区是溶质原子(Cu)偏聚区，在偏聚区，在100面上偏聚。面上偏聚。此区内晶体结构与基体相同并此区内晶体结构与基体相同并与基体共格，无明显界面与基体共格，无明显界面。 GP区是区是1938年年Guinier和和Preston

5、各自独立用各自独立用X射线衍射线衍射发现的，故称射发现的，故称GP区。区。7(2) 相相 随着时效时间的延长，将形成介稳相随着时效时间的延长，将形成介稳相 ,成分接近于成分接近于Al2Cu,正方点阵。正方点阵。 可能是可能是GP区溶解再析出形成，亦可由区溶解再析出形成，亦可由GP区转化。区转化。呈盘状，与母相有一定取向关系。这种盘状共格沉淀物在基体呈盘状，与母相有一定取向关系。这种盘状共格沉淀物在基体内产生内产生较大弹性应变较大弹性应变，可使合金明显强化。，可使合金明显强化。8 随着时效温度的升高和时间的延长，将析出介稳随着时效温度的升高和时间的延长，将析出介稳相相 。成分近似成分近似Al2C

6、u，正方点阵，正方点阵,但轴比但轴比c/a相对于相对于 下降，下降，与基体的界面为与基体的界面为半共格关系半共格关系。(3) 相相9， 经更高温度或更长时间的时效经更高温度或更长时间的时效,将析出平衡相将析出平衡相 ,成分为成分为Al2Cu，正方点阵，轴比，正方点阵，轴比c/a相对于相对于 又又下降。下降。与基体非共格，界面能较高与基体非共格，界面能较高。(4) 相相10GP区区GP区区+ + + 11”GPT脱溶沉淀动力学图脱溶沉淀动力学图动力学特点：动力学特点： 1. 曲线呈曲线呈C型；型； 2. 存在孕育期；存在孕育期； 3. 反映温度、时间反映温度、时间对脱溶沉淀过程的影响对脱溶沉淀过

7、程的影响规律。规律。12回归现象：回归现象： 时效强化后的时效强化后的AlCu合金，加热到稍合金，加热到稍高温度，短时保温再迅速冷却，时效硬化高温度，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。实质是溶处理状态，称为回归。实质是GP区和区和 的加热回溶。的加热回溶。回归再时效回归再时效13非均匀形核非均匀形核晶界晶界无沉淀析出带无沉淀析出带14(a)(c)(e)(b)(d)(f)铝合金在不同温度下热暴露后的SEM(a)未热暴露; (c)100; (e)150; (g)200; (i)250; (k)300;非均匀形核

8、非均匀形核晶界晶界15非均匀形核非均匀形核位错位错16第二节第二节 钢的回火转变钢的回火转变将淬火钢加热到将淬火钢加热到以下某一温度，保温后以适当以下某一温度，保温后以适当方式冷至室温的一种热处理工艺。方式冷至室温的一种热处理工艺。回火是淬火后不可缺少的热处理工艺。回火是淬火后不可缺少的热处理工艺。原因原因：1. 1. 淬火钢具有高的硬度和大的淬火应力，除低碳钢外，一淬火钢具有高的硬度和大的淬火应力，除低碳钢外，一般都很脆。因此，淬火钢实际上无法直接使用，必须进行般都很脆。因此，淬火钢实际上无法直接使用，必须进行回火。回火。2. 2. 淬火钢的组织是：淬火钢的组织是：马氏体马氏体+ +残余奥氏

9、体残余奥氏体。 M、残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有、残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有向铁素体和渗碳体稳定状态转化的趋势。向铁素体和渗碳体稳定状态转化的趋势。17回火的目的：回火的目的： 减少或消除淬火工件的内应力，防止变形或开减少或消除淬火工件的内应力，防止变形或开裂；裂； 降低脆性，提高钢的塑性和韧性；降低脆性，提高钢的塑性和韧性； 稳定钢的组织和尺寸；稳定钢的组织和尺寸； 获得所需的强度、硬度、塑性、韧性的配合，获得所需的强度、硬度、塑性、韧性的配合，以满足不同的工件性能要求。以满足不同的工件性能要求。181 1、马氏体中碳原子的偏聚（马氏体中碳原子的偏聚（202

10、0100100）2 2、马氏体分解（马氏体分解（100100250250）3 3、残余奥氏体的转变（残余奥氏体的转变（250250300300）4 4、碳化物的转变（碳化物的转变（250250400400）5 5、渗碳体的聚集长大和渗碳体的聚集长大和相的再结晶（相的再结晶（400400以上）以上）一、淬火钢在回火时的组织转变一、淬火钢在回火时的组织转变191 1、马氏体中碳原子的偏聚（、马氏体中碳原子的偏聚（2020100100） 马氏体是马氏体是C在在-Fe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体，呈体心正方晶格，呈体心正方晶格，C原子分布在体心立方的扁八面体间隙之中，造成了很大的原子分布在体心立方

11、的扁八面体间隙之中，造成了很大的弹性应变，因此升高了马氏体的能量；加之马氏体晶体中弹性应变，因此升高了马氏体的能量；加之马氏体晶体中存在较多的微观缺陷，也使马氏体能量增高，使存在较多的微观缺陷，也使马氏体能量增高，使马氏体处马氏体处于不稳定状态于不稳定状态。 在在100以下回火时，铁及合金元素的原子难以扩散，但以下回火时，铁及合金元素的原子难以扩散，但C、N等间隙原子尚可进行短距离的近程扩散。当等间隙原子尚可进行短距离的近程扩散。当C、N原子扩原子扩散到微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。因此，马氏体散到微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。因此，马氏体中过饱和的中过饱和的C、N原子将向微观缺陷处偏