過(guò)飽和固溶體的脫溶沉淀課件

1、第七章 過(guò)飽和固溶體的脫溶分解11. 重要概念2.鋁合金在時(shí)效過(guò)程中組織和性能的變化3.鋼的回火轉(zhuǎn)變4.調(diào)幅分解21.重要概念脫溶分解： 從過(guò)飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)以及亞穩(wěn)定過(guò)渡相的過(guò)程。固溶處理：將合金加熱到固溶線以上一定溫度保溫足夠時(shí)間，獲得均勻的單相固溶體，快冷至室溫得到過(guò)飽和固溶體的過(guò)程。固溶與時(shí)效工藝的應(yīng)用： 有色金屬的固溶與時(shí)效；低碳鋼的時(shí)效，等。3合析反應(yīng)、固溶體脫溶沉淀、共析相圖、勻晶反應(yīng)、偏析反應(yīng)、包析反應(yīng)42. 鋁合金在時(shí)效過(guò)程中組織和性能的變化2.1 Al-Cu合金在時(shí)效過(guò)程中的硬度變化合金經(jīng)加熱保溫后，得到單相固溶體，之后快冷，得到過(guò)飽和固

2、溶體。固溶處理一定溫度加熱，硬度隨時(shí)效時(shí)間變化，先升后降。時(shí)效溫度越高，到達(dá)硬度最大值時(shí)間越短，硬度最大值越低。56產(chǎn)生原因：第二相析出硬度提高第二相尺寸過(guò)大：過(guò)時(shí)效7固態(tài)相變Al-Cu合金室溫平衡組織為：（Al2Cu） 的實(shí)際過(guò)程要經(jīng)過(guò)形成三個(gè)中間相來(lái)完成，在較低的溫度下時(shí)效的脫溶沉淀順序?yàn)椋?.2 Al-Cu合金的時(shí)效過(guò)程89固態(tài)相變1)GP區(qū)GP區(qū)是1938年Guinier和Preston各自獨(dú)立用X射線衍射發(fā)現(xiàn)的，故稱(chēng)GP區(qū)。經(jīng)固溶處理獲得的過(guò)飽和固溶體，在發(fā)生分解之前有一段準(zhǔn)備過(guò)程，這段時(shí)間稱(chēng)為孕育期。隨后，銅原子在鋁基固溶體（面心立方晶格）的100晶面上偏聚，形成銅原子富集區(qū)，稱(chēng)為

3、GP區(qū)，呈盤(pán)狀，只有幾個(gè)原子層厚。其晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型仍與基體相同，并與基體保持共格關(guān)系，所不同之處是GP區(qū)中銅原子的濃度較高，引起點(diǎn)陣的嚴(yán)重畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而合金的強(qiáng)度、硬度提高。10固態(tài)相變112）銅原子富集區(qū)有序化隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，將形成介穩(wěn)相,成分接近于Al2Cu，正方點(diǎn)陣。在GP區(qū)的基礎(chǔ)上Cu原子進(jìn)一步偏聚，GP區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，并有序化，即形成有序的富銅區(qū)，稱(chēng)為 相。呈盤(pán)狀，與母相有一定取向關(guān)系。由于相與基體仍保持共格關(guān)系，因此其周?chē)w產(chǎn)生彈性畸變，它比GP區(qū)周?chē)幕兏?，?duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙進(jìn)一步增大，因此時(shí)效強(qiáng)化作用更大，為最大強(qiáng)化的階段。 3）形成過(guò)渡相 隨著時(shí)效過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)

4、展，Cu原子繼續(xù)偏聚，當(dāng)銅與鋁原子之比為1：2時(shí)，形成過(guò)渡相 。成分近似Al2Cu，正方點(diǎn)陣,但軸比c/a相對(duì)于下降，由于相的點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生較大的變化，故當(dāng)其形成時(shí)與基體共格關(guān)系開(kāi)始破壞，即由完全共格變?yōu)榫植抗哺?，?duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用亦就減小，故合金的硬度開(kāi)始降低。 4）形成穩(wěn)定相 時(shí)效后期，過(guò)渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯相界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相CuAl2，稱(chēng)為相，正方點(diǎn)陣，軸比c/a相對(duì)于又下降。此時(shí)相與基體的共格關(guān)系完全破壞，共格畸變也隨之消失。并隨時(shí)效溫度的提高或時(shí)間的延長(zhǎng)，相的質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步降低。 4Cu-Al合金時(shí)效的基本過(guò)程可以概括為：過(guò)飽和固溶體形成

5、銅原子富集區(qū)(GP區(qū))銅原子富集區(qū)有序化形成相形成過(guò)渡相析出穩(wěn)定相(CuAl2)+平衡的固溶體。 合金系不同，形成的GP區(qū)、過(guò)渡相以及最后析出的穩(wěn)定相各不相同，時(shí)效強(qiáng)化效果也不一樣。固態(tài)相變時(shí)效過(guò)程中，最大強(qiáng)化效果是在析出階段，當(dāng)大量形成時(shí)，硬度開(kāi)始下降，稱(chēng)為過(guò)時(shí)效?；貧w現(xiàn)象：時(shí)效強(qiáng)化后的AlCu合金，加熱到稍高溫度，短時(shí)保溫再迅速冷卻，時(shí)效硬化效果基本消失，硬度和塑性基本恢復(fù)到固溶處理狀態(tài)，稱(chēng)為回歸。實(shí)質(zhì)是GP區(qū)和的加熱回溶。1516為什么會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡相？因?yàn)?，過(guò)渡相的出現(xiàn)使得系統(tǒng)能量的降低更加容易，速度更快。17182.3 脫溶沉淀的動(dòng)力學(xué)分析Al-Cu合金的固溶度曲線（a）及各相開(kāi)始析出的

6、動(dòng)力學(xué)曲線（b）193. 鋼的回火轉(zhuǎn)變回火：將淬火后的鋼加熱到低于臨界點(diǎn)的某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻到室溫。原因：M極不穩(wěn)定，極易分解； AR也是亞穩(wěn)相目的：改善韌性；穩(wěn)定組織；消除或減小 內(nèi)應(yīng)力。203.1淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變根據(jù)溫度，回火過(guò)程可分為以下五個(gè)有區(qū)別又相互重疊的階段：（1）碳原子的重新分布時(shí)效階段（100以下）（2）過(guò)渡碳化物（/或）的沉淀回火第一階段（100-300 ）（3）殘余奧氏體的分解回火第二階段（200-300 ）（4）過(guò)渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C回火第三階段（200-350 ）（5） Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體的形成回火第四階段（350 以上）21（1

7、）25-100 M中碳原子的重新分布Wc0.2%， 碳原子擴(kuò)散至孿晶面上弘津氣團(tuán)（2）80-250 M分解高碳M的分解T125 ，單相分解出現(xiàn)原因：碳原子的擴(kuò)散能力不同22含C量、正方度不同低碳和中碳M的分解 得到：回火馬氏體（3）殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變 （200-300 ）鋼中Wc0.4%時(shí)，就有ARAR存在既有好處也有壞處AR與過(guò)冷A的差別： 高碳；三向壓應(yīng)力23 AR向P和B的轉(zhuǎn)變AR向P的轉(zhuǎn)變與過(guò)冷A差別不大；AR向B的轉(zhuǎn)變被提前：M的存在促進(jìn)B轉(zhuǎn)變（圖7-12） AR向M的轉(zhuǎn)變二次淬火： AR在回火冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镸 如：W18Cr4V的三次回火二次淬火的起因：560保溫時(shí)，AR發(fā)生了催化（反

8、A熱穩(wěn)定現(xiàn)象）560 回火后在250 停留，依然發(fā)生穩(wěn)定化（反催化）。催化和反催化可以反復(fù)進(jìn)行多次產(chǎn)生原因：C、N原子與位錯(cuò)交互作用的結(jié)果24Ms點(diǎn)上升Ms點(diǎn)下降（4）碳化物的析出，200-700 2526（5）相狀態(tài)的變化回復(fù)和晶粒長(zhǎng)大低碳鋼：由于碳化物釘扎晶界，再結(jié)晶過(guò)程被抑制，回火時(shí)相只有回復(fù)和晶粒長(zhǎng)大高碳鋼：T=400，形成回火托氏體 T=600，形成回火索氏體回火時(shí)間較短時(shí)，低碳鋼保留板條特征，高碳鋼保留片狀特征；長(zhǎng)時(shí)間回火后，出現(xiàn)等軸組織。27內(nèi)應(yīng)力消失回火溫度越高，內(nèi)應(yīng)力消失越徹底。28軸向應(yīng)力切向應(yīng)力徑向應(yīng)力3.2淬火碳鋼回火時(shí)力學(xué)性能的變化29303.3 合金鋼回火時(shí)力學(xué)性能

9、變化的特點(diǎn)（1）延緩鋼的軟化 Me主要通過(guò)影響碳原子的擴(kuò)散來(lái)影響M的分解及碳化物的析出、長(zhǎng)大速度強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等都可提高碳在M中的擴(kuò)散激活能Q，降低擴(kuò)散系數(shù)D（2）發(fā)生二次硬化現(xiàn)象本質(zhì)：共格析出的合金碳化物的彌散強(qiáng)化合金碳化物越穩(wěn)定、越細(xì)小，強(qiáng)化效果越好M2C和MC型碳化物有明顯二次硬化效果（3）影響鋼回火后的脆性313.4回火脆性定義：淬火鋼在回火加熱過(guò)程中韌性并不是隨溫度上升而提高，而是在特定溫度范圍出現(xiàn)韌性明顯下降的現(xiàn)象。（1）第一類(lèi)回火脆性出現(xiàn)溫度：250-400 原因：碳化物Fe2C5或Fe3C沿 板條M的條界、束界、群界 或在片狀M的孿晶帶和原A 晶界上析

10、出。圖7-23 37CrNi3鋼回火時(shí)硬度和沖擊韌性的變化32第一類(lèi)回火脆性無(wú)法完全消除，但可以減輕：1）降低鋼中雜質(zhì)元素含量；2）細(xì)化A晶粒：用Al脫氧或加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用等溫淬火代替淬火+回火5）加入Cr、Si等調(diào)整發(fā)生第一類(lèi)回火脆性的溫度范圍，使之避開(kāi)所需的回火溫度。33（2）第二類(lèi)回火脆性發(fā)生溫度：450-650影響因素（1）化學(xué)成分避免P、Sn、Mn、Si、S、As、Sb等，加入Mo、W、V、Ti、稀土等。（2）回火溫度和回火時(shí)間（3）原始組織：M B P34防止措施1）降低鋼中雜質(zhì)元素含量；2）細(xì)化A晶粒：加入Nb、V、Ti3）加入Mo、W4）采用亞溫淬火，

11、使P等元素溶入殘留的F中。5）避免在450-650 溫度范圍內(nèi)回火，在650 以上回火時(shí)，采用快冷。354. 調(diào)幅分解分解時(shí)無(wú)形核階段，是通過(guò)自發(fā)的成分漲落，通過(guò)上坡擴(kuò)散使溶質(zhì)成分的波幅不斷增加，分解成結(jié)構(gòu)均與母相相同，但成分不同的兩種固溶體。364.1調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件如圖所示，發(fā)生調(diào)幅分解的條件是：合金的成分必須位于自由能-成分曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)之間。熱力學(xué)條件：非穩(wěn)態(tài)區(qū)內(nèi)，任何微量的成分起伏都會(huì)使系統(tǒng)的自由焓下降，意味著位于失穩(wěn)分解線以內(nèi)（非穩(wěn)態(tài)區(qū)）的固溶體發(fā)生分解不存在熱力學(xué)勢(shì)壘，無(wú)需形核便會(huì)以調(diào)幅分解的方式使成分波幅不斷增大。位于失穩(wěn)分界線之外（介穩(wěn)態(tài)區(qū)）的固溶體，成分的微量起伏都會(huì)引起系統(tǒng)自由焓的上升，因而不能發(fā)生調(diào)幅分解。3738調(diào)幅分解界限推導(dǎo)：假設(shè)原始成分為X0的均勻固溶體出現(xiàn)了無(wú)限小量的濃度起伏x=x-x0，而xx0，那么1mol原子的自由能變化為：Gv=G(x) - G(x0) =xG(x0)將G(x)對(duì)x0按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并代回上式，得：顯然，只有在Gv為負(fù)值時(shí)，才可作為調(diào)幅分解的驅(qū)動(dòng)力。39只有當(dāng)X0處在調(diào)幅分解線以內(nèi)時(shí)，才有在這種情況下，任何一種微小的濃度起伏，都使體系的自由能下降，即 Gv0。 404.2 增幅分解的動(dòng)力學(xué)條件 固溶體發(fā)生spinodal分解時(shí),無(wú)形核勢(shì)壘,只是溶質(zhì)原子發(fā)生上坡擴(kuò)散。