合金設(shè)計(jì)3 均勻化退火

合金設(shè)計(jì)均勻化退火李勁風(fēng)中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1（1)均勻化處理的對(duì)象是鑄錠或鑄件2.1概述有利于鑄錠或鑄件的后續(xù)冷、熱加工或熱處理提高塑性，降低變形抗力；減小淬火出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒的可能性。（2)均勻化處理的目的有利于鑄錠的加工制品或鑄件的最終使用性能提高耐蝕性能；防止層狀組織，減弱材料各向異性；提高組織穩(wěn)定性，防止蠕變導(dǎo)致材料形狀大小改變；提高強(qiáng)度、塑性。（鑄件——均勻化與固溶處理可以合并）均勻化退火MSE@CSU2鑄造過(guò)程中，非平衡凝固導(dǎo)致成分不均勻和非平衡凝固組織效應(yīng)（非平衡組織、粗大析出相、淬火效應(yīng)等）。?性能不均勻、塑性差、變形抗力大以及耐蝕性差。(3)均勻化處理的原因(4)均勻化處理過(guò)程中主要固態(tài)相變是高溫?cái)U(kuò)散還伴隨第二相粗化和球化、溶解與析出、晶粒長(zhǎng)大等，使組織趨于平衡態(tài)。均勻化退火MSE@CSU3（1）平衡與非平衡凝固過(guò)程冷速較大，凝固較快，固相擴(kuò)散來(lái)不及，α相平均成分沿bc變化，且達(dá)到c，由α+β共晶組織；枝晶生長(zhǎng)也導(dǎo)致凝固有先后。得到成分不均勻的α相固溶體+非平衡共晶組織。平衡凝固過(guò)程與組織2.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點(diǎn)非平衡凝固過(guò)程形成成分為x1的均勻固溶體(α)B高B低共晶組織過(guò)剩相枝晶干枝晶溝B低B高枝晶生長(zhǎng)均勻化退火MSE@CSU4在工業(yè)生產(chǎn)的冷卻條件下，鑄造組織的不平衡特征表現(xiàn)如下，基體固溶體成分不均勻，晶內(nèi)偏析，組織呈樹(shù)枝狀；產(chǎn)生非平衡共晶組織；可溶相在基體中的最大固溶度發(fā)生偏移，過(guò)剩相增多；高溫形成的不均勻固溶體，有的處于過(guò)飽和狀態(tài)。（2）非平衡凝固組織特點(diǎn)均勻化退火MSE@CSU5均勻化退火MSE@CSU6在生產(chǎn)條件下，α相固溶體呈樹(shù)枝狀，在枝晶胞間和晶界上除了少量的非平衡共晶組織外，當(dāng)成份超過(guò)臨界濃度k時(shí)，還有非平衡過(guò)剩相（金屬間化合物）是普遍的。?單相成分的出現(xiàn)非平衡過(guò)剩相；多相成分的過(guò)剩相增多（非平衡——原過(guò)剩相或其它新相）合金元素來(lái)不及析出來(lái)，部分濃度高者在冷卻過(guò)程中來(lái)不及析出，固溶體可能會(huì)處于過(guò)飽和狀態(tài)，淬火效應(yīng)。非平衡共晶組織中，通常α相依附于α初晶相上，β相則以網(wǎng)狀分布在枝晶網(wǎng)胞周?chē)?，在顯微組織中觀察不到典型的共晶形態(tài)。即也可能有離異共晶組織均勻化退火MSE@CSU7（3）鑄態(tài)合金性能特點(diǎn)和非平衡凝固帶來(lái)的危害塑性下降抗電化學(xué)腐蝕能力下降成分不均勻，出現(xiàn)非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，塑性嚴(yán)重下降。成分不均勻，枝晶胞中心與胞界電位差大，形成濃差微電池，抗電化學(xué)腐蝕能力下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，抗蝕力嚴(yán)重下降。材料各向異性增強(qiáng)成分不均勻，具有不同成分的微區(qū)在變形過(guò)程中延長(zhǎng)而形成帶狀結(jié)構(gòu)，造成材料各向異性。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上粗大網(wǎng)狀脆性相破碎，而沿晶（帶）間分布，增大層斷和晶（帶）間斷裂的傾向，增大各向異性。均勻化退火MSE@CSU8材料工藝參數(shù)難以控制成分不均勻，固相線溫度下移，后續(xù)加熱加工和熱處理工藝參數(shù)難以控制。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上低熔點(diǎn)化合物或共晶混合物，易過(guò)熱、過(guò)燒。變形抗力增大產(chǎn)生淬火效應(yīng)，非平衡組織存在，大量過(guò)剩相存在，會(huì)引起變形抗力增大。另外，成分不均勻，性能不均，形變不均，也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，不利于加工。組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在高溫工作或長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中，會(huì)向穩(wěn)定化方向蠕變，而造成組織、性能、形狀和尺寸不穩(wěn)。均勻化退火MSE@CSU92.3均勻化退火過(guò)程中的組織性能變化（1)均勻化退火過(guò)程中的組織變化

加熱、高溫保溫過(guò)程成分?jǐn)U散均勻化非平衡相溶解通常，非平衡過(guò)剩相溶解后，固溶體的成分仍然不均勻，還需保溫?cái)U(kuò)散。但大多數(shù)情況下，可以用非平衡相完全溶解所需要的時(shí)間來(lái)估計(jì)均勻化時(shí)間。非平衡相完全溶解所需要的時(shí)間可由顯微金相觀察來(lái)確定。Tt高溫，長(zhǎng)時(shí)√√?TAB均勻化溶解枝晶偏析消除（均勻化）均勻化退火MSE@CSU10因此，單相合金→（高溫）成分均勻的單相固溶體多相合金→（高溫）成分均勻單相固溶體+粗大球形第二相顆粒的組織冷卻過(guò)程過(guò)飽和固溶體脫溶需防止晶間析出（過(guò)慢）和淬火效應(yīng)（過(guò)快）；需控制冷速，促使晶內(nèi)析出且趨于平衡。另外，第二相球化和聚集，晶粒長(zhǎng)大，相轉(zhuǎn)變等50μm(a)(b)2197鋁鋰合金（a）出爐空冷；（b）隨爐冷卻均勻化退火MSE@CSU11枝晶偏析消除，成分均勻化;

非平衡相消失，過(guò)剩相減少;

非平衡組織平衡化（相轉(zhuǎn)變），亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失;

過(guò)飽和固溶體分解；晶粒長(zhǎng)大均勻化退火后的組織變化（理想）均勻化退火后組織狀況：組織均勻，無(wú)網(wǎng)、塊狀粗大相，不溶相呈球狀（分布于晶界），彌散相均布于晶內(nèi)，晶粒可能有所長(zhǎng)大均勻化退火MSE@CSU12一種鋁合金均勻化退火前后組織變化ACBD(a)BA(b)均勻化退火MSE@CSU13均勻化退火MSE@CSU14(2)均勻化退火對(duì)材料性能的影響塑性提高，變形抗力降低，材料工藝參數(shù)好控制，抗電化學(xué)腐蝕能力提高，材料各向異性減弱，組織穩(wěn)定化不均勻的非平衡組織均勻的近平衡組織枝晶偏析消除，成分均勻化;

非平衡相消失，過(guò)剩相減少;

非平衡組織平衡化（相轉(zhuǎn)變），亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失;

過(guò)飽和固溶體分解；晶粒長(zhǎng)大

對(duì)于鑄錠（半連續(xù)鑄造）變形抗力降低，塑性提高，消除內(nèi)應(yīng)力，從而減小形變不均勻性，降低在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、機(jī)加工和壓力加工過(guò)程中開(kāi)裂的危險(xiǎn)，提高加工制品的表面質(zhì)量，同時(shí)也降低能耗，提高生產(chǎn)效率；對(duì)于壓力加工材料改善材料塑性（強(qiáng)度有的合金提高，有的降低（擠壓效應(yīng)消失）），提高耐蝕性，減弱各向異性，防止晶粒粗化（尤其是Al-Mn合金），提高立方織構(gòu)成分（高純Al箔），避免過(guò)熱、過(guò)燒；對(duì)于鑄件改善力學(xué)性能，提高耐蝕性，穩(wěn)定零件形狀與尺寸，防止在使用過(guò)程中蠕變。均勻化退火MSE@CSU152.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程(1)均勻化退火的應(yīng)用均勻化退火不論對(duì)于鑄件，還是對(duì)于鑄錠，都是十分重要。也有其不利的一面：費(fèi)時(shí)耗能，經(jīng)濟(jì)效益差；溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，易帶來(lái)變形、吸氣、氧化等問(wèn)題，也過(guò)熱、過(guò)燒；有的材料會(huì)強(qiáng)度下降，這對(duì)于要求高強(qiáng)的材料是不利的。因此，是否進(jìn)行均勻化退火應(yīng)視具體問(wèn)題具體分析。均勻化退火MSE@CSU16(2)均勻化退火的工藝規(guī)程的制定原則均勻化退火的主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間，其次是加熱速度和冷卻速度加熱溫度I為了提高擴(kuò)散速率，加速均勻化過(guò)程，提高均勻化效果，應(yīng)①盡可能地提高均勻化退火溫度，但必須防止溫度太高，而引起②過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)上，T均=（0.9~0.95）Tm（Tm——鑄錠實(shí)際開(kāi)始熔化的溫度，低于固相線）理論上，可以由相圖給出

I———選擇非平衡固相線以下，盡可能高（低溫均勻化（擴(kuò)散）退火）II———選擇平衡固相線以下，盡可能高（高溫均勻化（擴(kuò)散）退火）I+II——先在I的溫度下均勻化，在到II的溫度下均勻化，（分級(jí)均勻化（擴(kuò)散）退火）均勻化退火MSE@CSU17低溫均勻化退火——保險(xiǎn)，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒，過(guò)熱、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題也不嚴(yán)重，但難以達(dá)到組織均勻化的目的，即使能達(dá)到，也需極長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)不利。高溫均勻化退火——冒險(xiǎn)，但均勻化效果好。溫度高有利于長(zhǎng)程擴(kuò)散，速度快，時(shí)間短，生產(chǎn)效益好。但易出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、吸氣、變形等問(wèn)題。大多數(shù)合金是不可以進(jìn)行高溫均勻化退火，易氧化、吸氣者更加不可以；鋁合金有致密的表面氧化膜，可以，但也要慎重均勻化退火MSE@CSU過(guò)燒現(xiàn)象18

分級(jí)均勻化退火——通過(guò)低溫均勻化可以降低高溫均勻化時(shí)過(guò)燒的可能性，而高溫均勻化又可加速均勻化。兼有低溫均勻化退火和高溫均勻化退火的優(yōu)點(diǎn)，但麻煩。鎂合金多采用分級(jí)加熱工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻化。鋁合金也大量采用實(shí)際上，合理選擇均勻化退火溫度需用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定（怎樣測(cè)定？），如采用金相法來(lái)觀察測(cè)定過(guò)熱或過(guò)燒的最低溫度。均勻化退火MSE@CSU第一級(jí)均勻化提高過(guò)燒溫度19保溫時(shí)間非平衡相溶解時(shí)間和晶內(nèi)偏析消除時(shí)間，但不是簡(jiǎn)單地加和。有非平衡過(guò)剩相，以其溶解所需時(shí)間為主；無(wú)非平衡過(guò)剩相，以固溶體濃度均勻化所需時(shí)間決定；主要取決于退火溫度、合金本性、偏析嚴(yán)重程度、非平衡相的形狀、大小和分布狀況以及鑄錠的致密性。還與加熱設(shè)備、鑄錠尺寸、裝爐量和裝料方式有關(guān)。均勻化退火MSE@CSU原則上，保溫時(shí)間盡可能長(zhǎng)。但太長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益差；而且隨著成分的均勻化，濃差減小，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力減小，進(jìn)一步均勻化難。因此，均勻化退火時(shí)，均勻化過(guò)程也只是前期劇烈，后期緩慢，過(guò)分延長(zhǎng)時(shí)間，也無(wú)意義。Thedissolutiontimefor6.0μmparticleswillbeabout55timesthanthatfor0.8μmparticles20均勻化處理只能消除或減少晶內(nèi)偏析，而對(duì)區(qū)域偏析（宏觀偏析）的影響甚微。消除區(qū)域偏析需晶間擴(kuò)散，而晶間擴(kuò)散會(huì)因晶間夾雜和空隙而難以實(shí)現(xiàn)。欲消除區(qū)域偏析，可能要數(shù)年甚至數(shù)百年。無(wú)意義！合理選擇均勻化退火時(shí)間需用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，通常在數(shù)小時(shí)和數(shù)十小時(shí)之間。均勻化退火MSE@CSUAl-Cu-X合金成分振幅達(dá)到1%所需時(shí)間21均勻化退火MSE@CSU5083鋁合金成分鋁Al：余量硅Si

：≤0.40銅Cu：≤0.10鎂Mg：4.0～4.9鋅Zn：≤0.25錳Mn：0.40～1.0鈦Ti：≤0.15鉻Cr：0.05～0.25鐵Fe：0.000～0.400注：?jiǎn)蝹€(gè):≤0.05；合計(jì):≤0.1522加熱速度和冷卻速度

加熱——以不開(kāi)裂、不大變形、不產(chǎn)生大裂紋為原則，可快，可慢、也可分級(jí)加熱。幾乎所有的熱處理的加熱速率控制原則都如此。冷卻——不宜快，也不宜慢太慢，則會(huì)產(chǎn)生粗大相，且第二相析出不均勻，易沿晶界析出，甚至呈鏈、帶、網(wǎng)狀分布，達(dá)不到均勻化退火的目的；后續(xù)固溶難溶解。太快，則會(huì)產(chǎn)生淬火效應(yīng)，后續(xù)變形抗力大，達(dá)不到均勻化退火的目的。需具體問(wèn)題具體分析，606