第三章合金的时效ppt课件.ppt

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1、第三章 合金的时效,聊城大学材料学院,由A、B两组元组成的合金，B在A中的固溶度是有限的，并且随温度的降低而减小。如图示。,固溶处理：如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的某一温度并保持足够长的时间，使溶质元素（元素B）充分溶入固溶体（相）中，然后予以快速冷却，以抑制这些元素重新析出，致使室温下获得一个过饱和固溶体，这种热处理称为固溶处理或固溶淬火。 析出：指某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或将它加热到一定温度，溶质原子会在固溶体点阵中的一定区域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀 时效：适当温度，在析出过程中，合金的机械性能、物理性能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效，本质是从过

2、饱和固溶体析出弥散相。,时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬度或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体；二是其固溶度随着温度的降低而减小。 时效处理如采用室温下放置的方法进行，则称为自然时效或室温时效；如采用加热到一定温度的方式，则称为人工时效。,成核与长大型析出又可分为两个小类：一是析出物的晶体结构与母相的相同，而析出物的成分则与母相的不同；二是析出物和母相不但在晶体结构上，而且在成分上都不相同。 对时效合金而言，析出物和母相的晶体结构

3、和成分都不相同的系列的合金更有意义，由于析出物和母相的晶体结构和成分都不相同，所以在析出时所产生的时效现象一般是较为显著的。,3.1析出过程的热力学,铝合金的热处理,可热处理强化变形铝合金的热 处理方法：固溶处理 + 时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,固溶热处理 (solution treatment)淬火(quench)時效处理(aging treatment),在室温下进行的时效称自然时效（natural aging）；在加热条件下进行的时效称人工时效（ar

4、tificial aging ） 时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时,随时效时间延长, 时效曲线上出现峰值,超过峰值时间,析出相聚集长大, 强度下降,为过时效。,随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有关。以Al4%Cu合金为例。该合金在室温时的平衡组织为+CuAl2（CuAl2即为平衡相），加热到固相线以上，第二相CuAl2完全溶入固溶体中，淬火后获得在铝中的过饱和固溶体，有自发分解的倾向。当给予一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四个阶段：,1）时效初期 铜原子偏聚于固溶体的100晶面上，形成铜原子富集区，称为

5、GP区。,2）随着时间的延长或温度的提高，在GP1区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP。GP区可视为中间过渡相，常用表示，使合金得到进一步强化。,3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP 区继续偏聚，形成过渡相，晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。,4）时效后期，过渡相完全从母相中脱溶，形成平衡相，使合金的强度、硬度进一步降低，即所谓“过时效”。,Al4%Cu合金时效的基本过程可以概括为：合金淬火过饱和固溶体形成铜原子富集区（GP区）铜原子富集区有序化（GP区）形成过渡相析出平衡相（CuAl2）+平衡的固溶体。,时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的

6、低。,4%Cu的Al-Cu合金，加热到550并保温一段时间后, 在水中快冷时, 相(CuAl2)来不及析出, 合金获得过饱和的 固溶体组织, 其强度为b250MPa。若在室温下放置, 随着时间的延续, 强度将逐渐提高, 经45天后, b可达400MPa。,一般而言，在固溶体析出情况中，临界晶核尺寸和临界晶核形成功也是随着体积自由能差值的增加而减小的。在时效温度相等的条件下，随着溶质元素含量的增加，即随着固溶体过饱和度的增加，析出物的临界尺寸是减小的，在溶质元素含量相等的情况下，随着时效温度的降低，临界晶核尺寸是减小的，这是因为固溶体过饱和度增加的缘固。,过饱和固溶体、溶解度固溶处理时效：过饱和

7、固溶体在室温或较高温度保留一段时间，有第二相从基体中析出的过程。,一、脱溶沉淀过程,脱溶沉淀过程受溶质扩散控制，在沉淀过程中可能形成一系列介稳定相（过渡相）。,概述,Al-Cu合金室温平衡组织为：（Al2Cu） 的实际过程要经过形成三个中间相来完成，在较低的温度下时效的脱溶沉淀顺序为：,(1)GP区GP区是溶质原子(Cu)偏聚区，在100面上偏聚。此区内晶体结构与基体相同并与基体共格，无明显界面。GP区是1938年Guinier和Preston各自独立用X射线衍射发现的，故称GP区。,，,时效过程中，最大强化效果是在析出阶段，当大量形成时，硬度开始下降，称为过时效。,回归现象：时效强化后的Al

8、Cu合金，加热到稍高温度，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溶处理状态，称为回归。实质是GP区和的加热回溶。,三、沉淀强化机制,通过热处理实现的强化，称为沉淀强化、析出硬化或时效硬化;通过粉末烧结实现的强化，称为弥散强化、颗粒强化。本质上都是由于分散性颗粒与位错交互作用而产生的强化。,机制：1.切过机制2.绕过机制,3.2析出过程（脱溶沉淀过程）,（一）实际析出过程 过饱和固溶体发生析出后，将变为饱和固溶体和析出物，一般是指平衡析出过程（即达到了最终状态）而言。而在实际析出过程中，在达到这个最终状态以前，往往要经过几个过渡阶段。最典型的，也是研究得最早的和最细致的

9、是Al-Cu合金。这种合金的析出过程为： 相（Al基过饱和固溶体）、G.P.区、相、相、相（平衡相CuAl2),G.P.区是溶质原子聚集区。它的点阵结构与过饱和固溶体的点阵结构相同。换言之，当从过饱和固溶体形成G.P.区时，晶体结构并未发生变化，所以一般把它当作“区”，而不把它当作新的“相”看待。G.P.区与过饱和固溶体（基体）是完全共格的。这种共格关系是靠正应变维持的，属于第一类共格。 相和相都是亚平衡（亚稳定）的过渡相。 相与过饱和固溶体也是完全共格的，而相与过饱和固溶体则变为部分共格的。它们的点阵结构与过饱和固溶体的不同。它们具有一定的化学成分，相当于CuAl2。过渡相具有一定的化学成分

10、和晶体结构，这是它们与溶质原子集团的G.P.区主要区别。,（二）G.P.区的结构与形成 G.P.区的结构模型如图所示。此图表示G.P.区的右半边（左半边与其对称）的横截面。图面平行于（100）（指Al原子点阵），而垂直（001）和（010）。Cu原子层（图中的黑点）是在（001）上形成的。由于Cu原子半径小于Al原子半径，所以Cu原子层附近的Al原子点阵必然要沿001方向发生收缩。,Cu原子半径为Al原子半径的87%左右，所以有理由认为最近邻那两层Al原子层间距的收缩大约为10%，相邻各层原子间距的收缩逐渐减小。可以看出，在Cu原子层边缘的点阵畸变最为剧烈。由于Cu原子半径与Al原子半径之间的

11、差值较大（-11.8%)，Cu原子层在形成时所发生的弹性应变能较大，所以Al-Cu合金中的G.P.区呈圆盘状。,在Al-Ag系和Al-Zn系合金中，溶质原子半径和溶剂原子半径之间差值很小，在G.P.区形成时所发生的弹性应变能相对较小，而界面能则相对较大，所以它们的G.P.区呈球状。如图所示，此图为通过G.P.区中心的一个截面，小圆表示G.P.区，大圆和小圆之间表示贫溶质原子区（贫银区）。,（三）相的结构与形成 相具有正方点阵，点阵常数为a=4.04，c=7.6-8.9。其晶胞中的原子分为五层，中央一层为100%的Cu原子，上、下两面系100%的Al原子，而中央一层与上、下两面之间的两个夹层则由

12、Cu和Al原子混合组成，总的成分相当于Al2Cu 。 相一般是在G.P.区的基础上，向直径和厚度方向，但主要是向厚度方向成长。在厚度方向上，以一层Cu原子浓度较高，另一层Cu原子浓度较低，如此交替重叠而成。点阵常数与母相相比，在a、b方向上基本相同，在c方向上则稍为收缩。,相和基体仍保持完全共格的关系。随着的相成长，在相周围的基体相中不断产生应力和应变。如图示出相周围基体相的应变。,（四） 相的结构与形成 相也具有正方点阵，成分相当于CuAl2。是通过形核长大方式形成的。与相不同，相是不均形核，通常是在螺型位错及胞壁处形成。与基体相保持部分共格联系。,（五） 相的结构与形成 一般认为，相是由长

13、大而成。随着相的长大，相周围的相中的应力、应变和弹性应变能越来越大，相就越来越不稳定。当相长大到一定尺寸时， 相与相完全脱离，而以完全独立的平衡相-相出现。相也具有正方点阵，a=6.066，c=4.874。相与基体相之间为非共格关系。 G.P.区的形成是凭借浓度起伏的均匀成核，过渡相与平衡相的形成可以有两种情况：一是以G.P.区为基础逐渐演变为过渡相以至于平衡相，Al-Cu合金属于此类，二是通过非均匀形核长大方式。,图是Al-4Cu合金在130oC和190oC时效过程中硬度的变化。图中可以看出，C.P.区所造成的硬度增加到一定程度即达到饱和状态，随着相的出现造成硬度的重新上升并达到峰值；当组织

14、中出现相时，硬度开始降低，这种现象称为过时效；如形成稳定的相，则合金完全软化。因而合金在时效过程中随时效时间的增加，其硬度先增加后降低，有一个最佳时效时间使其硬度最高。,Al-4Cu合金时效硬化曲线,时效过程的基本规律： 先由固溶处理获得双重过饱和的空位和固溶体；时效初期，由于空位的作用，使溶质原子以极大的速度进行重聚形成G.P.区；随着提高时效温度和增加时效时间，G.P.区转变为过渡相，最后形成稳定相。此外，在晶体内的某些缺陷地带也会直接由过饱和固溶体形成过渡相或稳定相。,3.3析出后的显微组织,（一）析出的类型1、局部析出 优先发生于晶体缺陷处的析出称为局部析出。较为常见的局部析出有两种，

15、即滑移面析出和晶界析出。 滑移线析出的组织与魏氏组织相似，而在形成晶界析出的同时，还会出现在晶界附近区域形成无析出区。局部析出时，析出物附近基体的浓度显著下降，但是远离析出物的地方基体仍保持原有成分。,2、连续析出 析出物附近基体的浓度变化是连续的。在连续析出中，析出物的分布是较为均匀的，或者说是较为全面的，因而连续析出又称全面析出。 连续析出的形核属于均匀形核，析出物的分布与基体中的晶界、位错等缺陷无关。一般情况下，析出物与基体保持一定的晶体学位向关系和惯习面，形成具有魏氏组织形态特征的组织。另外在析出物长大时，溶质原子进行长程扩散。,3、不连续析出 不连续析出的主要特征是沿晶界不均匀形核，

16、然后逐步向晶内扩展，同时伴有应变诱发再结晶。 应变诱发再结晶：在等温条件下，由于应力和应变不断增加而诱发的再结晶称为应变诱发再结晶。 不连续析出过程中，析出区与未析出区，在界面两侧溶质浓度的变化是突变的，不连续的。溶质原子在析出过程中只做短程扩散。,4、连续析出与不连续析出的区别（1）基体浓度变化，连续与不连续；（2）析出过程有无再结晶；（3）析出物分散于晶粒内，较均匀。析出物集中在晶界逐步向晶内发展；（4）扩散性质，长程扩散，短程扩散；（5）析出物组织形态不同。,5、析出物的粗化和球化 为了在体积不变的情况下减少界面面积，从而减小界面能，析出物（包括G.P.区、过渡相以至平衡相）都会逐渐发生

17、粗化和球化。其中尤其以平衡相的粗化和球化对合金性能的影响最大，一旦平衡相发生粗化和球化，合金的强度就会显著降低。,（二）析出过程中显微组织变化序列,（三）无析出区 许多时效合金在发生晶界析出时，还会在晶界附近形成一个无析出区，一般认为无析出区是有害的，因为它的屈服强度很低，易于在该区发生塑性变形，结果导致晶间破坏。除此之外，相对于晶粒内部而言，无析出区是阳极，易于发生电化学腐蚀，从而使应力腐蚀加速。 无析出区形成的原因有两种看法，一是溶质贫化理论，另一是空位扩散理论。,（一）时效硬化机制 按照近代的强度理论，合金的强化是由于位错的运动受到阻碍后所产生的结果。对时效强化（硬化）而言，强化的原因主

18、要有三种： 1、析出物周围的基体相中的弹性应力场对位错运动有阻碍作用； 2、位错切过析出物，形成表面台阶，增加界面能所造成的强化，即所谓化学强化； 3、位错绕过析出物所造成的强化，即所谓的Orowan机理而发生的强化。,3.4析出过程中性能的变化,（二）硬度变化 时效硬化是时效处理时的主要性能变化。许多时效型合金，特别是铝基合金，时效处理时的硬度-时间关系曲线根据时效温度的不同，可以分两种类型，即所谓冷时效和温时效。,1、冷时效（自然时效） 是指在较低温度下进行的时效，一般是指室温下搁置时所发生的情况。硬度-时间关系曲线大致可分为三段：孕育期（某些合金的孕育期不明显）、快速反应阶段以及慢速反应

19、阶段。在慢速反应阶段的后期，硬度基本上保持常数。一般认为，冷时效所反应的性能变化是由G.P.区形成所致。,2、温时效（人工时效） 是指在较高温度下进行的时效。硬度-时间关系曲线大致可分为三段：孕育期、硬化阶段（上升阶段）以及软化阶段（下降阶段）。软化阶段又称为过时效，需要避免，一般认为，是从析出平衡相开始的。温度愈高，出现极大值或开始出现过时效的时间愈短。温时效可以反映析出的全过程甚至析出物的粗化和球化的情况。,(四)、双硬度峰值,对于二元合金，产生这一现象的原因可能有两种：（1）由于某一析出程可以分为明显可分的几个不同阶段，每个阶段的结构变化皆可以引起一个硬度峰。（2）由于发生局部析出和连续

20、析出的时间先后不同的缘故。如前所述，局部析出发生在先，连续析出发生在后，因此由这两种析出所引起的硬度也出现的有先有后。在一般的情况下，由局部析出和连续析出所引起的硬度分别对应第一、第二硬度峰。,（一）溶质浓度的影响 一般来说，在不超过最大溶解度的条件下，随溶质浓度（即固溶体过饱和度）的增加，将发生两方面的影响：（1）析出过程加快。（2）时效处理时性能变化越来越显著。 当溶质浓度超过最大固溶度时，时效后的性能变化越不显著。这是因为合金中出现了其他组织组成物，从而使析出产物所占的比值减小的缘故。所以时效型合金中的溶质浓度一般皆控制在最大固溶度附近。,3.5影响析出过程的因素,（二）微量元素的影响

21、在时效型合金中，除了必不可少的溶质元素外，往往为了一定的目的而再加入一些其它合金元素，或者由于冶炼等方面的原因而残留下来一些元素。这些元素的含量虽然不多，但是却可对析出过程产生很大的影响。1、降低溶质原子的扩散速度 例如在Al-Cu系合金中，当加入Cd、Sn或In以后就是如此。由于Cd、Sn或In原子与空位的结合能大于Cu原子与空位的结合能，因此在固溶淬火时后大部分的空位皆与Cd、Sn或In原子结合，这样，Cu原子的扩散由于缺乏空位的帮助而变得困难。,2、提高过渡相析出的速度 例如在Al-Cu系合金中，当加入Cd、Sn或In以后，相的析出速度加快。有人认为这是由于这些合金元素被吸附在 相-基体

22、的界面上，使界面结构改变界面能减小，从而使 相的临界晶核减小的缘故。3、增加析出相的弥散度 例如在Al-Zn-Mg合金系中当加入Ag以后，可使析出物的弥散度显著增加，并使无析出区消失，这对合金性能提高是有利的。在Al-Cu系合金中加入Cd，也有类似的效果。,（三）固溶处理工艺的影响,1、加热温度、保温时间的影响 一般来说，固溶处理温度愈高，保温时间愈长，被溶解的物质愈多化学成分愈均匀，晶粒也愈粗，结果在随后的时效处理时的性能变化就愈显著。同时有利于连续析出而不利于局部析出。还会使固溶处理后“冻结”下来的空位数目增加，缩短时效处理时间。但固溶处理温度受到合金熔点的限制，时间也不宜过长。合适的加热

23、温度和保温时间必须根据具体情况而定。,2、固溶处理冷却速度的影响（1）许多合金当固溶处理冷却速度较慢时会发生部分析出，因而随后的时效处理的效果将受到影响。要注意：对于时效型合金的固溶处理，冷却速度愈大，所获得的硬度愈低；而对于钢的淬火，冷却速度愈大，则所得的硬度就愈高。两种情况正好相反。（2）剧烈的固溶淬火会产生很大的热应力，这种热应力的数值可能很大，甚至达到屈服极限水平，结果会使合金内部发生塑性变形，从而促进滑移面析出的形成。另一方面，固溶淬火所产生的应力还会使零件发生变形甚至开裂。,（四）固溶处理后时效处理前的冷加工变形 这个因素的影响是错综复杂的，并由于所用的实验方法不统一，因此所得结果

24、，往往是矛盾的，甚至对于同一种合金，由于作者不同也会得出相反的结论。 一般来说，塑性变形能够诱发固态相变，对析出过程也是如此。固溶处理后时效处理前的的冷加工变形能加速时效过程并提高时效处理后的最高硬度 。另外冷加工变形还能促进平衡相的析出，部分甚至全部抑制无析出区的形成。,形变时效对Cu-Ag-Cr合金硬度的影响,（五）时效处理的温度与持续时间 时效处理温度是个重要的影响因素，它对析出过程的机理和动力学，以及合金在时效后的结构、组织和性能都有很大影响。如冷时效与温时效多是以此来区分的。温度高原子活动能力强，析出速度加快，但是随温度升高，过饱和度及自由能之差也减小，当这一因素占主导作用时，析出速

25、度又将降低，因此，在一定温度范围内，可以通过提高温度的办法来加速时效过程。另外，温度升高，时效的阶段数将减小。 与时效处理温度相比，时效处理时间是个次要的因素。虽然如此，如果采用人工时效，则要注意时间不能太长，以免发生过时效。,时效处理对Cu-Ag-Cr合金硬度的影响,（六）两段时效 所谓两段时效就是行在某一等温温度进行第一次时效，接着在另一个温度进行第二次时效。 一般情况下，第一次时效采用较低的温度，第二次时效采用较高的温度。 对于同一种合金，即在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度的降低，由于固溶体过饱和度的增加，析出物晶核是增多的。第一次时效的目的即在于获得弥散度较大的析出物。第二次时效的目的则是使固溶体析出达到足够的程度，并使析出物长成一定的尺寸。这样，与常规的一段时效相比，两段时效可以获得分布较密且较为均匀的析出物。,（七）时效后的回归 许多时效型合金在发生时效（硬化）以后，通过在某一温度（该温度的位置处于平衡相甚至过渡相的固溶度曲线以下）加热，时效硬化现象会基本上消除，硬度会基本上恢复（回归）到刚经固溶处理的状态，这种现象称为回归。这些合金在发生回归后，当再次进行时效时，会重新发生硬化。,本章小结,Al-Cu合金的析出过程为： 相（Al基过饱和固溶体）、G.P.区、相、相、相（平衡相CuAl2) 。析出的类型：局部析出、连续析出、不连续析出。影响析出过程的因素。,