第08章 合金的时效

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1、第八章 合金的时效简 介 1906年Wilm在研究Al-Cu-Mn-Mg合金时偶然发现该合金淬火后在室温下放置，硬度随时间的推移不断升高时效 时效的本质：过饱和固溶体的脱溶沉淀 时效分为自然时效和人工时效 马氏体回火析出碳化物也是脱溶分解过程 时效是许多有色金属热处理强化的主要方法如何获得过饱和固溶体淬火加热时,第二相会出现溶解 过饱和固溶体的脱溶沉淀 以相图上合金元素在以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度中的最大饱和溶解度D为界线将为界线将各种各种Al合金分为合金分为变形铝合金变形铝合金和和铸造铝合金铸造铝合金两大类。两大类。是指是指成分小于成分小于D D点的合金点的合金可以得到可以得到

2、单相固溶体组织单相固溶体组织，塑性变形能力好，适合于冷热加工。塑性变形能力好，适合于冷热加工。 变形铝合金又可分为变形铝合金又可分为热处理强化热处理强化和和不可热处理强化不可热处理强化铝铝合金合金两种：成分小于两种：成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而点的合金其固溶体成分不随温度而变化，故不能用热处理强化；变化，故不能用热处理强化； 反之则可以通过时效处理而反之则可以通过时效处理而沉淀强化。沉淀强化。 固溶处理：将成分位于DF点之间的合金，加热到 相区，经保温获得单相 固溶体后迅速水冷，可在室温下获得过饱和的 固溶体，这种处理方式称为固溶处理。 问题：如果慢冷情况如何？ 时效强化：固溶处理

3、后得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效强化。在室温下进行的称自然时效；在加热条件下进行的称人工时效。 时效条件： 合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。 固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶体平衡的其他相）强化之间的差异造成的。的其他相）强化之间的差异造成的。 （注：淬火加热时，第二相会出现溶解）（注：淬火加热时，第二相会出现溶解）固溶处理（固溶处理（） 若若淬火前第二相的强化效果淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强

4、化的效果，淬火后固溶强化的效果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度； 若若淬火前第二相的强化效果淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效淬火后固溶强化的效果果，则则淬火后合金的强度淬火后合金的强度。 铝合金中常加入的主要合金元素铝合金中常加入的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn，Si，Li等都与等都与Al形成有形成有限固溶体，有较大的固溶度（见表限固溶体，有较大的固溶度（见表10-1），具有较好的固溶强化效果。），具有较好的固溶强化效果。 单纯靠固溶作用对单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另合金的强化作用是很有限的，另一种更为有效的强化方式是一种更为有效的强化方式是Al合金的合

5、金的固溶（淬火）处理固溶（淬火）处理+时效热处理时效热处理。实际上随着析出进行，固溶的强化效果在降实际上随着析出进行，固溶的强化效果在降低。为什么？低。为什么？ 铝合金中铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件较强的沉淀强化效果的基本条件： 沉淀强化相是硬度高的质点；沉淀强化相是硬度高的质点； 加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且加入铝中的合金元素应有较高的极限固溶度，且 其随温度降低而显著减小；其随温度降低而显著减小； 淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出 均匀，弥散的均匀，弥散的共格或半共格共格或半共格的亚稳相的亚稳相，在基体中，在基体中

6、能形成强烈的应变场。能形成强烈的应变场。 8-1 脱溶沉淀过程 脱溶沉淀析出与淬火钢回火转变一样，不会直接析出稳定的析出相，由亚稳析出相为过渡 以Al-4%Cu合金为例qG.P.区 相：CuAl2铝铜合金相图G.P.区G.P.区示意图 G.P.区的结构与形成区的结构与形成 G.P.区的结构模型如图所示。此图表示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。图面区的右半边（左半边与其对称）的横截面。图面平行于（平行于（100）（指）（指Al原子点阵），而垂直（原子点阵），而垂直（001）和（和（010）。）。Cu原子层（图中的黑点）是在原子层（图中的黑点）是在（00

7、1）上形成的。由于）上形成的。由于Cu原子半径小于原子半径小于Al原子原子半径，所以半径，所以Cu原子层附近的原子层附近的Al原子点阵必然要沿原子点阵必然要沿001方向发生收缩。方向发生收缩。G.PG.P区的发现区的发现： 19381938年，年，A.GuinierA.Guinier和和G.D.PrestorG.D.Prestor用用X X射射线结构分析方法各自独立发现，线结构分析方法各自独立发现，AlAlCuCu合金单晶体自然时合金单晶体自然时效时在基体的效时在基体的100100面上面上偏聚了一些铜原子偏聚了一些铜原子，构成了富铜，构成了富铜的的碟状薄片碟状薄片（约含铜（约含铜9090），其

8、），其厚度为厚度为0.30.30.6nm0.6nm，直径，直径为为0.40.40.8nm0.8nm。 为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为纪念这两位发现者，将这种两维原子偏聚区命名为为G.PG.P区。现在人们把其他合金中的区。现在人们把其他合金中的偏聚区偏聚区也称为也称为G.PG.P区。区。G.P区的形状与尺寸区的形状与尺寸 ： 在电子显微镜下观察呈圆盘状，直在电子显微镜下观察呈圆盘状，直径约为径约为8nm，厚度约为，厚度约为0.30.6nm。G.P区形成的原因区形成的原因：G.P区的形核是均匀分布的，其形核率区的形核是均匀分布的，其形核率与晶体中非均匀分布的与晶体中非均匀分布的位错

9、无关位错无关，而强烈依赖于淬火所保，而强烈依赖于淬火所保留下来的留下来的空位浓度空位浓度（因为空位能帮助溶质原子迁移）。（因为空位能帮助溶质原子迁移）。例如：。例如：固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空固溶温度越高，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留的空位就越多，有利于增加位就越多，有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。区的数量并使其尺寸减小。G.P区的晶体结构与界面区的晶体结构与界面：Wcu为为0.90时，是溶质原子富集时，是溶质原子富集区，它在母相的区，它在母相的100晶面上形成，点阵与基体晶面上形成，点阵与基体相相同相相同（fcc）并与并与相完全共格相完全共格。过渡相的形状

10、与尺寸过渡相的形状与尺寸： Al-Cu合金中有合金中有和和两种过渡两种过渡相。相。呈圆片状或碟形，直径为呈圆片状或碟形，直径为30nm，厚度为，厚度为2nm。而。而是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物，也呈圆片呈圆片状或碟形，尺寸为状或碟形，尺寸为100nm数量级数量级。 过渡相的晶体结构与界面过渡相的晶体结构与界面： 过渡相往往与基体共格或部过渡相往往与基体共格或部分共格，且有一定的结晶学位向关系分共格，且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体。由于过渡相与基体之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为了降低应变之间的结构存在差异，因而其形核功较大。为

11、了降低应变能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及能和界面能，过渡相往往会在位错，小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。空位团等处不均匀形核。此外，过渡相还可能在此外，过渡相还可能在G.PG.P区中形核。区中形核。 相为正方点阵：相为正方点阵：a ab b0.404nm0.404nm，c c0.768nm0.768nm，相基本是均匀形核，分布均匀且相基本是均匀形核，分布均匀且与基体完全共格与基体完全共格，它与基体的位向关系为它与基体的位向关系为100100/100/100基体基体。与。与G.PG.P区相区相比，在比，在相周围会相周围会产生更大的共格应变产生更大的共格应变，故其强化效