第六章淬火與時(shí)效(2)

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院第六章 無(wú)多型性轉(zhuǎn)變合金的 淬火與時(shí)效 （2） 6.5 6.5 時(shí)效前后合金性能的變化時(shí)效前后合金性能的變化 6.6 6.6 影響時(shí)效過(guò)程及材料性能的因素影響時(shí)效過(guò)程及材料性能的因素 6.7 6.7 淬火（固溶處理）與時(shí)效規(guī)程淬火（固溶處理）與時(shí)效規(guī)程中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院6.5 6.5 時(shí)效前后合金性能的變化時(shí)效前后合金性能的變化6.5.1 6.5.1 力學(xué)性能力學(xué)性能時(shí)效時(shí)間硬度合金成分、時(shí)效溫度、力學(xué)性能的變化關(guān)系IIIGenerally, a peak corresponds to a kind

2、of precipitate.For Al-Cu alloys, there can be more than 4 peaks resulted from the formation of GP, , and .However, there is also the case where different peaks can not be discriminated, or one peak corresponds to several kinds of precipitates.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制解析：位錯(cuò)與脫溶質(zhì)點(diǎn)間的相互作用時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制解

3、析：位錯(cuò)與脫溶質(zhì)點(diǎn)間的相互作用 Orowan機(jī)制：位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制 切割機(jī)制：短程作用（界面，反相疇）、長(zhǎng)程作用 Interpretation: Microstructure contains a number of heterogeneities, which can contribute both to localization of plastic flow, and to initiation and propagation of crack. In order of decreasing size, the heterogeneities include intermetallic pa

4、rticles, quench induced intergranular and intragranular precipitates, and precipitate-free zones situated at the grain boundaries. Failure Modes: intermetallic decohesion, intergranular fracture and intragranular fracture. 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Orowan機(jī)制：位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制機(jī)制：位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工

5、程學(xué)院位錯(cuò)環(huán)繞機(jī)制（Orowan機(jī)制）強(qiáng)化理論12/102/12/32ln23rafrdrGbfKbRT02ln4rRKGbTDislocation theory：K=1 for screw, K=1- for knife, is poisson coefficient, G is shear module, b burgers vector, r0 radius of dislocation, R half of the distance between particles, f volume fraction, r radius of particle.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE

6、_材料科學(xué)與工程學(xué)院切割機(jī)制強(qiáng)化作用切割機(jī)制強(qiáng)化作用（以10b為界限，小于10b為短程作用； 大于10b為長(zhǎng)程作用）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-短程作用-(1) 界面能增加導(dǎo)致的額外切應(yīng)力計(jì)算：界面能增加導(dǎo)致的額外切應(yīng)力計(jì)算：rbA2新增面積：新增能量：Ab 1for a single particlerfrbfA32322/122/32/11 . 1rGbfaIf the fact that dislocation will be incurvated in front of precipitate istaken into account, the above

7、 equation becomes tofor all particles in a unit area.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院(2) 反相疇界能增加導(dǎo)致的附加切應(yīng)力機(jī)算：反相疇界能增加導(dǎo)致的附加切應(yīng)力機(jī)算：ordered particles2/122/32/128. 0rbGfA可見(jiàn)短程作用中，增加的切應(yīng)力具有以下形式2/12/1rBfParabolic-type 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-長(zhǎng)程作用-(3) 長(zhǎng)程作用計(jì)算：兩應(yīng)變場(chǎng)的相互作用長(zhǎng)程作用計(jì)算：兩應(yīng)變場(chǎng)的相互作用2/16/52/133314 .27rfbETwhere

8、 E is Youngs module, , a function of the mismatch of lattices of the 2 phase. The other parameters have the conventional meanings. If the increase of the stress needed to incise the particles excesses that introduced by the long-range effect, then the long-range effect is to be neglected. 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬

9、材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院兩種機(jī)制的相互作用兩種機(jī)制的相互作用-強(qiáng)化與沉淀粒子尺寸的關(guān)系強(qiáng)化與沉淀粒子尺寸的關(guān)系2/12/1rBf12/1raf質(zhì)點(diǎn)半徑強(qiáng)化增量開(kāi)始階段：粒子小、共格，易被切割后階段：大、半共格或非共格，繞過(guò)In real alloys, larger volume and finer particles; strain field中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Fracture Model: For fracture controlled by void nucleation at second phase particles, fractu

10、re toughness is expressed as:6/1VICfKfv is volume faction of the second phase,(but not applicable to 7XXX Al alloys)If fracture is controlled by the heterogeneity of plastic flow,cyICnK hardening exponent, yield stress, decohesionstress and particle space. Standard: a criticalstrain to failure at th

11、e crack tip. Related to theFracture of the second particles.1121GBPFZf2/ 1PFZRICEK中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院6.5.2 6.5.2 物理性能物理性能電阻電阻：隨時(shí)效時(shí)間變化。 在高導(dǎo)電高強(qiáng)度銅基合金的低溫時(shí)效中，過(guò)飽和度降低提高導(dǎo)電率，但脫溶質(zhì)點(diǎn)增加電子散射。 Al-Ag合金出現(xiàn)反常，電阻連續(xù)增加-G.P區(qū)共格作用。 基體固溶量、脫溶質(zhì)點(diǎn)尺寸、脫溶量、應(yīng)變場(chǎng)等因素。磁性磁性：居里點(diǎn)幾乎只與固溶體成分有關(guān)。 連續(xù)脫溶時(shí)隨時(shí)間連續(xù)改變，不連續(xù)脫溶時(shí)有兩個(gè)居里點(diǎn)。 矯頑力、剩磁、磁能積等指

12、標(biāo)是結(jié)構(gòu)敏感的。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院6.5.3 6.5.3 耐蝕性耐蝕性一般：?jiǎn)蜗嗪辖鸨榷嘞嗪辖鸶吣臀g性-微電池作用小。時(shí)效三階段中各種腐蝕情況強(qiáng)度抗應(yīng)力腐蝕時(shí)效時(shí)間/溫度局部脫溶時(shí)：晶界、滑移面等優(yōu)先腐蝕。 局部脫溶后普遍脫溶會(huì)使電勢(shì)差減小，腐蝕減弱；過(guò)時(shí)效后沉淀相粗化，質(zhì)點(diǎn)間距增加，原電池?cái)?shù)少?？梢?jiàn)：人工時(shí)效時(shí)，對(duì)應(yīng)于局部脫溶的某一階段晶間腐蝕速率會(huì)出現(xiàn)最大。-晶間腐蝕抗力最小。應(yīng)力腐蝕：固溶狀態(tài)有好的應(yīng)力腐蝕抗力。晶間腐蝕：自然時(shí)效時(shí)傾向低于人工時(shí)效；過(guò)時(shí)效態(tài)高應(yīng)力腐蝕：趨勢(shì)與晶間腐蝕的不同。硬鋁自然時(shí)效態(tài)對(duì)應(yīng)力腐蝕最敏感，人工時(shí)效次之，過(guò)時(shí)效最低。

13、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院S30400奧氏體鋼富Cr碳化物析出后，促進(jìn)晶界優(yōu)先腐蝕中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院6.6 影響時(shí)效過(guò)程及材料性能的因素影響時(shí)效過(guò)程及材料性能的因素合金成分塑性變形固溶處理時(shí)效制度其他因素幾個(gè)根本方面：缺陷，第二相（體積分?jǐn)?shù)、分布、尺寸、形貌等），基體（均勻度、晶粒度等）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-影響時(shí)效的因素-T硬化增量BC4C3C2C1C0C5C6C6.6.1 6.6.1 合金成分的影響合金成分的影響主要組元：參與時(shí)效的第二相的量少量組元： 可溶性、不可溶性 影響第二相的溶解

14、與析出 （包括影響脫溶相的穩(wěn)定、 與空位等的結(jié)合，或者選 擇性吸附于某些界面，或 抑制不連續(xù)脫溶）Insolvable element exerts no effecton aging, not like the solvable ones中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-影響因素-6.6.2 6.6.2 塑性變形的影響塑性變形的影響-時(shí)效前的冷變形時(shí)效前的冷變形 有利于較高溫度的脫溶； 延緩較低溫度下的脫溶（G.P）； 晶界無(wú)沉淀帶（晶內(nèi)脫溶）。？Question: To analyze the effect of cold deformation on the pr

15、ocess of solid-solution treatment and aging of Al-Cu alloy. Dislocation increases sites for heterogeneous nucleation thus leads to finerprecipitates. 2000 series alloys: Al-Cu, Al-Cu-Mg, and Li-containing alloyssuch as 8090.G.P區(qū)的形成受空位和溶質(zhì)原子遷移控制；過(guò)渡相和平衡相受位錯(cuò)控制中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-影響因素-6.6.3 6.6.

16、3 固溶處理制度的影響固溶處理制度的影響溫度升高加速時(shí)效過(guò)程： 原因：溫度升高，空位濃度增加； 強(qiáng)化相溶解徹底； 更均勻； 晶粒粗化有利于普遍脫溶。冷卻速度： 固溶體的穩(wěn)定性； 熱應(yīng)力-屈服？塑性變形？導(dǎo)致缺陷有利于形核？ 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院-影響因素-6.6.4 6.6.4 時(shí)效溫度和時(shí)間的影響時(shí)效溫度和時(shí)間的影響溫度的影響： 不同脫溶相的形成與長(zhǎng)大； 是否有過(guò)時(shí)效； 脫溶相與基體間的界面關(guān)系等。 但應(yīng)考慮極低溫度無(wú)過(guò)時(shí)效時(shí)間的影響： （與溫度影響類似分析）T1T2T3強(qiáng) 度時(shí) 間t1t2其他因素：物理場(chǎng)如超聲波、輻射等中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MS

17、E_材料科學(xué)與工程學(xué)院合金的性能取決于（成分）組織合金的性能取決于（成分）組織: :E.g. Al-2.5Cu-1.5Mg(-0.25Si) alloysGenerally: SSS solid solutionGP S S SAfter addition of Si: raise the level of hardening over the entire time scale; Affect the first stage of hardening; delay the RT age-hardening while enhance the HT response.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱

18、處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院For Al-2Cu-0.9Mg-0.25Si and Al-2Cu-0.9Mg-0.5Si,ageing sequence are changed respectively as: S+X +X+Q(Al5Cu2Mg8Si6)Interpretation: interaction between Si and vacancies. Reduce dislocation loops, fewer heterogenous S; Increasing GP zones and inhibit formation of S. 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料

19、科學(xué)與工程學(xué)院6.7 淬火（固溶處理）與時(shí)效規(guī)程淬火（固溶處理）與時(shí)效規(guī)程TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火溫度時(shí)效溫度CoolingdtdT結(jié)構(gòu)材料： 常溫強(qiáng)度；耐蝕 高溫強(qiáng)度，抗蠕變強(qiáng)度中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院淬火：溫度（保證不過(guò)燒），保溫時(shí)間，冷卻速度淬火：溫度（保證不過(guò)燒），保溫時(shí)間，冷卻速度L+TAC0T2T1B晶粒度、鑄態(tài)第二相晶粒尺寸、裝爐量、變形量、工件尺寸、塑性變形量，再結(jié)晶及長(zhǎng)大，性能要求等！盡量快速加熱短時(shí)保溫。過(guò)燒？鋁合金：溫度精度控制在正負(fù)3OCTt1dtdTCdtdT臨界冷速與合金系、成分、淬火前組織有關(guān)；空冷、風(fēng)

20、冷、水冷、油冷、熔融金屬冷等；分級(jí)淬火。鋁合金：常用空冷或水淬，溫度可不同中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火溫度時(shí)效溫度/淬火溫度1CoolingdtdT（淬火介質(zhì)1）（淬火介質(zhì)2）等溫淬火/時(shí)效與分級(jí)淬火/時(shí)效淬火冷速主要決定于過(guò)飽和固溶體的穩(wěn)定性：淬火冷速主要決定于過(guò)飽和固溶體的穩(wěn)定性： 合金系；合金元素含量；淬火前組織。 Al-Cu-Mg水冷；Al-Zn-Mg空冷（靜止）； 耐熱奧氏體時(shí)效鋼、Nimonic耐熱合金、Mg-Al-Zn合金空冷； 同一系合金，隨合金元素濃度增加，過(guò)冷固溶體穩(wěn)定性降低快冷 淬火速度：淬

21、火速度：(1) 不同溫度的同一介質(zhì)(2) 不同介質(zhì)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院時(shí)效：?jiǎn)渭?jí)時(shí)效、多級(jí)時(shí)效時(shí)效：?jiǎn)渭?jí)時(shí)效、多級(jí)時(shí)效單級(jí)時(shí)效：等溫時(shí)效，分自然時(shí)效和人工時(shí)效meltingagingTT6 . 05 . 0最大強(qiáng)化效果溫度人工時(shí)效中不完全人工時(shí)效、過(guò)時(shí)效、穩(wěn)定化時(shí)效也經(jīng)常應(yīng)用。穩(wěn)定化時(shí)效：溫度更高或時(shí)間更長(zhǎng)。保證性質(zhì)和尺寸的穩(wěn)定。多級(jí)時(shí)效：一般先低溫后高溫。 低溫過(guò)飽和度大，脫溶相可更彌散，成為高溫時(shí)效時(shí)脫溶相的核心。 合金綜合性能好：Al-Zn-Mg合金，強(qiáng)度較高，抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕。 也有先高溫后低溫的，如一些耐熱鎳基合金，保證晶粒度、強(qiáng)化相（碳化物和）的合理分布?；貧w再時(shí)效：回歸處理后再重復(fù)原來(lái)的人工時(shí)效。Al-Zn-Mg常用。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院7B04: (a) T651; (b) T7451; (c) RRA at 120OCx60min; (d) RRA x120min.GPZ and distribute in grain and in boundary in T651 alloy. The Differences: amount and s