1、中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院第六章 無多型性轉變合金的 淬火與時效 （2） 6.5 6.5 時效前后合金性能的變化時效前后合金性能的變化 6.6 6.6 影響時效過程及材料性能的因素影響時效過程及材料性能的因素 6.7 6.7 淬火（固溶處理）與時效規程淬火（固溶處理）與時效規程中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院6.5 6.5 時效前后合金性能的變化時效前后合金性能的變化6.5.1 6.5.1 力學性能力學性能時效時間硬度合金成分、時效溫度、力學性能的變化關系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.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院時效強化機制解析：位錯與脫溶質點間的相互作用時效強化機制解

3、析：位錯與脫溶質點間的相互作用 Orowan機制：位錯繞過機制 切割機制：短程作用（界面，反相疇）、長程作用 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. 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院Orowan機制：位錯繞過機制機制：位錯繞過機制中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工

5、程學院位錯環繞機制（Orowan機制）強化理論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.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE

6、_材料科學與工程學院切割機制強化作用切割機制強化作用（以10b為界限，小于10b為短程作用； 大于10b為長程作用）中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-短程作用-(1) 界面能增加導致的額外切應力計算：界面能增加導致的額外切應力計算：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.中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院(2) 反相疇界能增加導致的附加切應力機算：反相疇界能增加導致的附加切應力機算：ordered particles2/122/32/128. 0rbGfA可見短程作用中，增加的切應力具有以下形式2/12/1rBfParabolic-type 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-長程作用-(3) 長程作用計算：兩應變場的相互作用長程作用計算：兩應變場的相互作用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. 中南大學中南大學金屬

9、材料熱處理MSE_材料科學與工程學院兩種機制的相互作用兩種機制的相互作用-強化與沉淀粒子尺寸的關系強化與沉淀粒子尺寸的關系2/12/1rBf12/1raf質點半徑強化增量開始階段：粒子小、共格，易被切割后階段：大、半共格或非共格，繞過In real alloys, larger volume and finer particles; strain field中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院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中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院6.5.2 6.5.2 物理性能物理性能電阻電阻：隨時效時間變化。 在高導電高強度銅基合金的低溫時效中，過飽和度降低提高導電率，但脫溶質點增加電子散射。 Al-Ag合金出現反常，電阻連續增加-G.P區共格作用。 基體固溶量、脫溶質點尺寸、脫溶量、應變場等因素。磁性磁性：居里點幾乎只與固溶體成分有關。 連續脫溶時隨時間連續改變，不連續脫溶時有兩個居里點。 矯頑力、剩磁、磁能積等指

12、標是結構敏感的。中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院6.5.3 6.5.3 耐蝕性耐蝕性一般：單相合金比多相合金更具耐蝕性-微電池作用小。時效三階段中各種腐蝕情況強度抗應力腐蝕時效時間/溫度局部脫溶時：晶界、滑移面等優先腐蝕。 局部脫溶后普遍脫溶會使電勢差減小，腐蝕減弱；過時效后沉淀相粗化，質點間距增加，原電池數少。可見：人工時效時，對應于局部脫溶的某一階段晶間腐蝕速率會出現最大。-晶間腐蝕抗力最小。應力腐蝕：固溶狀態有好的應力腐蝕抗力。晶間腐蝕：自然時效時傾向低于人工時效；過時效態高應力腐蝕：趨勢與晶間腐蝕的不同。硬鋁自然時效態對應力腐蝕最敏感，人工時效次之，過時效最低。

13、中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院S30400奧氏體鋼富Cr碳化物析出后，促進晶界優先腐蝕中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院6.6 影響時效過程及材料性能的因素影響時效過程及材料性能的因素合金成分塑性變形固溶處理時效制度其他因素幾個根本方面：缺陷，第二相（體積分數、分布、尺寸、形貌等），基體（均勻度、晶粒度等）中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-影響時效的因素-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定、 與空位等的結合，或者選 擇性吸附于某些界面，或 抑制不連續脫溶）Insolvable element exerts no effecton aging, not like the solvable ones中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-影響因素-6.6.2 6.6.2 塑性變形的影響塑性變形的影響-時效前的冷變形時效前的冷變形 有利于較高溫度的脫溶； 延緩較低溫度下的脫溶（G.P）； 晶界無沉淀帶（晶內脫溶）。？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區的形成受空位和溶質原子遷移控制；過渡相和平衡相受位錯控制中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-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效過程： 原因：溫度升高，空位濃度增加； 強化相溶解徹底； 更均勻； 晶粒粗化有利于普遍脫溶。冷卻速度： 固溶體的穩定性； 熱應力-屈服？塑性變形？導致缺陷有利于形核？ 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院-影響因素-6.6.4 6.6.4 時效溫度和時間的影響時效溫度和時間的影響溫度的影響： 不同脫溶相的形成與長大； 是否有過時效； 脫溶相與基體間的界面關系等。 但應考慮極低溫度無過時效時間的影響： （與溫度影響類似分析）T1T2T3強 度時 間t1t2其他因素：物理場如超聲波、輻射等中南大學中南大學金屬材料熱處理MS

17、E_材料科學與工程學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.中南大學中南大學金屬材料熱

18、處理MSE_材料科學與工程學院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. 中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料

19、科學與工程學院6.7 淬火（固溶處理）與時效規程淬火（固溶處理）與時效規程TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火溫度時效溫度CoolingdtdT結構材料： 常溫強度；耐蝕 高溫強度，抗蠕變強度中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院淬火：溫度（保證不過燒），保溫時間，冷卻速度淬火：溫度（保證不過燒），保溫時間，冷卻速度L+TAC0T2T1B晶粒度、鑄態第二相晶粒尺寸、裝爐量、變形量、工件尺寸、塑性變形量，再結晶及長大，性能要求等！盡量快速加熱短時保溫。過燒？鋁合金：溫度精度控制在正負3OCTt1dtdTCdtdT臨界冷速與合金系、成分、淬火前組織有關；空冷、風

20、冷、水冷、油冷、熔融金屬冷等；分級淬火。鋁合金：常用空冷或水淬，溫度可不同中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院TttHeatingdtdTCoolingdtdT淬火溫度時效溫度/淬火溫度1CoolingdtdT（淬火介質1）（淬火介質2）等溫淬火/時效與分級淬火/時效淬火冷速主要決定于過飽和固溶體的穩定性：淬火冷速主要決定于過飽和固溶體的穩定性： 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，過冷固溶體穩定性降低快冷 淬火速度：淬

21、火速度：(1) 不同溫度的同一介質(2) 不同介質中南大學中南大學金屬材料熱處理MSE_材料科學與工程學院時效：單級時效、多級時效時效：單級時效、多級時效單級時效：等溫時效，分自然時效和人工時效meltingagingTT6 . 05 . 0最大強化效果溫度人工時效中不完全人工時效、過時效、穩定化時效也經常應用。穩定化時效：溫度更高或時間更長。保證性質和尺寸的穩定。多級時效：一般先低溫后高溫。 低溫過飽和度大，脫溶相可更彌散，成為高溫時效時脫溶相的核心。 合金綜合性能好：Al-Zn-Mg合金，強度較高，抗疲勞、抗應力腐蝕。 也有先高溫后低溫的，如一些耐熱鎳基合金，保證晶粒度、強化相（碳化物和）的合理分布。回歸再時效：回歸處理后再重復原來