1、指導(dǎo)老師：武淑艷 學(xué)生：廖帆帆 學(xué)號(hào)：13843061,脫 溶 以鋁銅合金為例,一、脫溶過(guò)程和脫溶物的結(jié)構(gòu) 二、脫溶后的顯微組織 三、鋁銅合金的時(shí)效過(guò)程,一、脫溶過(guò)程和脫溶物的結(jié)構(gòu),脫溶(precipitation):在熱激活足夠的條件下由含某種溶質(zhì)的過(guò)飽和固溶體中析出溶質(zhì)相或中間相的相變過(guò)程。,按造成脫溶的條件分,平衡脫溶,時(shí)效脫溶,按脫溶過(guò)程分,連續(xù)脫溶,不連續(xù)脫溶,合金脫溶過(guò)程,一般地：G.P.區(qū)形成,過(guò)渡相形成,平衡相形成,在A(yíng)l-Cu合金中， G.P.區(qū)代表Cu原子的偏聚區(qū)，為紀(jì)念Gunier及Preston的工作而得名，現(xiàn)在用來(lái)泛指任何固溶體中的溶質(zhì)原子偏聚區(qū)。 G.P.區(qū)特點(diǎn)：

2、(1)過(guò)飽和固溶體的分解初期形成，形成速度很快，均勻形核，均勻分布 (2)晶體結(jié)構(gòu)與母相過(guò)飽和固溶體相同，并與母相保持共格關(guān)系 (3)熱力學(xué)上亞穩(wěn),Al-Cu系合金中的G.P.區(qū)及其結(jié)構(gòu)模型,過(guò)渡相形成：,以 G.P.區(qū)為基礎(chǔ)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡相，Al-Cu合金,過(guò)渡相獨(dú)立地形核長(zhǎng)大，Al-Ag合金,長(zhǎng)大到破壞共格關(guān)系時(shí),平衡相,相周?chē)幕儏^(qū),相與基體的部分共格關(guān)系,二、脫溶后的顯微組織,連續(xù)脫溶（非均勻脫溶均勻脫溶） 先發(fā)生連續(xù)非均勻脫溶，隨后發(fā)生連續(xù)均勻脫溶。析出相均勻分布在與母相結(jié)構(gòu)相同的固溶體中。 非連續(xù)脫溶連續(xù)脫溶 先發(fā)生非連續(xù)脫溶，析出物在晶界集結(jié)形成胞狀組織，伴有再結(jié)晶發(fā)生，隨后發(fā)

3、生連續(xù)脫溶，析出相均勻分布在與母相結(jié)構(gòu)相同的固溶體中。析出物發(fā)生粗化和球化。 非連續(xù)脫溶 先發(fā)生非連續(xù)脫溶，析出物在晶界集結(jié)形成胞狀組織，伴有再結(jié)晶發(fā)生，析出物發(fā)生粗化和球化。,脫溶析出產(chǎn)物顯微組織變化的順序示意圖,三、鋁銅合金的時(shí)效過(guò)程,以Cu-Al合金為例。在室溫時(shí)的最大溶解度為0.5%Cu，而在548時(shí)，極限溶解度為5.6%Cu。Al-Cu合金合金在室溫時(shí)的平衡組織為CuAl2，加熱到固溶線(xiàn)FD以上，第二相CuAl2完全溶入固溶體中，淬火后獲得銅在鋁中的過(guò)飽和固溶體。當(dāng)再加熱到 130進(jìn)行時(shí)效，其脫溶順序?yàn)椋篏.P.區(qū)相相相，即在平衡相() 出現(xiàn)之前，有三個(gè)過(guò)渡脫溶物相繼出現(xiàn)。,時(shí)效過(guò)程

4、包括以下四個(gè)階段： G.P區(qū)的形成 的形成 的形成 的形成,3.1 合金時(shí)效過(guò)程的熱力學(xué),脫溶時(shí)的能量變化符合一般的固態(tài)相變規(guī)律。脫溶驅(qū)動(dòng)力是新相和母相的化學(xué)自由能差，脫溶阻力是形成脫溶相的界面能和應(yīng)變能。下圖為Al-Cu合金在某一溫度下脫溶時(shí)各個(gè)階段的化學(xué)自由能成分關(guān)系。,G.P.區(qū)：G1a b 相：G2a c 相：G3a d 相： G4a e 由圖可見(jiàn)，G1G2G3G4， 即形成 G.P.區(qū)時(shí)的相變驅(qū)動(dòng)力最小。,3.2 合金時(shí)效過(guò)程,一、G.P區(qū)的形成形成銅原子富集區(qū)(GP區(qū)) 經(jīng)固溶處理獲得的過(guò)飽和固溶體,在發(fā)生分解之前有一段準(zhǔn)備過(guò)程,這段時(shí)間稱(chēng)為孕育期。隨后，銅原子在鋁基固溶體(面心立

5、方晶格)的100晶面上偏聚，形成銅原子富集區(qū)，稱(chēng)為GPI區(qū)。 G.P區(qū)的發(fā)現(xiàn)：1938年，A.Guinier和G.D.Prestor用X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析方法各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，AlCu合金單晶體自然時(shí)效時(shí)在基體的100面上偏聚了一些銅原子，構(gòu)成了富銅的碟狀薄片（約含銅90）。為紀(jì)念這兩位發(fā)現(xiàn)者，將這種兩維原子偏聚區(qū)命名為G.P區(qū)。現(xiàn)在人們把其他合金中的偏聚區(qū)也成為G.P區(qū)。,1. G.P.區(qū)特點(diǎn)： (1) 在過(guò)飽和固溶體的分解初期在母相的100晶面上形成，形成速度很快，均勻分布。 (2) 晶體結(jié)構(gòu)與母相過(guò)飽和固溶體相同，并與母相保持共格關(guān)系；與基體不同之處是GPI區(qū)中銅原子的濃度較高，引起點(diǎn)陣的嚴(yán)重畸變

6、,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而合金的強(qiáng)度、硬度提高。 (3) 在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的。 (4) G.P區(qū)在電子顯微鏡下觀(guān)察呈圓盤(pán)狀，直徑約為8nm，厚度約為0.30.6nm。,2. G.P區(qū)的顯微組織及其結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)模型為 G.P.區(qū)右半部橫截面，圖面平行于 Al 原子點(diǎn)陣(100)面； Cu原子層在(001)面上形成 ； G.P.區(qū)與母相保持共格關(guān)系，界面能較小，彈性應(yīng)變能較大。,G.P.區(qū)的形狀與溶質(zhì)和溶劑的原子半 徑差有關(guān)。R小于 3時(shí)析出物呈球狀， R大于 5時(shí)析出物呈圓盤(pán)狀。A1-Cu 合金中 的 G.P.區(qū)呈圓盤(pán)狀， A1-Ag 和 Al-Zn 合金的 G.P.區(qū)呈球狀。 G.P.區(qū)的尺寸和

7、密度與合金成分、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間等因素有關(guān)。 G.P.區(qū)的數(shù)目比位錯(cuò)數(shù)目要大得多。形核主要是依靠濃度起伏的均勻形 核，而依靠位錯(cuò)的不均勻形核則不起主要作用。,3. G.P.區(qū)形成的原因: G.P區(qū)的形核是均勻分布的，其形核率與晶體中非均勻分布的位錯(cuò)無(wú)關(guān)，而強(qiáng)烈依賴(lài)于淬火所保留下來(lái)的空位濃度（因?yàn)榭瘴荒軒椭苜|(zhì)原子遷移）。凡是能增加空位濃度的因素均能促進(jìn)G.P區(qū)的形成。例如：固溶溫度越高，冷卻速度越快，則淬火后固溶體保留的空位就越多，有利于增加G.P區(qū)的數(shù)量并使其尺寸減小。,二、過(guò)渡相的形成與結(jié)構(gòu) 在GPI區(qū)的基礎(chǔ)上銅原子進(jìn)一步偏聚，GP區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，并有序化，即形成有序的富銅區(qū)，稱(chēng)為GP區(qū)，

8、為過(guò)渡相.常用表示。由于相區(qū)與基體仍保持共格關(guān)系，因此其周?chē)w產(chǎn)生彈性畸變，它比GPI區(qū)周?chē)幕兏? 對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙進(jìn)一步增大，時(shí)效強(qiáng)化作用更大。 相-相析出階段為合金達(dá)到最大強(qiáng)化的階段。,從 G.P.區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡相的過(guò)程可能有兩種情況： 以 G.P.區(qū)為基礎(chǔ)逐漸演變?yōu)檫^(guò)渡相，如A1-Cu合金以 G.P.區(qū)為基礎(chǔ)，沿其直徑方向和厚度方向(以厚度方向?yàn)橹?長(zhǎng)大形成過(guò)渡相相。 與 G.P.區(qū)無(wú)關(guān)，過(guò)渡相獨(dú)立地均勻形核長(zhǎng)大，如Al-Ag合金。,相的結(jié)構(gòu) 相為有序的富銅區(qū)，具有正方點(diǎn)陣，ab0.404nm，c0.768nm ；總成分相當(dāng)于 CuAl2，分布均勻且與基體相保持完全共格關(guān)系。它與基

9、體的位向關(guān)系為100/100基體。 相仍為薄片狀，片的厚度約0.82nm，直徑約 1415nm。 隨著相的長(zhǎng)大，在其周?chē)w中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變也不斷地增大。,Al-Cu合金中、和相的結(jié)構(gòu)及形態(tài)圖,相周?chē)膹椥曰儏^(qū),相TEM圖像,三、 過(guò)渡相的形成與結(jié)構(gòu) 隨著時(shí)效過(guò)程銅原子在相基礎(chǔ)上繼續(xù)偏聚，片狀相周?chē)墓哺耜P(guān)系部分遭到破壞，當(dāng)Cu和Al原子比為1:2時(shí)，形成過(guò)渡相。是光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察到的第一個(gè)脫溶產(chǎn)物，呈圓片狀或碟形，尺寸為100nm數(shù)量級(jí)。,相具有正方點(diǎn)陣，其成分與 CuAl2 相當(dāng)，ab0.404nm，c0.58nm 。相與基體之間保持部分共格關(guān)系，兩點(diǎn)陣各以其001面聯(lián)系在一起。 和相

10、間的位向關(guān)系： (100)(100)； 0010013,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減小，硬度開(kāi)始降低。 相與基體之間仍然保持部分共格關(guān)系，而相與相則保持完全共格關(guān)系。,四、平衡相的形成及結(jié)構(gòu) 時(shí)效后期，隨著相的成長(zhǎng)，過(guò)渡相從鋁基固溶體中完全脫溶，形成與基體有明顯相界面的獨(dú)立的穩(wěn)定相CuAl2，稱(chēng)為相，相與基體無(wú)共格關(guān)系。 隨時(shí)效溫度的提高或時(shí)間的延長(zhǎng)，相的質(zhì)點(diǎn)聚集長(zhǎng)大合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步降低。 相具有正方點(diǎn)陣，ab0.905nm，c0.486nm，點(diǎn)陣常數(shù)與及相差甚大。相的與基體無(wú)共格關(guān)系，呈塊狀。 以上討論表明，Cu-Al合金時(shí)效的基本過(guò)程可以概括為： 過(guò)飽和固溶體形成銅原子富集區(qū)(GP區(qū))銅原

11、子富集區(qū)有序化 相形成過(guò)渡相析出穩(wěn)定相(CuAl2)+平衡的固溶體。,3.3合金時(shí)效動(dòng)力學(xué),合金脫溶沉淀過(guò)程的等溫動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn) 脫溶驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)自由能差，脫溶過(guò)程是通過(guò)原子擴(kuò)散進(jìn)行的。等溫脫溶動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)也呈 C 字形。,G.P.區(qū)或相、相的形成與溫度有關(guān)，都要經(jīng)過(guò)一定的孕育期后才能形成。 動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈 C 字形的原因是等溫溫度升高，脫溶速度加快；但溫度升高時(shí)固溶體過(guò)飽和度減小，臨界晶核尺寸增大，又使脫溶速度減慢。 脫溶過(guò)程的規(guī)律： 時(shí)效溫度越高，固溶體的過(guò)飽和度就越小，脫溶過(guò)程的階段也就 越少；而在同一時(shí)效溫度下合金的溶質(zhì)原子濃度越低，其固溶體過(guò)飽和度就越小，則脫溶過(guò)程的階段也就越少。,3.4

12、影響脫溶動(dòng)力學(xué)的因素 凡是影響形核率和長(zhǎng)大速度的因素，都會(huì)影響過(guò)飽和固溶體脫溶過(guò)程動(dòng)力學(xué)。其影響因素包括 晶體缺陷的影響 合金成分的影響 時(shí)效溫度的影響,1. 晶體缺陷的影響 增加晶體缺陷，將使新相易于形成，使脫溶速度加快。但不同的晶體缺陷對(duì)不同的脫溶沉淀的影響是不一樣。 G.P.區(qū)形成時(shí)，Cu 原子按空位機(jī)制擴(kuò)散。固溶處理加熱溫度愈高，加熱后的冷卻速度愈快，所得的 空位濃度就愈高，G.P.區(qū)的形成速度愈快。 在母相晶粒邊界出現(xiàn)的無(wú)析出區(qū)，就是因?yàn)榫Ы绺浇瘴粯O易擴(kuò)散至晶界而消失所致。 隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)和 G.P.區(qū)的形成，固溶體中的空位濃度不斷降低，故使新的 G.P.區(qū)的形成速度愈來(lái)愈小。

13、位錯(cuò)、層錯(cuò)以及晶界等晶體缺陷具有與空位相似的作用，往往成為過(guò)渡相和平衡相的非均勻形核的優(yōu)先部位。 A1-Cu 合金中的相、相及相的析出也是需要通過(guò) Cu 原子的擴(kuò)散，因此也與固溶體中的空位濃度有關(guān)。 固溶處理后的塑性形變可以促進(jìn)脫溶過(guò)程。,2. 合金成分的影響 在相同的時(shí)效溫度下，合金的熔點(diǎn)越低，脫溶速度就越快。低熔點(diǎn)合金的時(shí)效溫度較低，而高熔點(diǎn)合金的時(shí)效溫度較高，如 Al 合金在 200以下，馬氏體 時(shí)效鋼在 500左右。 一般來(lái)說(shuō)，隨溶質(zhì)濃度增加，脫溶過(guò)程加快。溶質(zhì)原子與溶劑原子性能差別越大，脫溶速度 就越快。 有些元素對(duì)時(shí)效各個(gè)階段的影響是不同的，如 Cd、Sn 極易與空位結(jié)合，故使空位濃度下降，使 G.P.區(qū) 形成速度顯著降低。但 Cd、Sn 又是內(nèi)表面活性物質(zhì)，極易偏聚在相界面而使界面上形成的相的界面能顯著 降低，故能促進(jìn)相沿晶界析出。,3.