第一章 金属固态相变概论2(固态相变2)

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1、金属材料及热处理金属固态相变概论材料与化工学院§4过饱和固溶体的分解转变固态相变按扩散情况可分为两大类型：1、扩散型相变是指在形核与长大的各个阶段都需要通过原子的扩散过程才能实现，相变的进程受扩散的控制。珠光体转变、脱溶沉淀等。2、无扩散相变：原子不发生扩散的相变。马氏体转变等。本节以过饱和固溶体的分解转变为典型例子来分析扩散型相变过程。过饱和固溶体的分解有两种机制：1、一种是经典的形核与核长大机制，中间过程形成过渡相；2、调幅分解机制。过饱和固溶体的分解过饱和固溶体的分解转变是一种典型的扩散型转变。如果合金的固溶度随温度的下降而减小，均会发生

2、这种转变。将成分为C0的合金加热到α单相区T1温度，经保温获得均匀的α固溶体以后，如果缓慢冷却到固溶度线以下的T3温度，将发生平衡转变，得到双相组织。获得均匀的α相后，若急速冷却到很低的温度(如室温)，得到亚稳定的过饱和固溶体单相组织。这种处理又称为固溶处理。时效可以显著提高合金的硬度和强度，是一种强化材料的重要方法。这种固溶体在室温或稍高温度下保持，将发生新相析出的分解转变，这一现象被称作过饱和固溶体脱溶分解或时效。20世纪初发现的铝合金时效现象，使铝合金在飞机制造业和其他领域里得到了广泛的应用，强烈地推动了航空事业的发展。部分超高强度钢和耐

3、热合金等，也利用时效处理进行强化。Al--Cu合金的淬火时效书云：固溶处理得到的过饱和固溶体组织，强度低塑性很好，塑性远优于退火状态，便于冷加工成形(不一定！)。过饱和固溶体主要是为时效作好组织准备。时效过程中的组织结构变化是比较复杂的，分阶段进行。因为铝合金时效的研究最多，下面将以铝铜合金为例讨论过饱和固溶体的时效问题。过饱和固溶体的时效Al—Cu合金的淬火时效对Al—Cu4％合金，当加热到550℃时，所有的铜原子都溶入α固溶体中，然后快速冷却下来，得到过饱和的α固溶体。在室温下长时放置(叫自然时效)或者在130-150℃加热保温一段时间(叫

4、人工时效)，则会发生相变(脱溶析出亚稳相)，能使铝合金达到最大的强化。α0→α1+GP区→α2+θ''→α3+θ'→α4+θ符合相变阶段规则GP区析出：GP区是在室温和较低温度下，时效初期形成的质原子(Cu原子)富集区，又称原子预脱溶偏聚区。Cu原子在基体的一定晶面{100}上偏聚形成GP区，这是因为基体的<100>方向上弹性模量最小。GP区WCu≈90％GP区结构与基体相同GP区与基体共格，无明显界面。GP区的界面能小，但是引起基体共格应变，产生应变能。时效过程中的结构变化铝铜合金的GP区的形状是碟形薄片。GP区的形状取决于应变能的大小，溶质

5、原子与基体原子的尺寸相差较大，引起的畸变大，形成薄片状GP区产生的应变能最小；如果合金的原子尺寸差别很小，如A1-Ag，A1-Zn系合金，形成GP区引起的畸变小，此时为了降低界面能，GP区呈球状。片状新相应变能最小，球状新相界面能最小。GP区的尺寸很小，在光学显微镜下分辨不到，在电镜下观察到的GP区形貌如图所示。GP区的尺寸与合金的成分、时效温度和时效持续的时间有关，在室温下时效，铝铜合金的GP区直径约为5nm，100℃时约为20nm，而在150℃时效时约为60nm；厚度只有一个原子间距大小，约为O.4nm。从图中还可以看出，GP区的分布均匀，

6、密度很大，约为1*1018个/cm3。GP区的形成机制GP区的形成可能有两种机制，一种是调幅分解，将在后面讨论，另一种是正常的生核长大机制。在均匀的固溶体中，总是存在着各种各样的成分起伏，即存在着各种尺度的溶质原子偏聚现象，平均浓度越高、温度越低偏聚现象越严重。当偏聚区（相当于新相的晶胚）尺寸大到能克服形成功时，就会成为“晶核”长大形成GP区。另一方面，合金从高温快速冷却下来，有大量的过饱和空位存在，空位及空位群有较高的能量，也是溶质原子富集的场所，有利于GP区形核。空位和空位群在基体中分布总体较均匀，所以GP区的分布也相对均匀。随着时效的时间

7、延续或者温度升高(如100～200℃)，GP区将转变为θ"相，或由基体中直接形成θ"相。θ"相是一种亚稳定的过渡相。θ"相为正方晶型，点阵常数a=4.04，c＝7.68，其成分接近平衡相CuAl2（即θ相）。θ"相也是沿母相的{100}面上形成，与基体保持共格关系，并存在如下的晶体学关系：(2)θ"相析出θ"相的点阵常数与基体相相比，a、b方向相同，在这两个方向上晶格完全匹配。在c方向上，θ"相点阵常数(7.68)比基体两个晶胞的长度(8.08)稍有收缩，因此θ"相形成时，与GP区比较，在θ"相周围会产生更大的共格应变。θ"相也是圆盘状，最大的

8、尺寸直径约为140～150nm，厚度约为10nm。随着时效过程的进一步发展，将析出过渡相θ'相。θ'相是在θ"相长大与周围基体失去共格关系而转变形成的