金属材料及热处理02均匀化退火

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中南大学材料科学与工程学院,*,三、均匀化退火,3.1,概述,3.2,铸态合金的组织与性质特点,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,3.5,小结,三、均匀化退火,（,1),均匀化处理的对象是铸锭或铸件,3.1,概述,金属材料及热处理,3.1,概述,有利于铸锭或铸件的后续冷、热加工或热处理,提高塑性，降低变形抗力；减小淬火出现过热、过烧的可能性。,铸造过程中，非平衡凝固导致成分不均匀和非平衡凝固组织效应,（非平衡组织、粗大析出相、淬火效应等）,。性能不均匀、塑性差、变形抗力大以及耐蚀性差。,（,2),均匀化处理的目的是，,有利于铸锭的加工制品或铸件的最终使用性能,提高耐蚀性能；,防止层状组织，减弱材料各项异性；,提高组织稳定性，防止蠕变导致材料形状大小改变；,提高强度、塑性。,（铸件,均匀化与固溶处理可以合并）,（,3),均匀化处理的原因是，,（,4),均匀化处理过程中主要固态相变是高温扩散,还伴随第二相粗化和球化、溶解与析出、晶粒长大等，使组织趋于平衡态。,（,1,）平衡与非平衡凝固过程,冷速较大，凝固较快，固相扩散来不及，,相平均成分沿,bc,变化，且达到,c,，由,+,共晶组织；枝晶生长也导致凝固有先后。,得到成分不均匀的,相固溶体,+,非平衡共晶组织。,平衡凝固过程与组织,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点,3.2,铸态合金的组织与性质特点,非平衡凝固过程,形成成分为,x,1,的均匀固溶体,(,),B,高,B,低,共晶组织,过剩相,枝晶干,枝晶沟,B,低,B,高,枝晶生长,在工业生产的冷却条件下，铸造组织的不平衡特征表现如下，,基体固溶体成分不均匀，晶内偏析，组织呈树枝状；,产生非平衡共晶组织；,可溶相在基体中的最大固溶度发生偏移，,过剩相增多,；,高温形成的不均匀固溶体，有的处于过饱和状态。,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点,（,2,）非平衡凝固组织特点,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点（附录,1,）,在生产条件下，,相固溶体呈树枝状，在枝晶胞间和晶界上除了少量的非平衡共晶组织外，当成份超过临界浓度,k,时，还有非平衡过剩相,（金属间化合物）,是普遍的。,单相成分的出现非平衡过剩相；多相成分的过剩相增多（非平衡,原过剩相或其它新相）,合金元素来不及析出来，部分浓度高者在冷却过程中来不及析出，固溶体可能会处于过饱和状态，淬火效应。,非平衡共晶组织中，通常，,相依附于,初晶相上，,相则以网状分布在枝晶网胞周围，在显微组织中观察不到典型的共晶形态。,即也可能有离异共晶组织,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点（附录,2,）,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点（附录,3,）,（,3,）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害,塑性下降,抗电化学腐蚀能力下降,成分不均匀，出现非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，塑性严重下降。,成分不均匀，枝晶胞中心与胞界电位差大，形成浓差微电池，抗电化学腐蚀能力下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，抗蚀力严重下降。,材料各向异性增强,成分不均匀，具有不同成分的微区在变形过程中延长而形成带状结构，造成材料各向异性。尤其是，在枝晶网胞或晶界上粗大网状脆性相破碎，而沿晶（带）间分布，增大层断和晶（带）间断裂的倾向，增大各向异性。,材料工艺参数难以控制,成分不均匀，固相线温度下移，后续加热加工和热处理工艺参数难以控制。尤其是，在枝晶网胞或晶界上低熔点化合物或共晶混合物，易过热、过烧。,变形抗力增大,产生淬火效应，非平衡组织存在，大量过剩相存在，会引起变形抗力增大。另外，成分不均匀，性能不均，形变不均，也会导致开裂，易产生内应力，不利于加工。,组织处于亚稳定状态,组织处于亚稳定状态，在高温工作或长时间服役过程中，会向稳定化方向蠕变，而造成组织、性能、形状和尺寸不稳。,金属材料及热处理,3.2,铸态合金的组织与性质特点,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化,（,1),均匀化退火过程中的组织变化,T,t,高温，长时,加热、高温保温过程,成分扩散均匀化,非平衡相溶解,T,A,B,二者是相互制约的两个过程。,通常，非平衡过剩相溶解后，固溶体的成分仍然不均匀，还需保温扩散。,但，在大多数情况下，可以用非平衡相完全溶解所需要的时间来估计均匀化时间。而非平衡相完全溶解所需要的时间可由显微金相观察来确定。,应该指出的事，均匀化处理只能消除或减少晶内偏析，而对区域偏析的影响甚微，另外，消除区域偏析需晶间扩散，而晶间扩散会因晶间夹杂和空隙而难以实现。,均匀化,溶解,枝晶偏析消除（均匀化）,枝晶偏析消除，成分均匀化,;,非平衡相消失，过剩相减少,;,非平衡组织平衡化（相转变），亚稳相消失，平衡第二相球化和聚集，块状、网状第二相消失,;,过饱和固溶体分解；,晶粒长大,因此，,单相合金（高温）成分均匀的单相固溶体,多相合金（高温）成分均匀单相固溶体,+,粗大球形第二相颗粒的组织,冷却过程,过饱和固溶体脱溶,需防止晶间析出,（过慢）,和淬火效应,（过快）,；,需控制冷速，促使晶内析出且趋于平衡。,均匀化退火后的组织变化（理想）,另外，第二相球化和聚集，晶粒长大，相转变等,均匀化退火后组织状况：,组织均匀，无网、块状粗大相，不溶相呈球状（分布于晶界），弥散相均布于晶内，晶粒可能有所长大,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化（附录,1,）,（,2),均匀化退火对材料性能的影响,塑性提高，变形抗力降低，材料工艺参数好控制，抗电化学腐蚀能力提高，材料各向异性减弱，组织稳定化,不均匀的非平衡组织,均匀的近平衡组织,枝晶偏析消除，成分均匀化,;,非平衡相消失，过剩相减少,;,非平衡组织平衡化（相转变），亚稳相消失，平衡第二相球化和聚集，块状、网状第二相消失,;,过饱和固溶体分解；,晶粒长大,对于铸锭（半连续铸造）,变形抗力降低，塑性提高，消除内应力，从而减小形变不均匀性，降低在存储、运输、机加工和压力加工过程中开裂的危险，提高加工制品的表面质量，同时也降低能耗，提高生产效率；,对于压力加工材料,改善材料塑性（,强度有的合金提高，有的降低（挤压效应消失）,），提高耐蚀性，减弱各向异性，防止晶粒粗化（,尤其是,Al-Mn,合金,）提高立方织构成分（,高纯,Al,箔,），避免过热、过烧；,对于铸件,改善力学性能，提高耐蚀性，稳定零件形状与尺寸，防止在使用过程中蠕变。,金属材料及热处理,3.3,均匀化退火过程中的组织性能变化,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,（,1),均匀化退火的应用,均匀化退火不论对于铸件，还是对于铸锭，都是十分重要的，但它也有其不利的一面：费时耗能，经济效益差；温度高、时间长，易带来变形、吸气、氧化等问题，也过热、过烧；有的材料会强度下降，这对于要求高强的材料是不利的。因此，是否进行均匀化退火应视具体问题具体分析。,（,2),均匀化退火的选择,在实际生产中，是否进行均匀化退火，主要是根据合金本性、铸造方法以及产品使用性能的要求来选择,合金本性,易产生偏析，组织不均，塑性差，残余应力大者,如：铝合金：除纯铝、低合金化的软铝外，几乎都需要；,镁合金：含,Al,、,Zn,的，易偏析，需要；,铜合金：除锡磷青铜、普通白铜、锌白铜等外，其它一般不需要；,钢铁：钢铁一般不需要，但易切削钢（,防硫偏聚,）、高合金钢或其它有重要特殊用途的钢需要均匀化退火，通常先热锻再退火。,镁合金、铜合金、钢铁等通常需在保护性气氛或真空中进行。,金属材料及热处理,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,铸造方法,在工业条件下，冷却速度较大的铸造方法，更易产生严重的偏析，出现非平衡组织,产品性质,（举三例）,需要保持挤压效应的，不需要均匀化退火,挤压效应：,挤压效应现象,对于热处理可强化铝合金（尤其是含,Cr,、,Mn,、,Ti,等元素合金化的），与其它（如轧、锻等）方法加工的制品相比，挤压制品的强度明显较高，这一现象称为挤压效应,挤压效应实质,形变热处理导致的组织强硬化效应,挤压效应机理,含,Cr,、,Mn,、,Ti,等元素合金化的热处理可强化铝合金中可形成,Al,7,Cr,、,Al,6,Mn,、,Al,3,Ti,等金属间化合物，它们可以稳定位错、亚晶界等亚结构，挤压过程中，与其它（如轧、锻等）方法加工的制品相比，更易形成位错、亚晶界等亚结构，有利于实现高温形变热处理，在淬火后的时效过程中可促使第二相分布均匀。,均匀化退火会消除挤压效应原因：,Al,7,Cr,、,Al,6,Mn,、,Al,3,Ti,等金属间化合物可能会溶解、或粗化，不利于稳定位错、亚晶界等亚结构，在挤压过程中也会消失，难以起到在淬火后的时效过程中可促使第二相分布均匀的作用。,需要防止晶粒异常粗大的（,Al-Mn,系合金），需要均匀化退火,Al-Mn,系合金为热处理不可强化铝合金，其产品使用状态加工态或退火态，,Mn,可以明显地提高,Al,的再结晶温度，,Mn,容易不均匀，,Mn,不均匀，会导致加工后退火再结晶晶粒分布不均匀，个别异常粗大。,6063,型材氧化着色，需要均匀化退火,6063,常用作建筑型材，为了美观需氧化着色，需提高表面质量、也需表面化学性质均匀，必需进行均匀化退火,金属材料及热处理,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,金属材料及热处理,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,（,3),均匀化退火的工艺规程的制定原则,均匀化退火的主要工艺参数是加热温度和保温时间，其次是加热速度和冷却速度,加热温度,I,为了提高扩散速率，加速均匀化过程，提高均匀化效果，应尽可能地提高均匀化退火温度，但必须防止温度太高，而引起过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题，因此，通常，,经验上，,T,均,=,（,0.90.95,）,Tm,（,Tm,铸锭实际开始熔化的温度，低于固相线）,理论上，可以由相图给出,I,选择非平衡固相线以下，尽可能高,（低温均匀化（扩散）退火）,II,选择平衡固相线以下，尽可能高,（高温均匀化（扩散）退火）,I+II,先在,I,的温度下均匀化，在到,II,的温度下均匀化，（分级均匀化（扩散）退火）,金属材料及热处理,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,低温均匀化退火,保险，不会出现过烧，过热、氧化、吸气、变形等问题也不严重，但难以达到组织均匀化的目的，即使能达到，也需极长的时间，对生产不利。,高温均匀化退火,冒险，但均匀化效果好。温度高有利于长程扩散，速度快，时间短，生产效益好。但易出现过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题。,大多数合金是不可以进行高温均匀化退火，易氧化、吸气者更加不可以，铝合金由致密的表面氧化膜，可以，但也要慎重,分级均匀化退火,通过低温均匀化可以降低高温均匀化时过烧的可能性，而高温均匀化又可加速均匀化。兼有低温均匀化退火和高温均匀化退火的优点，但麻烦。,镁合金多采用分级加热工艺来实现均匀化。,实际上，合理选择均匀化退火温度需用实验来测定，如采用金相法来观察测定过热或过烧的最低温度。,金属材料及热处理,3.4,均匀化退火的应用与工艺规程,保温时间,从铸锭（件）表面到温开始计时，包括匀热时间、非平衡相溶解时间和成分均匀化时间，但不是简单地加和。,主要取决于退火温度、合金本性、偏析严重程度、非平衡相的形状、大