第四章 有色金属热处理原理与工艺

第四章有色金属热处理原理与工艺一、概述热处理是有色加工的重要组成部分有色金属材料：黑色金属以外的所有金属及其合金。

分类：轻有色、重有色、稀有色、贵金属作用：改善工艺性能，保证后续工序顺利进行；提高使用性能，充分发挥材料潜力。

类型：退火、淬火、时效、形变热处理退火：加热到适当温度，保温一定时间，缓慢速度冷却。

有色中的退火：去应力退火、再结晶退火、均匀化退火二、均匀化退火对象：铸锭、铸件—→浇铸冷速大，造成成分偏析以及内应力目的：提高铸件的性能，消除内应力，稳定尺寸与组织，消除偏析枝晶，改善性能。

非平衡铸态组织特征：晶内偏析or枝晶偏析；伪共晶or离异共晶；非平衡第二相；最大固溶度偏移。

非平衡组织对性能的影响：枝晶偏析&非平衡脆性相—→塑性↓；晶内偏析、浓度差微电池—→耐腐蚀性↓；粗大的枝晶和严重的偏析—→各向异性&晶间断裂倾向↑；非平衡针状组织—→性能不稳定。

固相线以下100~200℃长时间保温—→也称为扩散退火组织变化：获得均匀的单相、晶粒长大、过饱和固溶体的分解、第二相聚集与球化性能变化：塑性↑、改善冷变形的工艺性能、耐蚀性↑、尺寸形状稳定、消除残余应力缺点：加热温度高，时间长，耗时耗能；高温长时间出现变形、氧化以及吸气缺陷；产品强度下降。

制定均匀化推过规程的原则：（1）加热温度：温度越高，原子扩散越快，均匀化过程越快，但不宜过高，易发生过烧。

一般为0.90~0.95T m①高温均匀化退火：在非平衡相线温度以上但在平衡固相线温度以下进行均匀化退火。

适用：大截面工件or铝合金②分级加热均匀化退火：现在低于非平衡固相线温度加热，待非平衡相部分溶解及固溶体内成分不均匀部分降低，从而非平衡固相线温度升高后，再加热至更高温度保温，在此温度下完成均匀化退火过程。

目的：均匀化更迅速、更彻底，且避免过烧适用：镁合金（2）保温时间：包括非平衡相溶解及消除晶内偏析所需的时间取决于退火温度：T↑，D↑，时间↓；铸锭原始组织特征：合金化程度、第二相分散度、尺寸铸锭的致密程度（3）加热速度与冷却速度原则：铸锭不产生裂纹和大的变形，不能过快or过慢主要采用均匀化退火的合金：Al合金、Mg合金、Cu合金中的锡磷青铜、白铜三、基于回复与再结晶过程的退火适用条件：冷变形组织1.冷变形金属金属的塑型加工：锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压塑性变形对材料组织和性能的影响：（1）显微组织的变化：原来等轴状晶粒逐渐沿变形方向伸长，位错密度↑，晶粒取向择优分布；（2）性能的变化：加工硬化，强度↑，塑性↓，电阻率↑，腐蚀↑。

2.冷变形金属在退火过程变化——回复再结晶冷变形金属加热退火时会发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

回复、再结晶过程中性能具体变化：（1）强度&硬度：回复变化小，再结晶变化大；（2）电阻率：回复已有大的转变；（3）内应力：回复消除大部分，再结晶全部消除；（4）亚晶粒尺寸：回复变化小；（5）密度：再结晶剧烈变化；（6）储存能变化：再结晶释放最多。

回复、再结晶过程中组织变化过程：多边化形成亚晶—→亚晶粗化—→均匀化长大性能组织变化原因：机械能—→10%释放+90%形变储能—→90%空位位错+10%变形不均匀回复再结晶的驱动力：形变储能回复：冷变形金属退火时发生组织性能变化的早期阶段。

本质是点位错的运动。

组织结构没有明显变化，电阻率↓↓（对点缺陷敏感），硬度强度下降不多，塑性变化不大，有回复退火硬化效应，弹性极限↑。

（回复退火硬化效应：低温回复退火温度下，硬度强度等，特别是屈服极限和弹性极限不仅不降低，反而升高的现象。

）低温回复：点缺陷的迁移；中温回复：位错运动与重新分布；高温回复：位错滑移与攀移和重新组合。

再结晶：冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。

（组织变化，非相变）形成无应变的等轴晶组织，但晶粒晶格类型不变，位错密度↓↓，强度硬度↓↓，塑性↑。

加工硬化消失，残余应力全部消除，耐蚀性↑，密度↑。

再结晶温度：因为晶核形成长大需要原子扩散，所以需要在一个温度之上发生。

再结晶温度（T R）：大变形量的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶的最低温度。

T R=0.35~0.40T m（K）常见金属熔点（℃）：Mg，650；Al，660；Cu，1083；Fe，1538。

再结晶温度影响因素：（1）变形程度：变形程度↑，T R↓，但当变形增大到一定后，T R趋于定值；（2）熔点：T m↑，T R↑；（3）原始晶粒尺寸：尺寸越细，变形抗力越大，变形储能越高，T R↓；（4）第二相粒子：复杂；（5）杂质和合金元素：阻碍再结晶，T R↑；（6）加热速度与保温时间：v↑or t↑，T R↓。

再结晶后晶粒度及其影响因素：（1）加热温度：T↑，d↑；↓，d↓；（2）原始晶粒：d初（3）变形度：临界变形度（εc）：对应于再结晶后得到极粗大晶粒的变形程度。

晶粒超过……：随变形量↑，经理变形更加强烈和均匀，再结晶核心越来越多，再结晶后d↓；（4）杂质和合金：阻碍晶界迁移，有利细化；（5）保温时间：t↑，d↑。

3.有色合金的去应力退火定义：把合金加热到一个较低温度（＜T R），保持一段时间，缓慢冷却，也称为低温退火。

目的：消除应力，减少变形，稳定尺寸，保持材料强度与塑性较好的结合。

残余应力分类：①按作用部位分：第一类残余应力/宏观…：整个工件；第二类/微观…：晶粒尺寸；第三类/点阵畸变：101~2纳米②按产生来源分：变形应力、热应力、相变应力残余应力的作用：可加强or减弱工作应力的作用—→压应力提高寿命。

退火消除残余应力的机制：当应力超过屈服极限时，通过塑性变形使应力减小or消除（胡克定律&温度升高）；当应力小于屈服强度极限时，通过蠕变松弛应力。

4.有色合金的回复退火和再结晶退火定义：将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间后，使变形晶粒转变为无应变的新等轴晶粒的热处理工艺。

分类：完全退火、不完全退火、织构退火为缩短保温时间，可是当提高100~200℃。

四、基于多形型转变的退火基于固溶度变化的退火：脱溶、多相化退火重结晶退火：消除织构五、淬火/固溶处理与时效1.固溶处理定义：将合金加热到高温单相区一定温度，保温一定时间，使第二相充分溶解到固溶体中，随之迅速冷却到室温，以获得溶质原子在基体相中的过饱和固溶体的热处理工艺。

与钢的淬火的本质区别：①加热时第二相充分溶解到固溶体中，而钢淬火加热时第二相可以不完全溶解到固溶体中；②固溶处理冷却不发生相变，仅把高温相固定下来，而淬火冷却过程发生相变。

固溶处理的目的：（1）为时效处理做组织准备；（2）强化固溶体，并提高其韧性及抗腐蚀性能；（3）获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能；（4）消除应力与软化，一边继续加工or成型。

固溶处理后性能变化：变形铝合金固溶处理后与退火态比，强度↑，塑形相差不大；QBe2（铍青铜）固溶处理后与退火态比，强度↓塑性↑；铸造合金固溶处理后强度&塑性↑；对于多数合金而言，固溶处理后强度↑，但幅度不大。

2.时效固溶处理后的铝铜合金在室温放置or 一定温度下出现硬度变化。

自然时效/室温下：↑→，人工时效/加热：↑→↑↓。

时效温度越高，达到硬度峰值所需的时间越短。

2.1过饱和固溶体分解机制时效的实质是过饱和固溶体的脱溶沉淀。

按照脱溶机理分为：形核长大、调幅分解以Al-Cu 合金为例（形核长大）（1）分解过程中组织变化α固溶体—→G.P.区先形成，与基体共格—→θ‘‘正方结构，与基体共格—→θ‘正方结构，与基体共格—→θ正方结构，与基体非共格原因：从体积自由能角度看，形成θ（CuAl 2）相时相变驱动力变大，但由于相变的成分和晶体结构相差很大，θ相形核与长大所需克服的能垒很大，不易形成。

G.P.区与基体完全共格，界面能小，形核功小，与基体的浓度差小，易形核长大，所以先形成G.P.区。

（2）分解过程中的动力学过冷固溶体的沉淀过程是一个扩散过程，沉淀速度与温度也有C 曲线特征，由固溶体过饱和度和原子扩散速度相互制约，使沉淀在某一温度达到最快。

原因：温度↑时固溶体过饱和度↓，自由能差↓，临界形核功↑，临界形核尺寸↑。

同时，原子扩散能力/扩散系数随温度↑而↑，则由于这两因素相互制约导致沉淀速度与温度成C 曲线特征。

（3）分解过程中各组织特征①G.P.区：固溶体中若干原子层范围内溶质原子的偏聚，属于孕育期概念。

其形核主要依靠浓度起伏均匀形核，且在室温or 低温下能很快形成，与固溶处理快冷形成过饱和空位为原子扩散提供条件有关。

其形状有球状、针状、圆盘状，界面能依次增大，而应变能依次减小，根据具体情况按照能量最低原则，形成不同形状。

G.P.区与母相保持共格，无明显界面，在晶格局部浓度较高，使点阵畸变阻碍位错，提高强度和硬度。

此外，G.P.区的尺寸随温度↑而↑，密度↓，因为过饱和度减小。

大多数有色在时效开始阶段都可能形成G.P.区。

②θ‘‘（G.P.Ⅱ区）：在G.P.区的基础上同原子进一步偏聚，G.P.区直径扩大，Cu 原子和Al 原子发生有序化转变，逐渐变成规则排列，形成较G.P.区温度高的过度相θ‘‘。

其为正方晶格，与基体完全共格，薄片状，是最大强化阶段。

③θ‘：随着时效过程进一步发展，通远之继续偏聚，当铜与铝原子之比为1:2时，θ‘‘—→θ‘。

其为不均匀形核，多在螺型位错和细胞壁处形成，正方晶格，部分共格，（圆）片状，由于晶格畸变程度小于θ‘‘，所以对位错阻碍↓，强度硬度开始↓。

④平衡相θ（CuAl 2）：当相长大到一定尺寸后，共格破坏，θ‘相将于α相完全脱离，形成与基体之间有明显界面的独立平衡相CuAl 2。

其为不均匀形核，正方点阵，无共格关系，块状。

总结：固溶体—→淬火后过饱和固溶体—→过饱和空位—→过饱和溶质原子—→过渡沉淀相—→平衡沉淀相2.2回归处理定义：将经过自然失效的铝合金在230~250℃（低于固溶处理温度）短时间加热，然后迅速冷却，使合金强度和硬度回复到新淬火态水平的热处理工艺。

目的：适当降低强度和硬度，让合金可以再次发生自然失效，最后获得强度硬度稍低，但应力腐蚀位错环/位错螺旋线/堆垛层错|晶界—→聚集区时效抗力大大提高的工件。

应用：零件的整形与修复。

2.3时效硬化定义：在时效初期，随时效时间延长，硬度将进一步提高，此部分时效引起的硬度即为时效硬化。

时效硬化曲线：时效强度or硬度随时间变化的曲线。

分类：冷时效——较低温度下，硬度迅速上升，达到一定值后缓慢上升or保持不变；温时效——较高温度下，初期又一个停滞阶段，硬度上升极其缓慢的孕育期，之后迅速上升达到一极大值后又随时间延长而下降。

极大值硬度称为峰时效。