热处理对有色金属材料性能的影响

热处理对有色金属材料性能的影响有色金属及其合金最常用的热处理方法：退火；固溶处理（淬火）；时效；变形热处理；化学热处理一.退火在金属材料的半成品或者制成品中常常存在有残余应力、成分不均匀、组织不稳定等缺陷，严重影响合金的工艺性能和使用性能，例如塑性低、耐蚀性差、力学性能差等。

要消除或者减少这些缺陷，则需要进行退火。

退火：加热到适当温度-----保温一定时间-----缓慢速度冷却.去应力退火、再结晶退火和均匀化退火加热温度对冷塑性变形金属的性能和组织的影响1.去应力退火铸件、焊接件、切削加工件、塑性变形件的内部往往存在很大的残余应力，使合金的应力腐蚀倾向大大增加，组织及力学性能稳定性显著降低。

因此，必须进行退火。

去应力退火是把合金加热到一个较低温度（低于材料再结晶开始温度），保持一定时间，以缓慢的速度冷却的热处理工艺。

冷却速度视合金能否热处理强化而定，对可热处理强化的合金要缓慢冷却。

在去应力退火的温度范围内保温，原子活动能力增加，消除或减少某些晶格中的缺陷（例：同一滑移系中异号为错相互抵消、空位及原子扩散的相互抵消等）。

从而使晶格弹性畸变能下降，保证合金制品的尺寸稳定，应力腐蚀倾向下降，但合金强度和硬度基本不下降。

去应力退火质量的主要因素是加热温度：过高，则工件强度和硬度大幅降低；过低，则需要长时间加热才能充分消除内应力，影响生产效率。

2.再结晶退火把工件加热到再结晶温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却的工艺。

再结晶退火的目的：细化晶粒，充分消除内应力，降低合金的强度和硬度，提高塑性。

再结晶过程是一个形核和晶核长大（聚集再结晶）的过程。

为了获得细小的晶粒组织，必须正确控制加热温度、保温时间和冷却速度三个因素。

对同一合金而言，加热温度越高，保温时间就要越短。

否则将很快进入再结晶晶核长大阶段；加热温度越低，保温时间就要越长。

否则再结晶过程不充分，达不到再结晶退火的目的。

根据现有工业有色金属合金再结晶退火温度统计表明，最佳再结晶退火温度为：0.7-0.8Tm（Tm为合金熔点的绝对温度）。

金属在冷变形后加热，开始再结晶的最低温度称为再结晶起始温度。

一般所说的再结晶温度是指冷变形70%以上，在一小时保温时间之内能完全再结晶的最低温度再结晶退火的冷却速度：在加热或者冷却过程中有溶解和析出相变，因而有热处理强化效果的合金进行再结晶退火时，冷却速度关系很大。

这类合金在加热及保温过程中，强化相将溶入固溶体，并在冷却时又从固溶体中析出。

若冷却速度很慢，强化相能从固溶体中充分析出，并长大为颗粒状，则合金的强度、硬度降低，塑性增大；若冷却速度快则获得过饱和固溶体；冷速稍慢，但不够慢，则强化相只能称弥散状态析出，来不及聚集粗化，此时合金的硬度将仍然很高，特别是热处理强化效果大的合金更是如此。

因此对热处理强化效果大的合金进行再结晶软化退火时，必须以很慢的速度冷却，例如超硬铝软化退火时须以每小时30°C的冷速冷至150-200°C，然后才能空冷。

再结晶退火后合金的强度、硬度降低，塑性变形能力显著提高。

因此在材料冷变形加工过程中，当加工硬化使变形难以继续进行时，常对材料进行再结晶退火，使其软化，这种便于继续变形加工的退火称为中间退火。

3.均匀化退火浇注铸件和铸锭时，由于冷速过快，会使结晶在不平衡状态下进行。

常常出现偏析、不平衡共晶体、第二相晶粒粗大以及硬脆相沿晶界分布等缺陷，使合金的强度、硬度及抗腐蚀性严重降低。

为消除此类缺陷，必须进行均匀化退火。

即将合金加热到接近熔点的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却。

在均匀化退火过程中，温度高，原子扩散快，枝状偏析消失，沿晶界分布的不平衡共晶体和不平衡相被溶解。

在均匀化温度下是过饱和固溶体，保温过程中将析出过剩相。

有的过剩相可能被球化，从而显著提高合金的塑性以及组织稳定性。

合金化程度较高的变形合金锭，一般都进行均匀化退火，以提高它们的塑性变形能力。

均匀化过程是一个原子扩散过程。

因此又称为扩散退火。

影响均匀化退火质量的因素主要是加热温度和保温时间。

对某些合金，冷却速度也有重要影响加热温度越高，原子扩散越快。

这时保温时间可以缩短，使生产效率得到提高。

但加热温度过高，容易出现过烧，以致力学性能下降，造成废品。

有色金属合金的均匀化温度一般为0.95Tm。

保温时间取决于加热温度以及合金的原始组织，合金化程度越高，合金组织越粗大，耐热性越好时，所需要保温时间就越长。

铝、镁合金铸锭的均匀化时间一般为8-36小时。

经过变形的合金均匀化时间可大大缩短。

冷却速度（与再结晶退火的情况相同）。

对于形状复杂，合金化程度高，组织复杂，而使其塑性很差的铸件，其加热速度不能快，否则热应力即组织应力将会使铸件在加热过程中开裂。

二.固溶处理（淬火）对第二相在基体相中的固溶度随温度降低而显著减小的合金，可将它们加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保持一定时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却（淬火），即可获得过饱和固溶体。

这种获得过饱和固溶体的热处理过程称为固溶处理或淬火。

固溶处理是有色金属合金强化热处理的第一个步骤。

固溶处理后，一般随即进行第二个步骤------时效，合金即可得到显著强化。

有色金属合金固溶处理后，塑性和耐蚀性一般都显著提高，强度变化则不一样，大多数有所增加，但也有降低的。

有色金属合金淬火的目的是把合金在高温的固溶体组织固定到室温，获得过饱和固溶体，以便在随后的时效中使合金强化。

钢淬火的目的一般是为了得到马氏体，使合金强化，随后回火，根据需要调整其性能。

有些有色金属合金，例如Ti，Cu-Zn等淬火也可以得到马氏体组织，但这些合金的马氏体是置换式过饱和固溶体，因此他们的马氏体硬度比基体金属增加的不多，达不到显著强化合金的目的。

铜（a）与一般有色金属（铝、镁等）（b）在淬火过程中的组织变化比较示意图影响固溶处理的主要因素：加热温度、保温时间和冷却速度。

加热温度一般又称为淬火温度。

淬火温度越高，保温时间越长，则强化相溶解越充分，合金元素在晶格中的分布越均匀，同时晶格中的空位浓度增加也越多。

以上这些因素的结合，可以很好的促进时效效果的提高。

淬火介质：根据合金性质，选择水、热水或者油三.时效有色金属淬火后形成不稳定组织（亚稳定组织）。

这种组织为了向稳定组织发展而进行固溶体分解和析出过剩溶质原子。

在室温下进行的过饱和固溶体的分解称为自然时效。

但对多数合金来讲，自然时效过程非常缓慢。

为了提高固溶体的分解速度，将合金加热到一定温度（远低于淬火温度），使固溶体分解加速。

这种过程称为人工时效。

大多数合金来讲，在低温下分解一般经历三个阶段。

首先是过饱和固溶体中，溶质原子沿基体的一定晶面富集，形成偏聚区（G.P.区），与母相共格，往往呈薄片状。

进一步延长时间或提高温度，G.P.区长大并转变为中间过渡相，其成分与晶体结构处于母相与稳定的第二相之间的某种中间过度状态。

最后中间过度相转变为具有独立晶格结构的稳定第二相，与母相不共格。

开始析出的第二相处于弥散状态，一般是薄片状。

计算表明，这种形状的性能最低，因此固溶体析出的新相最容易形成薄片状。

进一步延长时间或升高温度，弥散第二相开始聚集粗化，温度越高，粗化越快，硬化性能下降。

对于同一成分的合金来讲，影响时效效果的主要工艺因素有时效温度和时间、淬火加热温度和冷却速度以及时效前的塑性变形等。

（1）时效温度对时效强化效果的影响当固定时效时间，对同一成分合金在不同温度下进行时效，合金硬化与时效温度的关系图时效温度对合金时效硬化效果的影响不同温度下时效时间与合金硬度的关系t7>t6>t5>t4>t3>t2>t1随着时效温度的升高，合金的硬度增大。

当硬度增大到某一数值后，达到极大值。

进一步升高温度，硬度下降。

合金硬度增大的阶段称为强化时效。

下降的阶段称为软化时效或者过时效。

时效温度与合金硬化的这种变化规律是同过饱和固溶体分解过程有关的。

（2）时效时间对时效强化效果的影响当固定时效温度，对同一成分合金在不同时间下进行时效，合金硬化与时效时间的关系如图所示。

从图中可以看出，在较低温下，随着时效时间的增加，硬度缓慢上升。

当温度上升到Ta后曲线T4出现极大值，并获得最佳硬化效果。

进一步提高时效温度，则合金在较早的时间内开始软化。

而且硬化效果随温度的升高而降低。

（3）淬火温度、淬火冷却速度和塑性变形对时效强化效果的影响实验表明，淬火温度越高，淬火冷却速度越快，在淬火过程中固定下来的固溶体晶格中的空位浓度越大，则固溶体的分解速度及硬化效果都将增大。

淬火速度减慢时，晶格中淬火产生的过剩空位将减少。

若冷却速度过低，固溶体在冷却过程中还可能发生分解，使过饱和度降低。

无论降低固溶体对溶质原子的过饱和度，还是减少晶体中过剩空位的浓度，都会降低合金时效速率和强化效果。

合金淬火后进行冷塑性变形，将强烈影响过饱和固溶体的分解过程。

合金淬火后进行冷塑性变形，其作用与高温淬火的作用相似，增加过饱和固溶体的晶格缺陷，从而提供更多非自发晶核，提高固溶体分解速度和析出物密度，得到更为弥散的析出物质点，使合金的硬化效果增大。

淬火温度、淬火冷却速度和塑性变形对时效强化效果的影响。

淬火冷却速度、塑性变形量对Al-4%Cu合金在200°C时效硬度的影响1-空冷；2-水冷；3-水冷+淬火后压下10%；4-空冷+淬火后压下10%四.形变热处理形变热处理是将塑性变形和热作用结合起来的热处理方式。

只有将那些能提高金属材料内部晶体缺陷密度的塑性加工与能发生相变的热处理作用结合起来，能显著地改变材料的组织和结构，并明显地提高材料性能的工艺才是形变热处理其结果是合金性能优于仅用基本热处理或者仅用变形工艺所能达到的性能五.化学热处理化学热处理是将热处理作用和化学作用有机地结合在一起的一种热处理方法。

由于热作用和化学作用同时发生，使某些元素（金属或非金属）渗入合金中，就是说化学热处理不仅改变金属材料的组织，而且还改变其化学成分（一般是表面成分）。

化学热处理主要目的是改善材料的表面性能（例如提高材料的表面硬度，耐磨性和耐蚀性等）。