金屬材料及熱處理02均勻化退火

三、均勻化退火2/4/20231中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.1概述3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點3.3均勻化退火過程中的組織性能變化3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程3.5小結(jié)三、均勻化退火2/4/20232中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（1)均勻化處理的對象是鑄錠或鑄件3.1概述金屬材料及熱處理3.1概述有利于鑄錠或鑄件的后續(xù)冷、熱加工或熱處理提高塑性，降低變形抗力；減小淬火出現(xiàn)過熱、過燒的可能性。鑄造過程中，非平衡凝固導(dǎo)致成分不均勻和非平衡凝固組織效應(yīng)（非平衡組織、粗大析出相、淬火效應(yīng)等）。?性能不均勻、塑性差、變形抗力大以及耐蝕性差。（2)均勻化處理的目的是，有利于鑄錠的加工制品或鑄件的最終使用性能提高耐蝕性能；防止層狀組織，減弱材料各項異性；提高組織穩(wěn)定性，防止蠕變導(dǎo)致材料形狀大小改變；提高強(qiáng)度、塑性。（鑄件——均勻化與固溶處理可以合并）（3)均勻化處理的原因是，（4)均勻化處理過程中主要固態(tài)相變是高溫擴(kuò)散還伴隨第二相粗化和球化、溶解與析出、晶粒長大等，使組織趨于平衡態(tài)。2/4/20233中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（1）平衡與非平衡凝固過程冷速較大，凝固較快，固相擴(kuò)散來不及，α相平均成分沿bc變化，且達(dá)到c，由α+β共晶組織；枝晶生長也導(dǎo)致凝固有先后。得到成分不均勻的α相固溶體+非平衡共晶組織。平衡凝固過程與組織金屬材料及熱處理3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點非平衡凝固過程形成成分為x1的均勻固溶體(α)B高B低共晶組織過剩相枝晶干枝晶溝B低B高枝晶生長2/4/20234中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在工業(yè)生產(chǎn)的冷卻條件下，鑄造組織的不平衡特征表現(xiàn)如下，基體固溶體成分不均勻，晶內(nèi)偏析，組織呈樹枝狀；產(chǎn)生非平衡共晶組織；可溶相在基體中的最大固溶度發(fā)生偏移，過剩相增多；金屬材料及熱處理3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點（2）非平衡凝固組織特點2/4/20235中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在生產(chǎn)條件下，α相固溶體呈樹枝狀，在枝晶胞間和晶界上除了少量的非平衡共晶組織外，當(dāng)成份超過臨界濃度k時，還有非平衡過剩相（金屬間化合物）是普遍的。?單相成分的出現(xiàn)非平衡過剩相；多相成分的過剩相增多（非平衡——原過剩相或其它新相）合金元素來不及析出來，部分濃度高者在冷卻過程中來不及析出，固溶體可能會處于過飽和狀態(tài)，淬火效應(yīng)。非平衡共晶組織中，通常，α相依附于α初晶相上，β相則以網(wǎng)狀分布在枝晶網(wǎng)胞周圍，在顯微組織中觀察不到典型的共晶形態(tài)。即也可能有離異共晶組織金屬材料及熱處理3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點（附錄2）2/4/20236中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（3）鑄態(tài)合金性能特點和非平衡凝固帶來的危害塑性下降抗電化學(xué)腐蝕能力下降成分不均勻，出現(xiàn)非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，塑性嚴(yán)重下降。成分不均勻，枝晶胞中心與胞界電位差大，形成濃差微電池，抗電化學(xué)腐蝕能力下降。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上生成粗大網(wǎng)狀脆性相，抗蝕力嚴(yán)重下降。材料各向異性增強(qiáng)成分不均勻，具有不同成分的微區(qū)在變形過程中延長而形成帶狀結(jié)構(gòu)，造成材料各向異性。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上粗大網(wǎng)狀脆性相破碎，而沿晶（帶）間分布，增大層斷和晶（帶）間斷裂的傾向，增大各向異性。材料工藝參數(shù)難以控制成分不均勻，固相線溫度下移，后續(xù)加熱加工和熱處理工藝參數(shù)難以控制。尤其是，在枝晶網(wǎng)胞或晶界上低熔點化合物或共晶混合物，易過熱、過燒。變形抗力增大產(chǎn)生淬火效應(yīng)，非平衡組織存在，大量過剩相存在，會引起變形抗力增大。另外，成分不均勻，性能不均，形變不均，也會導(dǎo)致開裂，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，不利于加工。組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在高溫工作或長時間服役過程中，會向穩(wěn)定化方向蠕變，而造成組織、性能、形狀和尺寸不穩(wěn)。金屬材料及熱處理3.2鑄態(tài)合金的組織與性質(zhì)特點2/4/20237中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.3均勻化退火過程中的組織性能變化金屬材料及熱處理3.3均勻化退火過程中的組織性能變化（1)均勻化退火過程中的組織變化Tt高溫，長時√√?加熱、高溫保溫過程成分?jǐn)U散均勻化非平衡相溶解TAB二者是相互制約的兩個過程。通常，非平衡過剩相溶解后，固溶體的成分仍然不均勻，還需保溫擴(kuò)散。但，在大多數(shù)情況下，可以用非平衡相完全溶解所需要的時間來估計均勻化時間。而非平衡相完全溶解所需要的時間可由顯微金相觀察來確定。應(yīng)該指出的事，均勻化處理只能消除或減少晶內(nèi)偏析，而對區(qū)域偏析的影響甚微，另外，消除區(qū)域偏析需晶間擴(kuò)散，而晶間擴(kuò)散會因晶間夾雜和空隙而難以實現(xiàn)。均勻化溶解枝晶偏析消除（均勻化）2/4/20238中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院枝晶偏析消除，成分均勻化;非平衡相消失，過剩相減少;非平衡組織平衡化（相轉(zhuǎn)變），亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失;過飽和固溶體分解；晶粒長大因此，單相合金→（高溫）成分均勻的單相固溶體多相合金→（高溫）成分均勻單相固溶體+粗大球形第二相顆粒的組織冷卻過程過飽和固溶體脫溶需防止晶間析出（過慢）和淬火效應(yīng)（過快）；需控制冷速，促使晶內(nèi)析出且趨于平衡。均勻化退火后的組織變化（理想）另外，第二相球化和聚集，晶粒長大，相轉(zhuǎn)變等均勻化退火后組織狀況：組織均勻，無網(wǎng)、塊狀粗大相，不溶相呈球狀（分布于晶界），彌散相均布于晶內(nèi)，晶粒可能有所長大2/4/20239中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料及熱處理3.3均勻化退火過程中的組織性能變化（附錄1）2/4/202310中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（2)均勻化退火對材料性能的影響塑性提高，變形抗力降低，材料工藝參數(shù)好控制，抗電化學(xué)腐蝕能力提高，材料各向異性減弱，組織穩(wěn)定化不均勻的非平衡組織均勻的近平衡組織枝晶偏析消除，成分均勻化;非平衡相消失，過剩相減少;非平衡組織平衡化（相轉(zhuǎn)變），亞穩(wěn)相消失，平衡第二相球化和聚集，塊狀、網(wǎng)狀第二相消失;過飽和固溶體分解；晶粒長大對于鑄錠（半連續(xù)鑄造）變形抗力降低，塑性提高，消除內(nèi)應(yīng)力，從而減小形變不均勻性，降低在存儲、運輸、機(jī)加工和壓力加工過程中開裂的危險，提高加工制品的表面質(zhì)量，同時也降低能耗，提高生產(chǎn)效率；對于壓力加工材料改善材料塑性（強(qiáng)度有的合金提高，有的降低（擠壓效應(yīng)消失）），提高耐蝕性，減弱各向異性，防止晶粒粗化（尤其是Al-Mn合金）提高立方織構(gòu)成分（高純Al箔），避免過熱、過燒；對于鑄件改善力學(xué)性能，提高耐蝕性，穩(wěn)定零件形狀與尺寸，防止在使用過程中蠕變。金屬材料及熱處理3.3均勻化退火過程中的組織性能變化2/4/202311中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程（1)均勻化退火的應(yīng)用均勻化退火不論對于鑄件，還是對于鑄錠，都是十分重要的，但它也有其不利的一面：費時耗能，經(jīng)濟(jì)效益差；溫度高、時間長，易帶來變形、吸氣、氧化等問題，也過熱、過燒；有的材料會強(qiáng)度下降，這對于要求高強(qiáng)的材料是不利的。因此，是否進(jìn)行均勻化退火應(yīng)視具體問題具體分析。（2)均勻化退火的選擇在實際生產(chǎn)中，是否進(jìn)行均勻化退火，主要是根據(jù)合金本性、鑄造方法以及產(chǎn)品使用性能的要求來選擇合金本性——易產(chǎn)生偏析，組織不均，塑性差，殘余應(yīng)力大者如：鋁合金：除純鋁、低合金化的軟鋁外，幾乎都需要；鎂合金：含Al、Zn的，易偏析，需要；銅合金：除錫磷青銅、普通白銅、鋅白銅等外，其它一般不需要；鋼鐵：鋼鐵一般不需要，但易切削鋼（防硫偏聚）、高合金鋼或其它有重要特殊用途的鋼需要均勻化退火，通常先熱鍛再退火。鎂合金、銅合金、鋼鐵等通常需在保護(hù)性氣氛或真空中進(jìn)行。金屬材料及熱處理3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程2/4/202312中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鑄造方法——在工業(yè)條件下，冷卻速度較大的鑄造方法，更易產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析，出現(xiàn)非平衡組織產(chǎn)品性質(zhì)——（舉2例）①需要防止晶粒異常粗大的（Al-Mn系合金），需要均勻化退火Al-Mn系合金為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，其產(chǎn)品使用狀態(tài)加工態(tài)或退火態(tài)，Mn容易不均勻，Mn不均勻，會導(dǎo)致加工后退火再結(jié)晶晶粒分布不均勻，個別異常粗大。

②6063型材氧化著色，需要均勻化退火6063常用作建筑型材，為了美觀需氧化著色，需提高表面質(zhì)量、也需表面化學(xué)性質(zhì)均勻，必需進(jìn)行均勻化退火金屬材料及熱處理3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程2/4/202313中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（3)均勻化退火的工藝規(guī)程的制定原則均勻化退火的主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時間，其次是加熱速度和冷卻速度加熱溫度I為了提高擴(kuò)散速率，加速均勻化過程，提高均勻化效果，應(yīng)盡可能地提高均勻化退火溫度，但必須防止溫度太高，而引起過熱、過燒、氧化、吸氣、變形等問題，因此，通常，經(jīng)驗上，T均=（0.9~0.95）Tm（Tm——鑄錠實際開始熔化的溫度，低于固相線）理論上，可以由相圖給出

I———選擇非平衡固相線以下，盡可能高（低溫均勻化（擴(kuò)散）退火）II———選擇平衡固相線以下，盡可能高（高溫均勻化（擴(kuò)散）退火）I+II——先在I的溫度下均勻化，在到II的溫度下均勻化，（分級均勻化（擴(kuò)散）退火）金屬材料及熱處理3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程2/4/202314中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院低溫均勻化退火——保險，不會出現(xiàn)過燒，過熱、氧化、吸氣、變形等問題也不嚴(yán)重，但難以達(dá)到組織均勻化的目的，即使能達(dá)到，也需極長的時間，對生產(chǎn)不利。高溫均勻化退火——冒險，但均勻化效果好。溫度高有利于長程擴(kuò)散，速度快，時間短，生產(chǎn)效益好。但易出現(xiàn)過熱、過燒、氧化、吸氣、變形等問題。大多數(shù)合金是不可以進(jìn)行高溫均勻化退火，易氧化、吸氣者更加不可以，鋁合金由致密的表面氧化膜，可以，但也要慎重分級均勻化退火——通過低溫均勻化可以降低高溫均勻化時過燒的可能性，而高溫均勻化又可加速均勻化。兼有低溫均勻化退火和高溫均勻化退火的優(yōu)點，但麻煩。鎂合金多采用分級加熱工藝來實現(xiàn)均勻化。實際上，合理選擇均勻化退火溫度需用實驗來測定，如采用金相法來觀察測定過熱或過燒的最低溫度。金屬材料及熱處理3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程2/4/202315中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院保溫時間從鑄錠（件）表面到溫開始計時，包括勻熱時間、非平衡相溶解時間和成分均勻化時間，但不是簡單地加和。主要取決于退火溫度、合金本性、偏析嚴(yán)重程度、非平衡相的形狀、大小和分布狀況以及鑄錠的致密性，除此之外，還與加熱設(shè)備、鑄錠尺寸、裝爐量和裝料方式有關(guān)原則上，盡可能長，但太長，經(jīng)濟(jì)效益差，而且隨著成分的均勻化，濃差減小，擴(kuò)散驅(qū)動力減小，進(jìn)一步均勻化難，因此，均勻化退火時，均勻化過程也只是前期劇烈，后期緩慢，過分延長時間，也無意義。成分位置也應(yīng)該指出的是，均勻化處理只能消除或減少晶內(nèi)偏析，而對區(qū)域偏析的影響甚微，另外，消除區(qū)域偏析需晶間擴(kuò)散，而晶間擴(kuò)散會因晶間夾雜和空隙而難以實現(xiàn)。欲消除區(qū)域偏析，可能要數(shù)年、數(shù)十年，甚至數(shù)百年。無意義！實際上，合理選擇均勻化退火時間需用實驗來測定，通常在數(shù)小時和數(shù)十小時之間。金屬材料及熱處理3.4均勻化退火的應(yīng)用與工藝規(guī)程2/4/202316中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院加熱速度和冷卻速度加熱——以不開裂、不大變形、不產(chǎn)生大裂紋為原則，可快，可慢、也可分級加熱。幾乎所有的熱處理的加熱速率控制原則都如此。冷卻——不宜快，也不宜慢太慢，則會產(chǎn)生粗大相，且第二相析出不均勻，易沿晶界析出，甚至呈鏈、帶、網(wǎng)狀分布，達(dá)不到均勻化退火的目的太快，則會產(chǎn)生淬火效應(yīng)，后續(xù)變形抗力大，達(dá)不到均勻化退火的目的但也需具體問題具體分析，6063型材生產(chǎn)的均勻化退火，通常需要快冷（風(fēng)冷），甚至需要水冷。原因在于：均勻化的目的是改善表面質(zhì)量和表面著色的均勻性，快