第五章-脫溶沉淀

第六章脫溶沉淀6.1沉淀的基本概念6.1.1沉淀的條件

只要固溶體的溶解度隨溫度發(fā)生變化，都會出現(xiàn)沉淀。固溶處理：使第二相充分溶入固溶體中，然后保持到室溫。時(shí)效處理：將過飽和固溶體在一定溫度下保溫一定的時(shí)間使之發(fā)生沉淀，使第二相彌散析出。6.1.2沉淀的分類圖6.2連續(xù)沉淀和不連續(xù)沉淀的示意圖1.連續(xù)沉淀和不連續(xù)沉淀①連續(xù)沉淀：以孤立小顆?；虮∑谀赶嘀行纬?。②不連續(xù)沉淀：在晶界形核逐步向晶內(nèi)發(fā)展、長大。圖6.3連續(xù)沉淀組織圖6.4不連續(xù)沉淀組織2.平衡沉淀與亞穩(wěn)沉淀3.共格沉淀和非共格沉淀4.正沉淀和負(fù)沉淀6.沉淀相的形核和長大

沉淀相或脫溶相應(yīng)為平衡相。但相當(dāng)多情況是亞穩(wěn)平衡相。

沉淀產(chǎn)物與母相的晶體學(xué)關(guān)系，取決于過冷度、溫度和沉淀產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)。亞穩(wěn)相多為共格相；平衡相多為非共格相。

沉淀相中溶質(zhì)含量高于母相稱為正沉淀；相反稱為負(fù)沉淀。沉淀相的形核驅(qū)動力：（6.1）體系自由能變化：（6.2）6.2界面能界面能γ：增加單位面積所增加的能量，即（6.3）6.2.1化學(xué)能γC：化學(xué)鍵改變所引起的能量。（6.4）（6.5）上式中：（6.6）所以：用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以得到：（6.7）其中：并考慮：6.2.2畸變能

畸變能是原子偏離平衡位置所增加的能量。

單位面積的界面能可以表示為各位錯(cuò)能量的疊加：（6.8）刃型位錯(cuò)K=1－ν，螺型位錯(cuò)K=1。一維方向不匹配的界面：（6.9）其中：；—不匹配方向上的線應(yīng)變。

當(dāng)析出相和基體之間界面上的原子只沿某一原子方向錯(cuò)開一個(gè)很小量時(shí)，有：（6.10）三種界面的界面能：

共格半共格非共格畸變能大←小化學(xué)能小→大總界面能小→大

0.05~2J/m20.2~0.5J/m20.5~1.0J/m2非共格界面：（6.11）

在非共格相界與晶界平衡時(shí)，如圖6.6（a），有（6.12）

通過測定二面角φ和已知的α相晶界能，便可以求得同時(shí)也可以通過改變晶界能和相界能的比值來影響φ角，從而影響第二相的形態(tài)。6.3體積應(yīng)變能

在不存在約束條件下，體積應(yīng)變能來源于沉淀相和母相比容不同或由形狀差異引起的錯(cuò)配。6.3.1共格膨脹理論單位體積彈性應(yīng)變能為：（6.13）若在x、y兩個(gè)方向上應(yīng)變，則（6.14）假定兩個(gè)方向應(yīng)力應(yīng)變相同，且有所以：（6.15）當(dāng)基體不被壓縮時(shí)：（6.16）當(dāng)沉淀相不被壓縮時(shí)：（6.17）6.3.2非共格界面的體應(yīng)變能

當(dāng)兩相不共格,基體承受全部應(yīng)變,此時(shí)體應(yīng)變能為:（6.18）

非共格體應(yīng)變能的數(shù)值與界面能的數(shù)值相比較很小，因此，在討論固態(tài)形核時(shí)非共格的體應(yīng)變能都可以忽略不計(jì)。6.3.3半共格界面的體應(yīng)變能

在沉淀相的周圍存在位錯(cuò)時(shí)，體應(yīng)變能一部分是位錯(cuò)引入的應(yīng)變能，另一部分為沉淀相的應(yīng)力場與位錯(cuò)應(yīng)力場的交互作用能，即（6.19）（6.20）其中：（6.21）6.4沉淀過程舉例6.4.1Al-Cu合金的沉淀GP區(qū)→θ’’→θ’→θGuinier-Presten1.常見合金的沉淀貫序2.無沉淀區(qū)的形成Al-6.9Zn-2.9Mg合金中的無沉淀區(qū)

無沉淀區(qū)的形成：時(shí)效過程中的空位貧化對無沉淀區(qū)形成起主要作用。3.Al-Cu合金的時(shí)效強(qiáng)化Al-Cu合金的硬度與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系時(shí)效過程的規(guī)律：（1）硬度隨銅含量的增加而上升；（2）2%Cu-Al合金時(shí)效未測出GP區(qū)；（3）凡有GP預(yù)沉淀過程，硬化皆出現(xiàn)二步性；（4）除2%Cu-Al合金外，硬度最高值對應(yīng)著θ’’相的大量析出、θ’剛開始析出。6.4.2低碳鋼的時(shí)效

所謂低碳鋼的時(shí)效，是指間隙原子碳、氮在α-Fe中的脫溶所引起的性能變化。Fe-N過飽和固溶體脫溶時(shí)N原子偏聚區(qū)的TEM像6.4.3回火

含碳量在0.23%以上的馬氏體存在沉淀過程。碳鋼馬氏體的沉淀貫序：6.5沉淀相粒子的長大和粗化6.6.1沉淀相粒子的長大

非共格界面的三種生長方式：1.片狀沉淀相的側(cè)向長大

生長速率取決于界面附近的濃度梯度dC/dx：（6.22）（6.23）

假定溶質(zhì)濃度隨距離x呈線性變化，如圖示，則（6.24）（6.25）（6.26）（6.27）一維生長的幾點(diǎn)結(jié)論：（3）生長速率正比于過飽和度：（1）由（6.26）式有沉淀相的增厚服從拋物線規(guī)律：（6.28）（2）由（6.27）式有生長速率隨時(shí)間增長，增厚越來越慢：（6.29）（6.30）對于一、二、三維生長均有：（6.31）2.片狀沉淀相端面的長大：片的直徑為無窮大，L特征擴(kuò)散距離：生長速率與時(shí)間無關(guān)（6.32）假設(shè)L=r，則（6.33）3.球形沉淀相的長大：

設(shè)球形粒子半徑為r，濃度分布如圖示：可以求得：（6.34）（6.35）（6.36）4.臺階機(jī)制生長：片狀沉淀相側(cè)向推移速率u為：（6.38）（6.37）Ch—臺階側(cè)面α相的濃度。片狀沉淀相厚度的增加速率v為：6.6.2沉淀相粒子的粗化沉淀相粒子粗化的驅(qū)動力來自總界面能的下降。粒子長大速度為：（6.40）（6.39）對于球形粒子：VB—B原子的體積。界面的曲率半徑和界面外側(cè)基體成分的關(guān)系由吉布斯-湯姆遜定理，有（6.40）的幾點(diǎn)討論：（6.41）

嚴(yán)格控制時(shí)效溫度和時(shí)間是控制粒子長大的有效措施。6.6沉淀強(qiáng)化機(jī)制

在基體上彌散分布著第二相粒子所產(chǎn)生的強(qiáng)化方式稱為沉淀強(qiáng)化。6.6.1位錯(cuò)切過顆粒機(jī)制位錯(cuò)切過第二相顆粒強(qiáng)化增量：T—位錯(cuò)線的張力函數(shù)；d—顆粒間距；r—粒子半徑；f—粒子的體積百分?jǐn)?shù)。r0—位錯(cuò)中心半徑；（6.42）簡化：（6.43）

體積分?jǐn)?shù)一定，