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1 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第八章金属及合金中的相变第八章金属及合金中的相变 Phase Transation in Metals Alloys 2 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第一节 主要类型第一节 主要类型 3 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 相变相变相变相变 成核成核成核成核 - - 长大型长大型长大型长大型连续型连续型连续型连续型 连续有序化连续有序化连续有序化连续有序化 SpinodalSpinodal分解分解分解分解 新相成新相成新相成新相成 分改变分改变分改变分改变 新相成新相成新相成新相成 分不改分不改分不改分不改 变变变变 均匀相均匀相均匀相均匀相 变变变变 非均匀非均匀非均匀非均匀 相变相变相变相变 热激活界热激活界热激活界热激活界 面控制面控制面控制面控制 非热激活非热激活非热激活非热激活 迁动位错迁动位错迁动位错迁动位错 非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状 半共格－有序化半共格－有序化半共格－有序化半共格－有序化 共格－孪生共格－孪生共格－孪生共格－孪生 半共格－倾动晶界半共格－倾动晶界半共格－倾动晶界半共格－倾动晶界 界面控制界面控制界面控制界面控制 扩散控制扩散控制扩散控制扩散控制 非连续沉淀非连续沉淀非连续沉淀非连续沉淀 胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变 共格－共格－共格－共格－G.P.G.P.区区区区 非共格－连续沉淀非共格－连续沉淀非共格－连续沉淀非共格－连续沉淀 共格贝氏体相变共格贝氏体相变共格贝氏体相变共格贝氏体相变 相间沉淀相间沉淀相间沉淀相间沉淀 热激活界热激活界热激活界热激活界 面控制面控制面控制面控制 非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状非共格再结晶、块状 半共格－有序化半共格－有序化半共格－有序化半共格－有序化 界面控制界面控制界面控制界面控制 非连续沉淀非连续沉淀非连续沉淀非连续沉淀 胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变胞状相变－珠光体相变 共格－共格－共格－共格－G.P.G.P.区区区区 共格贝氏体相变共格贝氏体相变共格贝氏体相变共格贝氏体相变 相间沉淀相间沉淀相间沉淀相间沉淀 4 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 相变相变相变相变 一级相变一级相变一级相变一级相变二级相变二级相变二级相变二级相变 超导相变超导相变超导相变超导相变 磁性相变磁性相变磁性相变磁性相变 二级铁电相变二级铁电相变二级铁电相变二级铁电相变 二级有序二级有序二级有序二级有序––––无序相变无序相变无序相变无序相变 玻璃态相变玻璃态相变玻璃态相变玻璃态相变 无 扩 散无 扩 散无 扩 散无 扩 散 位移型位移型位移型位移型 扩散型扩散型扩散型扩散型 点阵畸变点阵畸变点阵畸变点阵畸变 点阵不畸变点阵不畸变点阵不畸变点阵不畸变 连续型连续型连续型连续型 成核成核成核成核- - - -长大长大长大长大 型型型型 连续有序化连续有序化连续有序化连续有序化 SpinodalSpinodalSpinodalSpinodal分解分解分解分解 沉淀沉淀沉淀沉淀 析晶反应析晶反应析晶反应析晶反应 包析反应包析反应包析反应包析反应 有序一无序相变有序一无序相变有序一无序相变有序一无序相变 贝氏体相变贝氏体相变贝氏体相变贝氏体相变 切变为主切变为主切变为主切变为主马氏体相变马氏体相变马氏体相变马氏体相变 正应力为主正应力为主正应力为主正应力为主一些多形型相变一些多形型相变一些多形型相变一些多形型相变 有序有序有序有序无序相变无序相变无序相变无序相变 铁电相变铁电相变铁电相变铁电相变 5 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 相变相变相变相变 非平衡转变非平衡转变非平衡转变非平衡转变平衡转变平衡转变平衡转变平衡转变 同素异晶转变同素异晶转变同素异晶转变同素异晶转变 平衡脱溶转变平衡脱溶转变平衡脱溶转变平衡脱溶转变 共析转变共析转变共析转变共析转变 增幅增幅增幅增幅SpinodalSpinodal分解分解分解分解 有序化转变有序化转变有序化转变有序化转变 无 扩 散无 扩 散无 扩 散无 扩 散 位移型位移型位移型位移型 扩散型扩散型扩散型扩散型 点阵畸变点阵畸变点阵畸变点阵畸变 点阵不畸变点阵不畸变点阵不畸变点阵不畸变 连续型连续型连续型连续型 成核成核成核成核 - - - - 长大长大长大长大 型型型型 非平衡非平衡非平衡非平衡连续有序化连续有序化连续有序化连续有序化 非平衡非平衡非平衡非平衡SpinodalSpinodalSpinodalSpinodal分解分解分解分解 非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变 伪共析转变伪共析转变伪共析转变伪共析转变 块状转变块状转变块状转变块状转变 贝氏体相变贝氏体相变贝氏体相变贝氏体相变 切变为主切变为主切变为主切变为主马氏体相变马氏体相变马氏体相变马氏体相变 正应力为主变正应力为主变正应力为主变正应力为主变 6 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 金属多高温倾向于体心立方金属多高温倾向于体心立方, 低温转变为密排六方或面心立方低温转变为密排六方或面心立方 密排六方面心立方体心立方密排六方面心立方体心立方 Ca 室温＞ 447CCa 室温＞ 447C Co 室温＞ 427C Co 室温＞ 427C Na ＞ - 223C 室温Na ＞ - 223C 室温 Ti 室温＞ 883C Ti 室温＞ 883C Fe 9121400C（γ）＜ 912C（α）Fe 9121400C（γ）＜ 912C（α） ＞1400C（δ）1400C（δ） 一、同素异构转变一、同素异构转变Allotropic TransationsAllotropic Transations 晶体结构变化晶体结构变化 固体从一种晶体结构变为另一种晶体结构固体从一种晶体结构变为另一种晶体结构 7 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 非晶态是亚稳态，通过成核和长大过程发生晶化。非晶态是亚稳态，通过成核和长大过程发生晶化。 可能 非晶态某些性能改进， 应促其发生晶化可能 非晶态某些性能改进， 应促其发生晶化 某些优良性能丧失，则应避免晶化某些优良性能丧失，则应避免晶化 * 非晶态晶化是在Tg 以下进行的，扩散系数小。* 非晶态晶化是在Tg 以下进行的，扩散系数小。 （熔体结晶Tg＜T＜Tm）（熔体结晶Tg＜T＜Tm） 有序程度变化有序程度变化 二、非晶态的晶化二、非晶态的晶化 Crystallization of Noncrystalline 8 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 弛豫弛豫偏离原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程.偏离原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程. 非晶态的结构驰豫不稳态非晶材料，常温或加热一 定温度保温退火， 许多性质随时间变化而达另一亚稳态 非晶态的结构驰豫不稳态非晶材料，常温或加热一 定温度保温退火， 许多性质随时间变化而达另一亚稳态 结构驰豫的特点结构驰豫的特点 未发生结晶未发生结晶，不是亚稳态向稳定态的相变，不是亚稳态向稳定态的相变 微观结构是向一种能量较低的亚稳态的转变微观结构是向一种能量较低的亚稳态的转变 有序程度变化有序程度变化 三、结构弛豫 Structural Relaxation三、结构弛豫 Structural Relaxation 9 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 多组元多组元体系体系分离成不同组份和 结构的几相 分离成不同组份和 结构的几相 熔体冷却时,可能由不稳态或亚 稳态分离成不同成分和结构的相 相分离过程的 熔体冷却时,可能由不稳态或亚 稳态分离成不同成分和结构的相 相分离过程的机制机制 一种经 过成核； 一种不经过成核 一种经 过成核； 一种不经过成核 拐点分解拐点分解Inflexion Decomposition Inflexion Decomposition不经过成核过程， 不稳相向亚稳相或稳定相转变 不经过成核过程， 不稳相向亚稳相或稳定相转变 化学成分变化化学成分变化 四、相分离（Separation of Phase四、相分离（Separation of Phase 10 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 无扩散型无扩散型 连续型－连续型－w相变w相变 形核长大型－形核长大型－马氏体相变马氏体相变 扩散型扩散型 连续型连续型 连续有序化连续有序化 Spinodal分解Spinodal分解 形核长大型形核长大型 五、无扩散型与扩散型五、无扩散型与扩散型 11 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 六、形核长大型六、形核长大型 新相成分改变 （长程扩散长大）新相成分改变 （长程扩散长大） 非均匀相变非均匀相变 胞状相变－珠光体相变 非连续沉淀 胞状相变－珠光体相变 非连续沉淀 均匀相变均匀相变 界面控制界面控制 共格－G.P.区 非共格－连续沉淀 共格－G.P.区 非共格－连续沉淀 扩散控制扩散控制 共格贝氏体相变 相间沉淀 共格贝氏体相变 相间沉淀 12 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 新相成分不改变新相成分不改变 热激活界面控制热激活界面控制 非共格非共格再结晶 块状相变 再结晶 块状相变 半共格－半共格－有序化有序化 非热激活迁动位错非热激活迁动位错 共格－ 共格－孪生孪生 半共格－半共格－倾动晶界倾动晶界 形核长大型形核长大型 13 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 七、平衡转变七、平衡转变 平衡脱溶转变 平衡脱溶转变 固溶体冷至固溶度曲线MN以 下，β相逐渐析出，母相的成 分和体积分数不断变化，母 相不会消失。钢在冷却时， 二次渗碳体的析出，即属这 种相变。 固溶体冷至固溶度曲线MN以 下，β相逐渐析出，母相的成 分和体积分数不断变化，母 相不会消失。钢在冷却时， 二次渗碳体的析出，即属这 种相变。 可发生脱溶转变的合金 同素异晶转变同素异晶转变 纯金属由一种晶体结构转变为另一种结构的过程。纯金属由一种晶体结构转变为另一种结构的过程。 14 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 共析转变共析转变 增幅分解增幅分解 高温固溶体冷至某一温度，分解为 两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区 的转变。特点是新形成的微区之间无明显的界 面和成分的突变，通过上坡扩散，最终使一均 匀固溶体变为一不均匀固溶体。 高温固溶体冷至某一温度，分解为 两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区 的转变。特点是新形成的微区之间无明显的界 面和成分的突变，通过上坡扩散，最终使一均 匀固溶体变为一不均匀固溶体。 有序化转变有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从 无序过渡到有序的过程 固溶体中，各组元的相对位置从 无序过渡到有序的过程 平衡转变平衡转变 15 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 八、非平衡转变八、非平衡转变 伪共析转变伪共析转变 马氏体相变马氏体相变 块状转变块状转变 纯铁或低碳钢， 在一定的冷速下奥氏体可以转 变为与母相成分相同而形貌呈 块状的α相。 纯铁或低碳钢， 在一定的冷速下奥氏体可以转 变为与母相成分相同而形貌呈 块状的α相。 贝氏体相变贝氏体相变 非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变 Fe-Fe3C相图的左下角 16 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第二节 时效理论第二节 时效理论铝合金铝合金 17 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 一、一、一、一、 沉淀过程的微结构变化沉淀过程的微结构变化沉淀过程的微结构变化沉淀过程的微结构变化 二、沉淀强化机制二、沉淀强化机制二、沉淀强化机制二、沉淀强化机制 三、三、三、三、热处理热处理 四、现代沉淀理论四、现代沉淀理论 本节内容本节内容 18 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 一、 沉淀过程的微结构变化一、 沉淀过程的微结构变化 19 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 除硅以外，铝合金的合金元素属于置换式溶质，除硅以外，铝合金的合金元素属于置换式溶质，除硅以外，铝合金的合金元素属于置换式溶质，除硅以外，铝合金的合金元素属于置换式溶质， 对面心立方铝基体产生球对称畸变，固溶强化效对面心立方铝基体产生球对称畸变，固溶强化效对面心立方铝基体产生球对称畸变，固溶强化效对面心立方铝基体产生球对称畸变，固溶强化效 果有限。果有限。果有限。果有限。 1 1 1 1、、、、 铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构 硅硅硅硅 置换式溶质置换式溶质置换式溶质置换式溶质 空位空位空位空位 溶质和空位的双重过饱和固溶体溶质和空位的双重过饱和固溶体溶质和空位的双重过饱和固溶体溶质和空位的双重过饱和固溶体 20 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1 1 1 1、、、、 铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构铝合金过饱和固溶体的结构 溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时 效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相。效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相。效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相。效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相。 固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快。固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快。固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快。固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快。 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 kT E e v Ae N n c Δ − N Ne e平衡空位数平衡空位数 N N 原子总数原子总数 ΔEv ΔEv 每增加一个空位的能量变化每增加一个空位的能量变化 k k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 T T 绝对温度绝对温度 A A由振动熵决定的系数，取110，通常取1。 T↑ -- C↑由振动熵决定的系数，取110，通常取1。 T↑ -- C↑ 21 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 铝合金典型的沉淀过程的晶体结构变化包括铝合金典型的沉淀过程的晶体结构变化包括铝合金典型的沉淀过程的晶体结构变化包括铝合金典型的沉淀过程的晶体结构变化包括四个四个四个四个 阶段，阶段，阶段，阶段，G.PG.PG.PG.P区、共格过渡相、半共格过渡相、最终区、共格过渡相、半共格过渡相、最终区、共格过渡相、半共格过渡相、最终区、共格过渡相、半共格过渡相、最终 形成稳定相。形成稳定相。形成稳定相。形成稳定相。 2 2 2 2、、、、 沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化 双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体G.PG.P区区区区 共格过渡相共格过渡相共格过渡相共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相稳定相稳定相稳定相稳定相 22 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 （（（（1 1）、溶质簇聚）、溶质簇聚）、溶质簇聚）、溶质簇聚 G.PG.P区区区区 首先，在某晶面上出现溶质簇聚，称之为首先，在某晶面上出现溶质簇聚，称之为首先，在某晶面上出现溶质簇聚，称之为首先，在某晶面上出现溶质簇聚，称之为G.PG.PG.PG.P区区区区。。。。G.PG.PG.PG.P区没区没区没区没 有独立的晶体结构，形核功小，一般在母相中均匀形核，有独立的晶体结构，形核功小，一般在母相中均匀形核，有独立的晶体结构，形核功小，一般在母相中均匀形核，有独立的晶体结构，形核功小，一般在母相中均匀形核， 许多铝合金可在室温生成许多铝合金可在室温生成许多铝合金可在室温生成许多铝合金可在室温生成G.PG.PG.PG.P区。区。区。区。 G.PG.PG.PG.P区可为盘状，厚度只有几层原子，直径一般不超过区可为盘状，厚度只有几层原子，直径一般不超过区可为盘状，厚度只有几层原子，直径一般不超过区可为盘状，厚度只有几层原子，直径一般不超过 10nm10nm10nm10nm，也可呈球状或针状，也可呈球状或针状，也可呈球状或针状，也可呈球状或针状, , , , 伴有强度、硬度升高。伴有强度、硬度升高。伴有强度、硬度升高。伴有强度、硬度升高。 溶质簇聚溶质簇聚溶质簇聚溶质簇聚 G.PG.P区区区区 23 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第二阶段，沉淀出与基体共格的过渡相第二阶段，沉淀出与基体共格的过渡相第二阶段，沉淀出与基体共格的过渡相第二阶段，沉淀出与基体共格的过渡相，以平衡相符号在，以平衡相符号在，以平衡相符号在，以平衡相符号在 上方加两撇表示，如上方加两撇表示，如上方加两撇表示，如上方加两撇表示，如θθθθ、、、、δδδδ等，有确定的结构和成分等，有确定的结构和成分等，有确定的结构和成分等，有确定的结构和成分 ，与平衡相稍有不同，一般在位错等晶体缺陷处形核，尺，与平衡相稍有不同，一般在位错等晶体缺陷处形核，尺，与平衡相稍有不同，一般在位错等晶体缺陷处形核，尺，与平衡相稍有不同，一般在位错等晶体缺陷处形核，尺 寸大于寸大于寸大于寸大于G.PG.PG.PG.P区，与基体的界面有高的弹性共格应变场。区，与基体的界面有高的弹性共格应变场。区，与基体的界面有高的弹性共格应变场。区，与基体的界面有高的弹性共格应变场。 （（（（2 2）、共格过渡相）、共格过渡相）、共格过渡相）、共格过渡相 不同合金中的共格有序相的形状各异，伴有硬度、强度的不同合金中的共格有序相的形状各异，伴有硬度、强度的不同合金中的共格有序相的形状各异，伴有硬度、强度的不同合金中的共格有序相的形状各异，伴有硬度、强度的 较大幅度提高。较大幅度提高。较大幅度提高。较大幅度提高。 共格过渡相，共格过渡相，共格过渡相，共格过渡相， θθθθ、、、、δδδδ等等等等 共格界面共格界面共格界面共格界面 24 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第三阶段，转变为半共格过渡相第三阶段，转变为半共格过渡相第三阶段，转变为半共格过渡相第三阶段，转变为半共格过渡相，以平衡相右上方的一撇，以平衡相右上方的一撇，以平衡相右上方的一撇，以平衡相右上方的一撇 表示，如表示，如表示，如表示，如θθθθ、、、、S S S S 、、、、ηηηη、、、、δδδδ等。与共格过渡相相比，其晶体等。与共格过渡相相比，其晶体等。与共格过渡相相比，其晶体等。与共格过渡相相比，其晶体 结构更接近平衡相，尺寸更大，加之，与基体的共格关系结构更接近平衡相，尺寸更大，加之，与基体的共格关系结构更接近平衡相，尺寸更大，加之，与基体的共格关系结构更接近平衡相，尺寸更大，加之，与基体的共格关系 部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、强度开始下降。部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、强度开始下降。部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、强度开始下降。部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、强度开始下降。 （（（（3 3）、半共格过渡相）、半共格过渡相）、半共格过渡相）、半共格过渡相 半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相 ，，，，θθθθ、、、、δδδδ等等等等 半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面 ，，，，弹性应变弹性应变弹性应变弹性应变 场变弱，硬场变弱，硬场变弱，硬场变弱，硬 度、强度下度、强度下度、强度下度、强度下 降降降降 25 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 （（（（4 4）、平衡相结构）、平衡相结构）、平衡相结构）、平衡相结构 最终阶段，沉淀相与基体脱离共格关系最终阶段，沉淀相与基体脱离共格关系最终阶段，沉淀相与基体脱离共格关系最终阶段，沉淀相与基体脱离共格关系，达，达，达，达 到平衡相结构，强度、硬度显著下降。到平衡相结构，强度、硬度显著下降。到平衡相结构，强度、硬度显著下降。到平衡相结构，强度、硬度显著下降。 平衡相，平衡相，平衡相，平衡相，θθθθ、、、、 δδδδ等等等等 沉淀相与沉淀相与沉淀相与沉淀相与 基体脱离基体脱离基体脱离基体脱离 共格，强共格，强共格，强共格，强 度、硬度度、硬度度、硬度度、硬度 显著下降显著下降显著下降显著下降 26 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 铝合金的铝合金的铝合金的铝合金的固溶固溶固溶固溶时效过程时效过程时效过程时效过程 时效过程时效过程时效过程时效过程 固溶固溶固溶固溶过程过程过程过程 溶质和空位的溶质和空位的溶质和空位的溶质和空位的双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体双重过饱和固溶体 除硅以外，合金元素属于置换式溶质，球对称畸变除硅以外，合金元素属于置换式溶质，球对称畸变除硅以外，合金元素属于置换式溶质，球对称畸变除硅以外，合金元素属于置换式溶质，球对称畸变 ，固溶强化效果有限。，固溶强化效果有限。，固溶强化效果有限。，固溶强化效果有限。 半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相半共格过渡相，，，，θθθθ、、、、S S 等。晶体结构接近平衡相等。晶体结构接近平衡相等。晶体结构接近平衡相等。晶体结构接近平衡相 ，共格关系部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、，共格关系部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、，共格关系部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、，共格关系部分破坏，弹性应变场变弱，硬度、 强度开始下降。强度开始下降。强度开始下降。强度开始下降。 脱离共格关系脱离共格关系脱离共格关系脱离共格关系，，，， θ θ θ θ、、、、S S等等等等, ,达到平衡相结构，强度、达到平衡相结构，强度、达到平衡相结构，强度、达到平衡相结构，强度、 硬度显著下降。硬度显著下降。硬度显著下降。硬度显著下降。 共格过渡相共格过渡相共格过渡相共格过渡相，，，，θθθθ、、、、δδδδ等，确定的结构和成分，一等，确定的结构和成分，一等，确定的结构和成分，一等，确定的结构和成分，一 般在缺陷处形核，高共格应变场。硬度、强度的般在缺陷处形核，高共格应变场。硬度、强度的般在缺陷处形核，高共格应变场。硬度、强度的般在缺陷处形核，高共格应变场。硬度、强度的 较大幅度提高较大幅度提高较大幅度提高较大幅度提高 晶面上晶面上晶面上晶面上溶质簇聚溶质簇聚溶质簇聚溶质簇聚，，，，G.PG.P区。没有独立的晶体结构，区。没有独立的晶体结构，区。没有独立的晶体结构，区。没有独立的晶体结构， 形核功小，均匀形核，硬度、强度提高。形核功小，均匀形核，硬度、强度提高。形核功小，均匀形核，硬度、强度提高。形核功小，均匀形核，硬度、强度提高。 27 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 沉淀过程虽可分为几个阶段，但往往是相互交叠沉淀过程虽可分为几个阶段，但往往是相互交叠沉淀过程虽可分为几个阶段，但往往是相互交叠沉淀过程虽可分为几个阶段，但往往是相互交叠 并竞争的，在一定的温度和时间有一个主要的阶并竞争的，在一定的温度和时间有一个主要的阶并竞争的，在一定的温度和时间有一个主要的阶并竞争的，在一定的温度和时间有一个主要的阶 段。另外，不是所有的铝合金沉淀过程都遵循以段。另外，不是所有的铝合金沉淀过程都遵循以段。另外，不是所有的铝合金沉淀过程都遵循以段。另外，不是所有的铝合金沉淀过程都遵循以 上四个阶段。上四个阶段。上四个阶段。上四个阶段。 （（（（5 5 5 5）、）、）、）、 沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化沉淀过程的晶体结构变化 AlAlAlAl- - - -MgMgMgMg、、、、AlAlAlAl- - - -ZnZnZnZn合金在较高温度时效，不出现合金在较高温度时效，不出现合金在较高温度时效，不出现合金在较高温度时效，不出现G.PG.PG.PG.P区区区区 和共格过渡相，直接形成半共格过渡相。和共格过渡相，直接形成半共格过渡相。和共格过渡相，直接形成半共格过渡相。和共格过渡相，直接形成半共格过渡相。 MgZnMgZnMgZnMgZn 2 2 2 2 的不存在共格过渡相阶段，的不存在共格过渡相阶段，的不存在共格过渡相阶段，的不存在共格过渡相阶段，MgMgMgMg 2 2 2 2 SiSiSiSi的过渡相阶段可的过渡相阶段可的过渡相阶段可的过渡相阶段可 忽略。忽略。忽略。忽略。AlAlAlAl- - - -LiLiLiLi合金合金合金合金δδδδ（（（（AlAlAlAl 3 3 3 3 LiLiLiLi）首先沉淀出非化学）首先沉淀出非化学）首先沉淀出非化学）首先沉淀出非化学 计量比有序相，随后转变为化学计量比有序相计量比有序相，随后转变为化学计量比有序相计量比有序相，随后转变为化学计量比有序相计量比有序相，随后转变为化学计量比有序相 AlAlAlAl 3 3 3 3 LiLiLiLi。。。。 28 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 G.PG.PG.PG.P区、沉淀相可呈盘状、针状、球状等，区、沉淀相可呈盘状、针状、球状等，区、沉淀相可呈盘状、针状、球状等，区、沉淀相可呈盘状、针状、球状等， 主要系因其弹性能、界面能不同主要系因其弹性能、界面能不同主要系因其弹性能、界面能不同主要系因其弹性能、界面能不同, , , ,自由能变自由能变自由能变自由能变 化化化化ΔΔΔΔF F F F为为为为ΔΔΔΔFFFF- - - -νΔνΔνΔνΔF F F FννννSSSSγγγγ νενενενε 3 3 3 3、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌 νννν为体积、为体积、为体积、为体积、ΔΔΔΔF F F Fνννν为基体与沉淀物的单位体为基体与沉淀物的单位体为基体与沉淀物的单位体为基体与沉淀物的单位体 积自由能差、积自由能差、积自由能差、积自由能差、S S S S为沉淀物的表面积、为沉淀物的表面积、为沉淀物的表面积、为沉淀物的表面积、γγγγ为沉为沉为沉为沉 淀物的单位面积表面能、淀物的单位面积表面能、淀物的单位面积表面能、淀物的单位面积表面能、εεεε为单位弹性能为单位弹性能为单位弹性能为单位弹性能 。。。。- - - -νΔνΔνΔνΔF F F Fνννν为形核的动力项，为形核的动力项，为形核的动力项，为形核的动力项，S S S Sγγγγ νενενενε为形为形为形为形 核阻力项。核阻力项。核阻力项。核阻力项。 29 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 就沉淀相形貌而言，盘状可与基体一同变形，有助就沉淀相形貌而言，盘状可与基体一同变形，有助就沉淀相形貌而言，盘状可与基体一同变形，有助就沉淀相形貌而言，盘状可与基体一同变形，有助 于释放错配度的弹性能，球状反之，针状居中。而于释放错配度的弹性能，球状反之，针状居中。而于释放错配度的弹性能，球状反之，针状居中。而于释放错配度的弹性能，球状反之，针状居中。而 对相同体积，球状的表面积最小，盘状最大，针状对相同体积，球状的表面积最小，盘状最大，针状对相同体积，球状的表面积最小，盘状最大，针状对相同体积，球状的表面积最小，盘状最大，针状 居中。居中。居中。居中。 3 3 3 3、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌 就沉淀相与基体的界面类型而言，共格界面的弹就沉淀相与基体的界面类型而言，共格界面的弹就沉淀相与基体的界面类型而言，共格界面的弹就沉淀相与基体的界面类型而言，共格界面的弹 性能最大和表面能最小，非共格界面反之，半共性能最大和表面能最小，非共格界面反之，半共性能最大和表面能最小，非共格界面反之，半共性能最大和表面能最小，非共格界面反之，半共 格界面居中。当沉淀物与基体共格且错配度大时格界面居中。当沉淀物与基体共格且错配度大时格界面居中。当沉淀物与基体共格且错配度大时格界面居中。当沉淀物与基体共格且错配度大时 ，如，如，如，如AlAlAlAl- - - -CuCuCuCu合金的合金的合金的合金的G.PG.PG.PG.P区弹性能很大，形核阻力项区弹性能很大，形核阻力项区弹性能很大，形核阻力项区弹性能很大，形核阻力项 中中中中νενενενε占主导，沉淀物呈盘状，以降低弹性能。占主导，沉淀物呈盘状，以降低弹性能。占主导，沉淀物呈盘状，以降低弹性能。占主导，沉淀物呈盘状，以降低弹性能。 30 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 当沉淀物与基体的错配度小时，如当沉淀物与基体的错配度小时，如当沉淀物与基体的错配度小时，如当沉淀物与基体的错配度小时，如δδδδ（（（（AlAlAlAl 3 3 3 3 LiLiLiLi）、）、）、）、 ββββ（（（（AlAlAlAl 3 3 3 3 ZrZrZrZr）等，形核阻力项中的）等，形核阻力项中的）等，形核阻力项中的）等，形核阻力项中的νενενενε值低，值低，值低，值低，S S S Sγγγγ 占主导，沉淀物呈球状，以减少表面积。介于上述占主导，沉淀物呈球状，以减少表面积。介于上述占主导，沉淀物呈球状，以减少表面积。介于上述占主导，沉淀物呈球状，以减少表面积。介于上述 两种情况之间，沉淀物可呈针状。两种情况之间，沉淀物可呈针状。两种情况之间，沉淀物可呈针状。两种情况之间，沉淀物可呈针状。 3 3 3 3、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌、沉淀物的形貌 按上述理论可以定性说明沉淀相的形貌，但基于明按上述理论可以定性说明沉淀相的形貌，但基于明按上述理论可以定性说明沉淀相的形貌，但基于明按上述理论可以定性说明沉淀相的形貌，但基于明 锐界面的假设。在锐界面的假设。在锐界面的假设。在锐界面的假设。在G.PG.PG.PG.P区和沉淀相形成初期，界面区和沉淀相形成初期，界面区和沉淀相形成初期，界面区和沉淀相形成初期，界面 厚度和体积在同一数量级，人为地划分界面项和体厚度和体积在同一数量级，人为地划分界面项和体厚度和体积在同一数量级，人为地划分界面项和体厚度和体积在同一数量级，人为地划分界面项和体 积项有问题。准确地预测沉淀相的形貌应基于现代积项有问题。准确地预测沉淀相的形貌应基于现代积项有问题。准确地预测沉淀相的形貌应基于现代积项有问题。准确地预测沉淀相的形貌应基于现代 沉淀理论，如弥散界面、离散格点等。沉淀理论，如弥散界面、离散格点等。沉淀理论，如弥散界面、离散格点等。沉淀理论，如弥散界面、离散格点等。 31 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 铝合金的相组成铝合金的相组成铝合金的相组成铝合金的相组成 固溶固溶固溶固溶 时效过程形成时效过程形成时效过程形成时效过程形成 凝固或均匀凝固或均匀凝固或均匀凝固或均匀 化过程形成化过程形成化过程形成化过程形成 尺寸大于尺寸大于尺寸大于尺寸大于0.50.5μ μ μ μm,m, 受载时，界面处出现位错塞积受载时，界面处出现位错塞积受载时，界面处出现位错塞积受载时，界面处出现位错塞积 ，成为裂纹源，成为裂纹源，成为裂纹源，成为裂纹源 尺寸尺寸尺寸尺寸0.0050.005- -0.050.05μ μ μ μmm，，，，细小和弥散分布时，可阻细小和弥散分布时，可阻细小和弥散分布时，可阻细小和弥散分布时，可阻 碍再结晶和晶粒长大；其尺寸和间距较大时，则碍再结晶和晶粒长大；其尺寸和间距较大时，则碍再结晶和晶粒长大；其尺寸和间距较大时，则碍再结晶和晶粒长大；其尺寸和间距较大时，则 促进再结晶形核促进再结晶形核促进再结晶形核促进再结晶形核 尺寸小至尺寸小至尺寸小至尺寸小至0.010.01 μμμμ mm的的 的的 时效强化相时效强化相时效强化相时效强化相 Mg2Si AlMg2Si Al- -MgMg- -SiSi系合金，强化效果一般，停放效应系合金，强化效果一般，停放效应系合金，强化效果一般，停放效应系合金，强化效果一般，停放效应 η η η η（（（（MgZn2MgZn2）和）和）和）和T T（（（（Al2Mg2Zn3Al2Mg2Zn3））））AlAl- -ZnZn- -MgMg系合金系合金系合金系合金 ，强化效果很好，耐热性不佳，抗腐蚀性下降大，强化效果很好，耐热性不佳，抗腐蚀性下降大，强化效果很好，耐热性不佳，抗腐蚀性下降大，强化效果很好，耐热性不佳，抗腐蚀性下降大 TMnTMn（（（（Al2Mn2CuAl2Mn2Cu）、）、）、）、TNiTNi（（（（Al6CuNiAl6CuNi））））AlAl- -CuCu- -MnMn和和和和 AlAl- -CuCu- -NiNi系合金，耐热性很好系合金，耐热性很好系合金，耐热性很好系合金，耐热性很好 δ δ δ δ（（（（Al3LiAl3Li）））） AlAl- -LiLi系合金，与基体共格，强化效果好，系合金，与基体共格，强化效果好，系合金，与基体共格，强化效果好，系合金，与基体共格，强化效果好， 易被位错切截，出现共面滑移易被位错切截，出现共面滑移易被位错切截，出现共面滑移易被位错切截，出现共面滑移 S S（（（（Al2CuMgAl2CuMg））））AlAl- -CuCu- -MgMg系合金，强化效果和
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