合金设计3 均匀化退火

均匀化退火
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非平衡共晶组织中，通常α相依附于α初晶相上， β相则以网状分布在枝晶网胞周 围，在显微组织中观察不到典型的共晶形态。即也可能有离异共晶组织
在生产条件下， α相固溶体呈树枝状，在枝晶胞间和晶界上除了少量的非平衡共 晶组织外，当成份超过临界浓度k时，还有非平衡过剩相（金属间化合物）是普遍 的。⇒单相成分的出现非平衡过剩相；多相成分的过剩相增多（非平衡——原过剩 相或其它新相）
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5083铝合金成分 铝 Al ：余量 硅 Si ：≤0.40 铜 Cu ：≤0.10 镁 Mg：4.0～4.9 锌 Zn：≤0.25 锰 Mn：0.40～1.0 钛 Ti ：≤0.15 铬 Cr：0.05～0.25 铁 Fe： 0.000～ 0.400 注：单个:≤0.05； 合计:≤0.15
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均匀化处理只能消除或减少晶内偏析，而对区域偏析（宏观偏析）的影响甚
微。消除区域偏析需晶间扩散，而晶间扩散会因晶间夹杂和空隙而难以实现。
欲消除区域偏析，可能要数年甚至数百年。无意义！
合理选择均匀化退火时间需用实验来测定，通常在数小时和数十小时之间。
Al-Cu-X合金成分振幅达到1%所需时间
主要取决于退火温度、合金本性、偏析严重程度、非平衡相的形状、大小和分布 状况以及铸锭的致密性。还与加热设备、铸锭尺寸、装炉量和装料方式有关。
原则上，保温时间尽可能长。但太长，经济 效益差；而且随着成分的均匀化，浓差减小， 扩散驱动力减小，进一步均匀化难。因此，均 匀化退火时，均匀化过程也只是前期剧烈，后 期缓慢，过分延长时间，也无意义。
对于压力加工材料
改善材料塑性（强度有的合金提高，有的降低（挤压效应消失）），提 高耐蚀性，减弱各向异性，防止晶粒粗化（尤其是Al-Mn合金），提高 立方织构成分（高纯Al箔），避免过热、过烧；
对于铸件
改善力学性能，提高耐蚀性，稳定零件形状与尺寸，防止在使用过程中 蠕变。
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均匀化退火
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均匀化退火后的组织变化（理想）
枝晶偏析消除，成分均匀化; 非平衡相消失，过剩相减少;
均匀化退火后组织状况：
组织均匀，无网、块状粗大 相，不溶相呈球状（分布于 晶界），弥散相均布于晶内， 晶粒可能有所长大
Байду номын сангаас
非平衡组织平衡化（相转变），
亚稳相消失，平衡第二相球化和聚 集，块状、网状第二相消失; 过饱和固溶体分解； 晶粒长大
(4) 均匀化处理过程中主要固态相变是高温扩散
还伴随第二相粗化和球化、溶解与析出、晶粒长大等，使组织趋于
平衡态。
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2. 2 铸态合金的组织与性质特点
（1）平衡与非平衡凝固过程
平衡凝固过程与组织
形成成分为x1的均匀固溶体(α)
非平衡凝固过程 冷速较大，凝固较快 ，固相扩散来不及， α相 平均成分沿bc变化，且达到c，由α+β共晶组织； 枝晶生长也导致凝固有先后。 得到成分不均匀的α相固溶体+非平衡共晶组织。
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(2) 均匀化退火的工艺规程的制定原则
均匀化退火的主要工艺参数是加热温度和保温时间，其次是加热速 度和冷却速度
加热温度
为了提高扩散速率，加速均匀化过程，提高均匀化效果，应①尽可能地提高均匀化 退火温度，但必须防止温度太高，而引起②过热、过烧、氧化、吸气、变形等问题。 经验上， T均=（0.9~0.95）Tm
（ Tm ——铸锭实际开始熔化的温度，低于固相线）
理论上，可以由相图给出
I ———选择非平衡固相线以下，尽可能高
（低温均匀化（扩散）退火） II ———选择平衡固相线以下，尽可能高 （高温均匀化（扩散）退火）
I
I+II——先在 I 的温度下均匀化，在到 II 的温
度下均匀化，（分级均匀化（扩散）退火）
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组织处于亚稳定状态
组织处于亚稳定状态，在高温工作或长时间服役过程中，会向稳定化方向 蠕变，而造成组织、性能、形状和尺寸不稳。
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2. 3 均匀化退火过程中的组织性能变化
（1)均匀化退火过程中的组织变化 加热、高温保温过程
成分扩散均匀化
T
高温，长时
非平衡相溶解
合金元素来不及析出来，部分浓度高者在冷却过程中来不及析出，固溶体可能会 处于过饱和状态，淬火效应。
均匀化退火
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（3）铸态合金性能特点和非平衡凝固带来的危害
塑性下降
成分不均匀，出现非平衡脆性相，塑性下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界 上生成粗大网状脆性相，塑性严重下降。
抗电化学腐蚀能力下降
均匀化退火
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材料工艺参数难以控制
成分不均匀，固相线温度下移，后续加热加工和热处理工艺参数难以控制。 尤其是，在枝晶网胞或晶界上低熔点化合物或共晶混合物，易过热、过烧。
变形抗力增大
产生淬火效应，非平衡组织存在，大量过剩相存在，会引起变形抗力增大。 另外，成分不均匀，性能不均，形变不均，也会导致开裂，易产生内应力， 不利于加工。
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加热速度和冷却速度
加热——以不开裂、不大变形、不产生大裂纹为原则，可快，可慢、也
可分级加热。几乎所有的热处理的加热速率控制原则都如此。
冷却——不宜快，也不宜慢
太慢，则会产生粗大相，且第二相析出不均匀，易沿晶界析出，甚至呈 链、带、网状分布，达不到均匀化退火的目的；后续固溶难溶解。 太快，则会产生淬火效应，后续变形抗力大，达不到均匀化退火的目的。
B高 B低
枝晶生长
枝晶沟
共晶组织 枝晶干 过剩相
B低
B高
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（2）非平衡凝固组织特点
在工业生产的冷却条件下，铸造组织的不平衡特征表现如下，
基体固溶体成分不均匀，晶内偏析，组织呈树枝状； 产生非平衡共晶组织；
可溶相在基体中的最大固溶度发生偏移，过剩相增多；
高温形成的不均匀固溶体，有的处于过饱和状态。
通常，非平衡过剩相溶解后，固溶体的 成分仍然不均匀，还需保温扩散。 但大多数情况下，可以用非平衡相完全 溶解所需要的时间来估计均匀化时间。非 平衡相完全溶解所需要的时间可由显微金 相观察来确定。
☓
√
√
t
T
枝晶偏析消除（均匀化）
溶解 均匀化
A
B
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另外，第二相球化和聚集，晶粒长大，相转变等
过烧现象
均匀化退火
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分级均匀化退火——通过低温均匀化可以降低高温均匀化时过烧的可能性， 而高温均匀化又可加速均匀化。兼有低温均匀化退火和高温均匀化退火的优 点，但麻烦。 镁合金多采用分级加热工艺来实现均匀化。铝合金也大量采用
第一级均匀化提高过烧温度
实际上，合理选择均匀化退火温度需用实验来测定（怎样测 定？），如采用金相法来观察测定过热或过烧的最低温度。
枝晶偏析消除，成分均匀化; 非平衡相消失，过剩相减少; 非平衡组织平衡化（相转变），亚稳相消失， 平衡第二相球化和聚集，块状、网状第二相消失; 过饱和固溶体分解； 晶粒长大
对于铸锭（半连续铸造）
变形抗力降低，塑性提高，消除内应力，从而减小形变不均匀性，降 低在存储、运输、机加工和压力加工过程中开裂的危险，提高加工制 品的表面质量，同时也降低能耗，提高生产效率；
合金设计
均匀化退火
李劲风 中南大学材料科学与工程学院
均匀化退火
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2. 1 概述
（1)均匀化处理的对象是铸锭或铸件 （2)均匀化处理的目的
有利于铸锭或铸件的后续冷、热加工或热处理 提高塑性，降低变形抗力；减小淬火出现过热、过烧的可能性。 有利于铸锭的加工制品或铸件的最终使用性能
提高耐蚀性能； 防止层状组织，减弱材料各向异性；
提高组织稳定性，防止蠕变导致材料形状大小改变；
提高强度、塑性。（铸件——均匀化与固溶处理可以合并）
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(3) 均匀化处理的原因
铸造过程中，非平衡凝固导致成分不均匀和非平衡凝固组织效应
（非平衡组织、粗大析出相、淬火效应等）。 ⇒性能不均匀、塑性差、变形抗力大以及耐蚀性差。
因此，
单相合金→ （高温）成分均匀的单相固溶体 多相合金→ （高温）成分均匀单相固溶体+粗大球形第二相颗粒的组织
冷却过程
过饱和固溶体脱溶 需防止晶间析出（过慢）和 淬火效应（过快）； 需控制冷速，促使晶内析出 且趋于平衡。
50μm (a) (b)
2197铝锂合金（a）出炉空冷；（b）随炉冷却
需具体问题具体分析，
6063型材生产的均匀化退火，通常需要快冷（风冷），甚至需要水冷。原因如下： 均匀化的目的是改善表面质量和表面着色的均匀性，快冷有利于氧化着色。 6063还有一个特点均匀化退火后快冷和慢冷后的加工变形抗力相差不太大。
但慢冷时（Mg2Si）相粗大，且沿晶分布，在后续加工和热处理时不易溶解， 均匀化，影响着色。只有快冷时 （Mg2Si）相细小，且分布均匀，有利于最后 的着色。
2. 4 均匀化退火的应用与工艺规程
(1) 均匀化退火的应用
均匀化退火不论对于铸件，还是对于铸锭，都是十分重要。 也有其不利的一面： 费时耗能，经济效益差； 温度高、时间长，易带来变形、吸气、氧化等问题，也过热、过 烧；
有的材料会强度下降，这对于要求高强的材料是不利的。
因此，是否进行均匀化退火应视具体问题具体分析。
均匀化退火
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保温时间
非平衡相溶解时间和晶内偏析消除时间，但不是简单地加和。 有非平衡过剩相，以其溶解所需时间为主； 无非平衡过剩相，以固溶体浓度均匀化所需时间决定；
The dissolution time for 6.0 μm particles will be about 55 times than that for 0.8 μm particles
均匀化退火
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低温均匀化退火——保险，不会出现过烧，过热、氧化、吸气、变形等问题也
不严重，但难以达到组织均匀化的目的，即使能达到，也需极长的时间，对生产 不利。 高温均匀化退火——冒险，但均匀化效果 好。温度高有利于长程扩散，速度快，时间 短，生产效益好。但易出现过热、过烧、氧 化、吸气、变形等问题。 大多数合金是不可以进行高温均匀化退火， 易氧化、吸气者更加不可以； 铝合金有致密的表面氧化膜，可以，但也 要慎重
均匀化退火
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(a)
C
B D
A
(b)
B
A
一种铝合金均匀化退火前后组织变化
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(2) 均匀化退火对材料性能的影响 不均匀的非平衡组织 均匀的近平衡组织
塑性提高， 变形抗力降 低，材料工 艺参数好控 制，抗电化 学腐蚀能力 提高，材料 各向异性减 弱，组织稳 定化
成分不均匀，枝晶胞中心与胞界电位差大，形成浓差微电池，抗电化学腐 蚀能力下降。尤其是，在枝晶网胞或晶界上生成粗大网状脆性相，抗蚀力严 重下降。
材料各向异性增强
成分不均匀，具有不同成分的微区在变形过程中延长而形成带状结构，造 成材料各向异性。尤其是，在枝晶网胞或晶界上粗大网状脆性相破碎，而沿 晶（带）间分布，增大层断和晶（带）间断裂的倾向，增大各向异性。