8-3 过饱和固溶体
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§8-3 过饱和固溶体的分解
脱溶沉淀：由过饱和固溶体 析出新相的过程。 T
条件：固溶体的溶解度随温 度的降低发生变化。
方式：平衡析出 时效析出 时效析出 固溶处理 时效处理
α T1 T2
N
α+β
自然时效
M
C0
wB/%
人工时效
具有脱溶转变的合金相图
一. 脱溶沉淀过程 时效：过饱和固溶体在等温过程中，硬度随等温时间 的延长而升高的现象。 以Al-Cu合金为例。
六. 沉淀相粗化 吉布斯-汤姆逊(Gibbs-Thompson)方程：
e Cr C exp 2 V / RTr
β α
浓度
β
Cr : 界 面 处 母 相 浓 度
e C : 母 相 平 衡 浓 度
： 界 面 能
V： 沉 淀 相 摩 尔 体 积 R： 气 体 常 数 T： 温 度 r： 沉 淀 相 曲 率 半 径
相图
分解过程自发加大成分偏离的幅度，所以称为调幅分解。 这种分解的过程和所得组织如图所示，调幅分解的组织呈布纹 状，非常细小，只能的高倍的电子显微镜下才能观察得到。
1. 调幅分解的热力学条件
G ΔG2
ΔG1
X1
X2
X
2G 0 X 2 2G 0 X 2
自由能成分曲线
合金（X1）：ΔG1>0 合金（X2）：ΔG2<0
Cr2
Cr1
距离 沉淀相附近溶质原子浓度分布
可以看到：界面处母相浓度与曲率半径成反比。
假定： r2<r1 则： Cr2>Cr1 所以：在浓度梯度的驱使下，溶质原子由沉淀相2 向沉淀相1扩散。 扩散的结果破坏了界面浓度平衡。
为了保持平衡，沉淀相2溶解放出溶质原子， 沉淀相1长大吸收溶质原子。
结果：小颗粒消失，大颗粒粗化。
Al-Cu合金合金时效图 （a）130℃ （b）190℃
Al-Cu合金相图
α0→ α1+GP区→ α2+θ”→ α3+θ’→ α4+θ
名称 实 质 溶质原子 （Cu）的 偏聚区 形 貌 界面结构
GP区
Al〈100〉晶向弹性模量小，Cu偏聚 共格 在α相的{100}晶面，直径8nm，厚度 无明显界面 0.3-0.6nm。 立方点阵CuAl2，直径30-150nm，厚 度2-10nm。 惯习面：{100}α 共格 （001）θ”∥（001）α [101]θ”∥[100]α 立方点阵CuAl2，直径100nm圆盘状 惯习面与位相关系同上。 立方点阵CuAl2 半共格 非共格
七. 沉淀强化机制 1. Mott, N.F.-Nabarro, F.R.N.理论 沉淀颗粒引起的晶格畸变，增大位错滑移阻力。
6 rf
1/ 2
3/ 2
/b
μ：沉淀相切变模量 r：沉淀相半径 f：沉淀相的体积分数 ε：错配度函数 b：柏氏矢量的模
2. Kelly, A.-Nicholson, R.B.理论——切过理论 颗粒强度较低时，位错切过沉淀相，增加界面面 积，产生反向畴界能。
r ln b
位错绕过模型
Thanks
θ”相
介稳相
θ’相 θ相
介稳相 平衡相
CuAl2相结构
CuAl2相形貌 （a）GP区 （b）θ” 相 （c） θ’ 相 （d）θ 相
一些合金的脱溶沉淀
二. 沉淀方式 1. 连续沉淀 沉淀过程中邻近沉淀物的母相溶质浓度连续变化。 特点：（1）生成相与母相结构、点阵常数相近； （2）共格或半共格界面；
G0
G1 G3 A x1
∴ BA段，ΔG>0
α0（x0） → α1（x1）+ β（x3）
G n1G1 n3G3 n1 n3 G0
x0 xB
x2
x3
脱溶沉淀热力学图
∴ AC段，ΔG<0
四. 脱溶沉淀动力学 动力学特点： 1. 曲线呈C型； 2. 存在孕育期； 3. 反映温度、时间 对脱溶沉淀过程的影响 规律。
θ” T θ θ′
GP
τ
脱溶沉淀动力学图
五. 调幅分解 (Spinodel) 调幅分解是单相固溶体分解为两相混合物的一种特殊方 式，其特殊之点是在这一分解过程中不需要信相的形核。
无限溶解固溶体：如果溶解 时为吸热过程，温度较低时，自 由能曲线中部有上凸，这时单一 的固溶体的自由能不是最低，可 以分解为结构相同而成分不同两 个相混合物。
（3）针状或条状。
均匀沉淀 连续沉淀 局部沉淀：晶界、位错、孪晶界等
2. 不连续沉淀 从过饱和固溶体析出沉淀相和饱和固溶体。 特点：（1）晶界形核； （2）一侧共格或半共格界面，另一侧非共格；
（3）胞状。
α’ α’
α β
α’
3. 沉淀过程中显微组织的变化
（1）连续均匀沉淀加局部沉淀
母相
过饱和固溶体
2 b f / r
2 f d / b
位错切过模型
3. Orowan, E.理论—— 绕过理论
颗粒强度较高时，位错运动受阻，发生弯曲，直 到相遇，分成一个位错环和一个与原位错相同的位错， 即绕过沉淀相，增加位错数量，并对后续位错运动产 生阻碍作用，引起强化。
0.13b
（2）连续沉淀加不均匀沉淀
（3）不连续沉淀
ห้องสมุดไป่ตู้ 4. 无析出区
固溶处理的过饱和空位在晶界淹没，溶质原子难以扩 散，第二相无法析出。
AlGe合金
三. 脱溶沉淀热力学 在一定温度下：
α0（x0）→ α1（x1）+ α2（x2）
G G2
α B A C β
G n1G1 n2G2 n1 n2 G0
调幅分解的必要条件
2. 调幅分解的必要条件 （1）梯度能：调幅分解时，固溶体中产生尺寸很小 的溶质原子贫化区和富化区，随着分解的进行，在贫 化区和富化区之间的浓度梯度越来越大，从而影响原 子间的化学键，使原子的化学位升高，这部分能量称 为梯度能。 （2）弹性应变能：调幅分解时，固溶体的点阵常数 随化学成分变化而变化，如果贫化区和富化区保持共 格，必然使点阵畸变而引起共格应变能。 梯度能和弹性应变能都是调幅分解的阻力，驱动 力必须大于阻力，才能发生调幅分解。
脱溶沉淀：由过饱和固溶体 析出新相的过程。 T
条件：固溶体的溶解度随温 度的降低发生变化。
方式：平衡析出 时效析出 时效析出 固溶处理 时效处理
α T1 T2
N
α+β
自然时效
M
C0
wB/%
人工时效
具有脱溶转变的合金相图
一. 脱溶沉淀过程 时效：过饱和固溶体在等温过程中，硬度随等温时间 的延长而升高的现象。 以Al-Cu合金为例。
六. 沉淀相粗化 吉布斯-汤姆逊(Gibbs-Thompson)方程：
e Cr C exp 2 V / RTr
β α
浓度
β
Cr : 界 面 处 母 相 浓 度
e C : 母 相 平 衡 浓 度
： 界 面 能
V： 沉 淀 相 摩 尔 体 积 R： 气 体 常 数 T： 温 度 r： 沉 淀 相 曲 率 半 径
相图
分解过程自发加大成分偏离的幅度，所以称为调幅分解。 这种分解的过程和所得组织如图所示，调幅分解的组织呈布纹 状，非常细小，只能的高倍的电子显微镜下才能观察得到。
1. 调幅分解的热力学条件
G ΔG2
ΔG1
X1
X2
X
2G 0 X 2 2G 0 X 2
自由能成分曲线
合金（X1）：ΔG1>0 合金（X2）：ΔG2<0
Cr2
Cr1
距离 沉淀相附近溶质原子浓度分布
可以看到：界面处母相浓度与曲率半径成反比。
假定： r2<r1 则： Cr2>Cr1 所以：在浓度梯度的驱使下，溶质原子由沉淀相2 向沉淀相1扩散。 扩散的结果破坏了界面浓度平衡。
为了保持平衡，沉淀相2溶解放出溶质原子， 沉淀相1长大吸收溶质原子。
结果：小颗粒消失，大颗粒粗化。
Al-Cu合金合金时效图 （a）130℃ （b）190℃
Al-Cu合金相图
α0→ α1+GP区→ α2+θ”→ α3+θ’→ α4+θ
名称 实 质 溶质原子 （Cu）的 偏聚区 形 貌 界面结构
GP区
Al〈100〉晶向弹性模量小，Cu偏聚 共格 在α相的{100}晶面，直径8nm，厚度 无明显界面 0.3-0.6nm。 立方点阵CuAl2，直径30-150nm，厚 度2-10nm。 惯习面：{100}α 共格 （001）θ”∥（001）α [101]θ”∥[100]α 立方点阵CuAl2，直径100nm圆盘状 惯习面与位相关系同上。 立方点阵CuAl2 半共格 非共格
七. 沉淀强化机制 1. Mott, N.F.-Nabarro, F.R.N.理论 沉淀颗粒引起的晶格畸变，增大位错滑移阻力。
6 rf
1/ 2
3/ 2
/b
μ：沉淀相切变模量 r：沉淀相半径 f：沉淀相的体积分数 ε：错配度函数 b：柏氏矢量的模
2. Kelly, A.-Nicholson, R.B.理论——切过理论 颗粒强度较低时，位错切过沉淀相，增加界面面 积，产生反向畴界能。
r ln b
位错绕过模型
Thanks
θ”相
介稳相
θ’相 θ相
介稳相 平衡相
CuAl2相结构
CuAl2相形貌 （a）GP区 （b）θ” 相 （c） θ’ 相 （d）θ 相
一些合金的脱溶沉淀
二. 沉淀方式 1. 连续沉淀 沉淀过程中邻近沉淀物的母相溶质浓度连续变化。 特点：（1）生成相与母相结构、点阵常数相近； （2）共格或半共格界面；
G0
G1 G3 A x1
∴ BA段，ΔG>0
α0（x0） → α1（x1）+ β（x3）
G n1G1 n3G3 n1 n3 G0
x0 xB
x2
x3
脱溶沉淀热力学图
∴ AC段，ΔG<0
四. 脱溶沉淀动力学 动力学特点： 1. 曲线呈C型； 2. 存在孕育期； 3. 反映温度、时间 对脱溶沉淀过程的影响 规律。
θ” T θ θ′
GP
τ
脱溶沉淀动力学图
五. 调幅分解 (Spinodel) 调幅分解是单相固溶体分解为两相混合物的一种特殊方 式，其特殊之点是在这一分解过程中不需要信相的形核。
无限溶解固溶体：如果溶解 时为吸热过程，温度较低时，自 由能曲线中部有上凸，这时单一 的固溶体的自由能不是最低，可 以分解为结构相同而成分不同两 个相混合物。
（3）针状或条状。
均匀沉淀 连续沉淀 局部沉淀：晶界、位错、孪晶界等
2. 不连续沉淀 从过饱和固溶体析出沉淀相和饱和固溶体。 特点：（1）晶界形核； （2）一侧共格或半共格界面，另一侧非共格；
（3）胞状。
α’ α’
α β
α’
3. 沉淀过程中显微组织的变化
（1）连续均匀沉淀加局部沉淀
母相
过饱和固溶体
2 b f / r
2 f d / b
位错切过模型
3. Orowan, E.理论—— 绕过理论
颗粒强度较高时，位错运动受阻，发生弯曲，直 到相遇，分成一个位错环和一个与原位错相同的位错， 即绕过沉淀相，增加位错数量，并对后续位错运动产 生阻碍作用，引起强化。
0.13b
（2）连续沉淀加不均匀沉淀
（3）不连续沉淀
ห้องสมุดไป่ตู้ 4. 无析出区
固溶处理的过饱和空位在晶界淹没，溶质原子难以扩 散，第二相无法析出。
AlGe合金
三. 脱溶沉淀热力学 在一定温度下：
α0（x0）→ α1（x1）+ α2（x2）
G G2
α B A C β
G n1G1 n2G2 n1 n2 G0
调幅分解的必要条件
2. 调幅分解的必要条件 （1）梯度能：调幅分解时，固溶体中产生尺寸很小 的溶质原子贫化区和富化区，随着分解的进行，在贫 化区和富化区之间的浓度梯度越来越大，从而影响原 子间的化学键，使原子的化学位升高，这部分能量称 为梯度能。 （2）弹性应变能：调幅分解时，固溶体的点阵常数 随化学成分变化而变化，如果贫化区和富化区保持共 格，必然使点阵畸变而引起共格应变能。 梯度能和弹性应变能都是调幅分解的阻力，驱动 力必须大于阻力，才能发生调幅分解。