热处理之时效处理

一、热处理1、正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

2、退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。

3、固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

4、时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。

5、固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。

6、时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。

7、淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。

8、回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。

9、钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。

习惯上碳氮共渗又称为氰化，以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。

中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。

低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

10、调质处理(quenching and tempering)：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。

调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优。

它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。

11、钎焊：用钎料将两种工件加热融化粘合在一起的热处理工艺。

金属学与热处理原理中的时效处理时效处理作为金属学与热处理原理中的一种重要工艺，广泛应用于诸多金属材料的制备与加工过程中。

它通过合理的时效参数设置，能够显著改善金属材料的力学性能与耐腐蚀性能，同时增强材料的整体结构稳定性。

本文将详细介绍时效处理的原理、工艺及其在金属学中的应用。

一、时效处理原理时效处理是指通过在高温下加热金属材料，使其过饱和固溶体中的析出相重新分布，形成更为稳定的强化相。

从而改变材料的晶粒结构，提高材料的强度、硬度和耐磨性能。

在时效处理过程中，主要通过以下几个步骤来实现：1. 固溶处理：将金属样品加热到高温区，使其形成过饱和固溶体。

过饱和固溶体具有较高的扩散速率，为后续析出相的形成提供了条件。

2. 快速冷却：将经过固溶处理的样品急冷至室温，以防止析出相的形成。

这一步骤非常关键，能够保持材料的均匀性和一定的过饱和度。

3. 时效处理：将冷却后的样品再次加热到较低的温度区域，保持一定的时间。

在时效处理过程中，过饱和固溶体中的溶质原子开始扩散聚集，形成纳米尺度的强化相。

4. 冷却：将时效处理后的样品冷却至室温，保持析出相的稳定性。

冷却过程中不应出现过快的降温速度，以免破坏析出相的结构。

时效处理的本质是通过对金属材料的热处理，改变其晶格结构和相组织，从而调控材料的性能。

二、时效处理的工艺时效处理的具体工艺参数根据不同的材料和要求而有所不同，通常包括时效温度、时效时间和冷却速率等。

1. 时效温度：时效温度是指进行时效处理时的加热温度。

不同材料和不同的强化相有着各自的最佳时效温度范围。

通过控制时效温度，可以控制强化相的粒径和分布，从而调节材料的力学性能。

2. 时效时间：时效时间是指在维持一定的时效温度下，样品所需要保持的时间。

时效时间与强化相的形成和生长速率密切相关。

通过合理选择时效时间，可以使强化相的分布均匀，并有效提高材料的强度和韧性。

3. 冷却速率：冷却速率指的是时效处理后的样品在冷却过程中的速度。

时效热处理的目的和原理时效热处理是一种热处理方法，它的主要目的是通过控制材料的温度和时间，使其达到理想的力学性能和耐腐蚀性能。

时效热处理的原理是通过固溶处理和时效处理两个步骤来实现的。

固溶处理是时效热处理的第一步，它的目的是将合金中的固溶体溶解在基体中，形成一个均匀的固溶体溶液。

这个过程需要将材料加热到一定的温度，使固溶体分解并溶解在基体中。

这个温度通常比合金的熔点低，因此不会使材料熔化。

固溶处理的时间通常是几分钟到几小时不等，具体时间取决于材料的类型和厚度。

固溶处理完成后，材料需要进行快速冷却，以防止固溶体重新形成。

这个过程被称为淬火，它可以通过水、油或空气等介质来完成。

淬火的目的是使材料快速冷却，从而形成一个均匀的固溶体溶液。

时效处理是时效热处理的第二步，它的目的是通过加热材料到一定的温度和时间，使固溶体中的溶质重新分布，形成一种新的晶体结构。

这个过程被称为时效，它可以分为两种类型：自然时效和人工时效。

自然时效是将材料放置在室温下，让其自然老化。

这个过程需要几天到几周不等，具体时间取决于材料的类型和厚度。

自然时效的优点是成本低，但缺点是时间长，不适用于需要快速生产的情况。

人工时效是将材料加热到一定的温度和时间，以加速固溶体中的溶质重新分布。

这个过程需要控制温度和时间，以确保材料达到理想的力学性能和耐腐蚀性能。

人工时效的优点是时间短，适用于需要快速生产的情况，但缺点是成本高。

时效热处理的目的是通过控制材料的温度和时间，使其达到理想的力学性能和耐腐蚀性能。

时效热处理的原理是通过固溶处理和时效处理两个步骤来实现的。

固溶处理的目的是将合金中的固溶体溶解在基体中，形成一个均匀的固溶体溶液。

时效处理的目的是通过加热材料到一定的温度和时间，使固溶体中的溶质重新分布，形成一种新的晶体结构。

时效热处理可以提高材料的强度、硬度、韧性和耐腐蚀性能，适用于航空、汽车、船舶、建筑等领域。

时效热处理的目的和原理目的时效热处理是金属材料加工中常用的一种热处理方法，其主要目的是通过控制材料的热处理温度和时间，改善材料的性能和特性。

时效热处理主要应用于合金材料，如铝合金、钛合金和镍基合金等，其目的包括：1.提高材料的硬度和强度：通过时效热处理，可以使合金材料中的析出相细化和均匀分布，从而提高材料的硬度和强度。

具体来说，时效热处理可以促进固溶体中原子和析出相的扩散，使析出相尺寸减小，晶体结构更加紧密，从而提高材料的硬度和强度。

2.改善材料的耐腐蚀性能：通过时效热处理可以使合金材料中的析出相对晶界和晶内存在一定的强化作用，从而提高材料的耐腐蚀性能。

同时，时效热处理还可以消除材料中的应力和缺陷，降低氧化速率，提高材料的抗腐蚀能力。

3.调控材料的组织和性能：时效热处理可以调控合金材料的组织和性能，实现材料的定向凝固、形状记忆、超塑性等特性。

通过控制时效热处理的温度和时间，可以调控合金材料中析出相的形态、数量和分布，实现材料性能的定制化。

原理时效热处理是通过在合金材料固溶处理的基础上，通过加热保温、固定时间后的快速冷却（也称为淬火）来实现的。

其主要原理包括以下几个方面：1.固溶处理：在固溶处理过程中，将合金材料加热到固溶温度，使固溶体中的溶质原子溶解在基体原子中，形成一个固溶体溶液。

固溶处理的目的是消除材料中的过饱和溶质，使各元素均匀分散，准备进行析出相的形成。

2.时效处理：固溶处理后，将材料快速冷却到时效温度进行保温。

时效温度一般低于固溶温度，但高于室温。

在保温过程中，固溶体中的溶质开始析出形成析出相，如细小的颗粒、板条状或球形等形态。

此时，析出相的形态、大小、数量和分布会对材料的性能产生重要影响。

3.淬火：在时效处理后，为了避免析出相的重新溶解，需要进行快速冷却，即淬火。

淬火的目的是尽量降低析出相再溶解的可能性，从而保持材料的优良性能。

淬火温度通常低于室温，可采用水冷、油冷或空气冷却等方式。

铝的热处理之人工时效在自然时效过程中，淬火后得到的固溶体在室温下立刻开始形成沉淀。

这一过程被称为自然时效，自然时效期间的硬化几乎完全归因于富溶质GP区的均匀沉淀和空位的聚集。

而在室温下自然发生沉淀，而在淬火后的过饱和固溶体中，通过淬火后的高温时效，沉淀对机械性能的影响可以大大加速和改善。

这是在通常在约200°F至400°F（95°205°C）的温度范围内进行的。

在上升的温度下老化被称为沉淀热处理或人工老化。

沉淀硬化是在从高得多的温度（固溶热处理温度）快速冷却之后在恒定温度（时效温度）下硬度、屈服强度和极限强度随时间显著加添的机制。

这种快速冷却或淬火导致过饱和固溶体，并为沉淀供应驱动力。

在人工老化过程中，由固溶热处理温度淬火产生的过饱和固溶体开始分解。

空位相近有溶质原子聚集。

一旦充分的原子扩散到这些初始的空位团簇中，就会形成相干沉淀。

由于溶质原子团簇与铝基体失配，所以应变场围绕溶质团簇。

随着更多的溶质扩散到团簇，基质不再能够适应基质失配。

形成半相干沉淀。

当半相干沉淀生长到充分大的尺寸后，基体不再支持晶体失配，形成平衡沉淀。

在95°205°C范围内加热淬火材料加速可热处理合金中的沉淀。

这种加速并非完全由于反应速率的变动。

结构变动的发生取决于时间和温度。

通常，在人工老化期间发生的屈服强度的加添比极限拉伸强度加添得更快。

这意味着合金失去延展性和韧性。

T6性能高于T4性能，但延展性降低。

过时效降低了拉伸强度并提高了抗应力腐蚀开裂性。

它还加强了对疲乏裂纹扩展的防范力。

它还给与零件尺寸稳定性。

在人工时效中，沉淀的程度和沉淀的形态由时效时间和温度掌控。

在确定范围内，在较高温度下较短的时间或在较低温度下较长的时间可以获得貌似相等的效果。

当在上升的温度下进行老化时，可发生一系列不同的变化沉淀。

商业老化实践是为了供应所需的机械和腐蚀性能的妥协。

建议的浸泡时间假设熔炉的特性和负载是这样的负载被合理地快速加热到温度。

时效处理时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度或室温放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。

人工时效处理：采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的工艺。

自然时效处理：将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象。

振动时效：从80年代初起逐步进入使用阶段，振动时效处理在不加热也不像自然时效那样费时的情况下，给工件施加一定频率的振动使其内应力得以释放，从而达到时效的目的。

时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。

人工时效处理，即热处理存在着能耗大、成本高、大工件无法处理等弊端。

自然时效时间长，效率低，仅能使应力消除2～10 %。

振动时效工艺，主要将其用于消除焊接构件的残余应力,增加焊接结构的尺寸稳定性。

由于振动时效具有设备简单、处理时间短、节省能源、对稳定工件尺寸和消除残余应力作用显著等特点，近年来得到了较广泛的应用。

振动时效是“锤击松弛法”（敲击时效）的发展。

振动时效过程中，采用激振装置对应力工件施以循环载荷，利用周期性的动应力（激振力）与构件残余应力叠加达到材料的屈服应力，使构件共振并产生局部塑性变形，这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处，使残余应力松弛和释放、尺寸稳定，从而达到时效目的。

振动时效是热处理的补充和发展，可在很大范围内代替热处理。

振动时效可以解释为一个闭环控制的“激励-响应”振动体系，如图所示。

常用的“激励源”（激振器）是一个有偏心质量的电机，偏心块的旋转产生激振力，可通过调节偏心距改变激振力大小。

激振器与工件通过C型夹刚性固定。

用橡胶垫支撑工件，保证工件在振动时效过程中呈“弹性悬浮”状况。

振动过程中工件的“响应”（振动加速度）通过加速度传感器传递回控制系统。

控制系统是振动时效设备的核心，通过检测振动加速度的变化来控制偏心电机的旋转速度和振动持续时间。

通过检测系统的振动加速度幅度，找到系统的共振频率，保证系统在共振或亚共振状态下振动，并获得足够大的振动动应力。

钛合金各热处理作用钛合金是一种重要的结构材料，在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域具有广泛应用。

而钛合金的性能主要由其热处理过程决定。

本文将介绍钛合金常见的几种热处理工艺及其作用。

1. 固溶处理（Solution Treatment）固溶处理是钛合金最常见的热处理工艺之一。

它的主要目的是通过高温加热使合金中的固溶元素均匀地溶解在钛基体中，以提高合金的韧性和塑性。

固溶处理温度一般在β转变温度以上进行，时间根据合金成分和尺寸而定。

固溶处理后，钛合金具有良好的塑性和可锻性，适合进行后续的加工和成形。

2. 时效处理（Aging Treatment）时效处理是将固溶处理后的钛合金在较低温度下进行热处理，以进一步调整合金的性能。

时效处理的主要目的是通过固溶相分解和析出相的形成来提高钛合金的强度和硬度。

时效处理温度和时间根据合金的成分和要求而定。

时效处理后，钛合金的强度和硬度会显著提高，但塑性和韧性会相应降低。

3. 淬火处理（Quenching Treatment）淬火处理是将固溶处理后的钛合金迅速冷却至室温的热处理工艺。

它的主要目的是通过快速冷却来固定固溶相的结构，防止析出相的形成。

淬火处理可以提高钛合金的硬度和强度，但会降低其塑性和韧性。

淬火处理的冷却介质可以是水、油或空气，选择不同的冷却介质会对钛合金的性能产生不同的影响。

4. 回火处理（Tempering Treatment）回火处理是将淬火处理后的钛合金进行加热再冷却的热处理工艺。

它的主要目的是通过回火来消除淬火过程中产生的内部应力，并提高合金的韧性。

回火温度和时间根据合金的成分和要求而定。

回火处理后，钛合金的塑性和韧性会得到改善，但硬度和强度会相应降低。

5. 等温处理（Isothermal Treatment）等温处理是将钛合金在固溶温度或其他特定温度下保持一段时间进行的热处理工艺。

等温处理的主要目的是通过保持温度来稳定固溶相或促进析出相的形成，以调整合金的微观结构和性能。

金属热处理:时效处理将淬火后的金属工件置于室温或较高温度下保持适当时间﹐以提高金属强度的金属热处理工艺。

室温下进行的时效处理是自然时效﹔较高温度下进行的时效处理是人工时效。

在机械生产中﹐为了稳定铸件尺寸﹐常将铸件在室温下长期放置﹐然后才进行切削加工。

这种措施也被称为时效。

但这种时效不属于金属热处理工艺。

20世纪初叶﹐德国工程师A.维尔姆研究硬铝时发现﹐这种合金淬火后硬度不高﹐但在室温下放置一段时间后﹐硬度便显著上昇﹐这种现象后来被称为沉淀硬化。

这一发现在工程界引起了极大兴趣。

随后人们相继发现了一些可以采用时效处理进行强化的铝合金﹑铜合金和铁基合金﹐开创了一条与一般钢铁淬火强化有本质差异的新的强化途径──时效强化。

绝大多数进行时效强化的合金﹐原始组织都是由一种固溶体和某些金属化合物所组成。

固溶体的溶解度随温度的上昇而增大。

在时效处理前进行淬火﹐就是为了在加热时使尽量多的溶质溶入固溶体﹐随后在快速冷却中溶解度虽然下降﹐但过剩的溶质来不及从固溶体中分析出来﹐而形成过饱和固溶体。

为达到这一目的而进行的淬火常称为固溶热处理。

经过长期反复研究证实﹐时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒(一般是金属化合物﹐也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)﹐形成一些体积很小的溶质原子富集区。

在时效处理前进行固溶处理时﹐加热温度必须严格控制﹐以便使溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中﹐同时又不致使合金发生熔化。

许多铝合金固溶处理加热温度容许的偏差只有5℃左右。

进行人工时效处理﹐必须严格控制加热温度和保温时间﹐才能得到比较理想的强化效果。

生产中有时采用分段时效﹐即先在室温或比室温稍高的温度下保温一段时间﹐然后在更高的温度下再保温一段时间。

这样作有时会得到较好的效果。

马氏体时效钢淬火时会发生组织转变﹐形成马氏体。

马氏体就是一种过饱和固溶体。

这种钢也可采用时效处理进行强化。

低碳钢冷态塑性变形后在室温下长期放置﹐强度提高﹐塑性降低﹐这种现象称为机械时效。

众所周知，固溶热处理过的材料，以时间和温度为主要因素，从过饱和固溶状态产生析出，在此过程中材料的强度增加。

这种现象称为时效现象，它是继固溶热处理的重要的过程。

一般在室温下引起的时效叫做自然时效，在高温下引起的时效叫做人工时效。

前者也称为低温时效，后者也称为高温时效。

在室温时效时，时效速度缓慢不能达到最终值，而在高温时效时，时效速度达到最大值后引起软化。

这种现象称为过时效。

图5 2014，6061合金板材的人工时效条件与强度的关系图5是2014，6061合金板材的高温时效曲线，根据时间和温度的因素来了解淬火时的强度变化。

表4是实用合金的析出处理条件的一个例子。

用日本工业标准标号表示，T4状态为低温时效，T6为高温时效。

某些合金在热加工时就呈固溶状态，不用淬火处理，而只用析出处理也能获得强度。

6063挤压的材料的T5处理是其代表性的处理。

在生产过程中，时效处理时的生产技术上的问题，不比固溶处理时少。

因此更详细些就涉及到时效处理的机理。

如上所述，固溶热处理→室温过饱和固溶→时效→硬化发生性质上的变化，这是由于在过饱和固溶体的分解过程中合金结构发生了变化，因此关于形成什么样的析出相，过去就进行了大量的研究。

现在，对研究最多的了解详细的铝-4%铜合金的强化机理为例加以说明。

图6示出在两种时效条件下铝-4%铜合金析出硬化的区域、中间相的范围与硬度的关系，由此形成过饱和固溶体→G.P(1)→G.P(2)→→→CuAl2的序列。

图6 铝-4%铜合金在2种时效条件下时效硬化时组织对硬度的影响由于在室温那样比较低的温度下形成G.P区，因而在一定的临界温度以上加热时变为不稳定和再固溶。

由于这样原因，在时效硬化时强化的机械性能可以返回到固溶处理后(沾火当时)的软质状态。

这种现象称为回归。

例如，铝-4%铜合金进行常温时效，产生G.P区，如果再把它在200℃下加热1分钟左右，就恢复到淬火后的状态。

时效硬化的机理从位错理论来说，由于存在上述那样的析出质点，可根据位错运动妨害的程度情况来说明。

众所周知，固溶热处理过的材料，以时间和温度为主要因素，从过饱和固溶状态产生析出，在此过程中材料的强度增加。

这种现象称为时效现象，它是继固溶热处理的重要的过程。

一般在室温下引起的时效叫做自然时效，在高温下引起的时效叫做人工时效。

前者也称为低温时效，后者也称为高温时效。

在室温时效时，时效速度缓慢不能达到最终值，而在高温时效时，时效速度达到最大值后引起软化。

这种现象称为过时效。

图5 2014，6061合金板材的人工时效条件与强度的关系图5是2014，6061合金板材的高温时效曲线，根据时间和温度的因素来了解淬火时的强度变化。

表4是实用合金的析出处理条件的一个例子。

用日本工业标准标号表示，T4状态为低温时效，T6为高温时效。

某些合金在热加工时就呈固溶状态，不用淬火处理，而只用析出处理也能获得强度。

6063挤压的材料的T5处理是其代表性的处理。

在生产过程中，时效处理时的生产技术上的问题，不比固溶处理时少。

因此更详细些就涉及到时效处理的机理。

如上所述，固溶热处理→室温过饱和固溶→时效→硬化发生性质上的变化，这是由于在过饱和固溶体的分解过程中合金结构发生了变化，因此关于形成什么样的析出相，过去就进行了大量的研究。

现在，对研究最多的了解详细的铝-4%铜合金的强化机理为例加以说明。

图6示出在两种时效条件下铝-4%铜合金析出硬化的区域、中间相的范围与硬度的关系，由此形成过饱和固溶体→G.P(1)→G.P(2)→→→CuAl2的序列。

图6 铝-4%铜合金在2种时效条件下时效硬化时组织对硬度的影响由于在室温那样比较低的温度下形成G.P区，因而在一定的临界温度以上加热时变为不稳定和再固溶。

由于这样原因，在时效硬化时强化的机械性能可以返回到固溶处理后(沾火当时)的软质状态。

这种现象称为回归。

例如，铝-4%铜合金进行常温时效，产生G.P区，如果再把它在200℃下加热1分钟左右，就恢复到淬火后的状态。

时效硬化的机理从位错理论来说，由于存在上述那样的析出质点，可根据位错运动妨害的程度情况来说明。