固溶体的脱溶分解

[拼音]:gurongti de tuorong fenjie

[英文]:decomposition of and precipitation from solid solutions

共析分解、脱溶分解、拐点分解是金属合金中为了改善材料效能而广泛利用的几种固态相变。本质上可以认为这三种相变都是在降温时从一个单相过饱和固溶体转变为两相混合物的分解过程。但是相变过程可以有两种不同形式:

(1)在区域性地区形成新相的晶核,然后继续长大。这时为了形成与母相成分和结构迥然不同的新相核,需要克服一定的能垒,称为成核长大过程。

(2)在整个固溶体内形成连续的浓度起伏(浓度波),浓度连续地改变,浓度差逐渐增大,最后得到成分不同而结构相同的、平衡共存的两相细密混合物。这个过程称为拐点分解。两种不同相变过程的差别如图1所示。相变究竟以哪一种方式进行取决于相图形式、新旧相的成分和结构以及进行分解时的温度。

从相图的观点来看,上述三类固态相变的区别在于:共析分解如图 2a所示;高温区的γ相和低温区的α及β相,一般具有各不相同的晶体结构。它们之间的相互变化可用

来表示,TE为共析温度。这就是说,γ相只能存在于高温,分解过程完了,γ相消失。如果合金成分不是恰好等于xγ,则按其偏离xγ的左或右而先析出α或β,未分解的合金其成分改变到xγ时,进行共析分解。由于三个相的结构不同,其自由能-成分曲线也不同,如图2b所示。图中表示在温度T1时γ相的自由能-成分曲线已位于α和β相的曲线之上。因此γ相对于α和β成为不稳定,有转变为α+β的趋势。当条件具备而发生分解时,α相或β相的晶核即在γ相晶粒间界形成,在γ相内生长,使γ相最后全部消失。其显微组织具有一定的特征 (称共析组织)。一般,α和β呈片状相间排列, 组织细密。而且可以通过热处理方法改变显微组织的细密程度和形状,从而改变合金的效能,钢是能进行这种相变的代表性合金。不同含碳量的钢材经过不同热处理,可以得到不同的组织和效能。因而具有这种相变的合金是有广泛应用价值的。

如是γ、α、β三个相的结构完全相同,则图 2a的相图变为图3a的形状,相应的自由能-成分曲线为图3b的形式。这时的反应可以写成 α

α1+α2(都用α,表示结构相同)从固溶体的自由能-成分曲线随温度的变化来看,温度降到Tc以下,自由能曲线出现上凸部分,

处称为拐点,不同温度时的拐点,画在相图上即为图3a中的虚线。成分在左右两拐点之间的固溶体(例如xo),在 Tc以下即成为

的不稳定状态。只要浓度有微小变化(例如由a和b两浓度形成),其自由能降低(由Fo→F1)。在原子有足够的活动能力时,就能自动改变其成分朝两相平衡的成分

变化,达到自由能为最低(F┡)。这个过程不需要启用能,称为拐点分解。

在图3b中,成分在

至左拐点),

(右拐点至

)两线段内的合金, 在温度改变时有溶解度的变化。但从自由能-成分曲线来看,

,即曲线向下凹;当成分只有微小变化时,过饱和的 α相对于微小浓度起伏是稳定的(分为两相时,自由能升高)。只有当成分起伏较大,使成分的改变接近于平衡的两相成分时,才能成核长大。因此这部分合金分解时,需要克服一定的能垒,以成核长大的方式进行。

从图3a可以看出,倘若温度从T降至T┡,则相应地两相平衡成分和拐点成分向左右两方向移动 (

相应于相图中沿相分解线和拐点分解线从

)。因而原先属于成核长大方式分解的合金xo,有可能以拐点分解形式发生分解(xó成分进入拐点分解区内)。

拐点分解现象不限于晶体内,非晶态固体向晶态转变在一般条件下也多是以拐点分解的方式进行的。拐点分解后的合金具有极细密的特征性的组织(电子显微镜下);某些合金(例如Fe-Cr-Co)拐点分解后具有优良的磁性。另一些合金(如Fe-W-Co)拐点分解后可得到优良的力学性质(高温强度和硬度),而且长时间使用不易发生晶粒长大、强度降低(过度时效)现象。

通常将图 2a中成分为x1的合金,从温度TE(合金为单相α)迅速降至T2成为过饱和固溶体然后析出 β相的过程(过饱和α→α+β)称为脱溶沉淀。在室温停留进行脱溶称为自然时效,加热到一定温度促使脱溶的过程称为人工时效。时效过程中强度提高称为时效硬化。脱溶时,有些合金不是直接析出平衡成分的第二相(β),而是根据温度、成分等不同条件可能出现一系列中间过渡相,其结构和成分逐步接近平衡相β。一般,温度较低或在时效初期,溶质原子在母相点阵内集聚成一定的形状(圆盘或球形),结构仍与母相相同,与母相点阵保持共格(原子排列彼此匹配)。此时溶质原子集团尺寸很小(约几十埃),需要用特殊的X射线散射技术来研究。这种区域称为GP区。GP区的形成是拐点分解或均匀成核长大的过程。温度稍高或时间稍长析出的中间过渡相,其结构与母相不同,但仍有可能与母相共格或半共格;一旦形成平衡相则与母相脱离关系。后两种结构是由非均匀成核长大过程形成的。一般,时效硬化现象是伴随母相与析出相共格产生畸变时出现的,或者是由于析出相呈弥散分布的硬颗粒而造成的。

脱溶现象比较复杂,这是由于固态相变时基体内弹性畸变对成核产生影响的缘故。

参考书目

冯端、王业宁、丘第荣编著:《金属物理》,下册,科学出版社,北京,1975。

徐祖耀著:《金属材料热力学》,科学出版社,北京,1981。

J. D. Verhoeven, Fundamentals of Physical Metallurgy,John Wiley & Sons,New York,1975.

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