【文章內(nèi)容簡介】 同的微結(jié)構(gòu)，可能取決于熱處理的鐵 碳合金中產(chǎn)生的。圖 總結(jié)了產(chǎn)生這些各種微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的路徑。在這里，它假定 從連續(xù)冷卻處理中得到 珠光體、貝氏體、 馬氏體 ；此外， 對于 合金鋼 來說貝氏體的形成是唯一的 (不純碳的 ) 如 上文所述。 沉 淀硬化 一些金屬合金 的 強度和硬度可增強由 第二相 的極小粒子均勻分散在原始相 矩陣 內(nèi) ；這必須通過適當(dāng)熱處理誘導(dǎo)的相變 來完成 。 這個 過程被稱為沉淀硬化因為 新相的小粒子 被稱為 析出物 。 時效 硬化 也用來代表此過程 因為 隨著 時間 或合金時效，合金的強度上升了。 沉淀硬化 處理的合金的例子包括鋁 銅、 銅 鈹、銅 錫和鎂 鋁；一些有色金屬合金 是 淀積 [脫溶 ]硬化 。 沉淀硬化和鋼 形成回火馬氏體的處理是完全不同的現(xiàn)象，即便 熱處理程序是類似 ；因此，不應(yīng)混為一談。主要的區(qū)別在于其中實現(xiàn)硬化和強化的機制。這些應(yīng)該是顯而易見的當(dāng)沉淀硬化被 解釋。 熱處理 因為一個新相的 粒子的發(fā)展 導(dǎo)致沉淀硬化， 相圖的使用促進了熱處理過程 的解釋 。即使在實踐中，很多 沉積硬化 合金包含兩個或更多的合金元素，通過參考二元相 系統(tǒng)簡化討論。相圖必須 在 圖 假設(shè) 的 A B 系統(tǒng) 的形式 。 必須通過沉淀硬化合金系統(tǒng)相圖顯示兩個必要功能： 一個組分 在其他的 組分中明顯的最大溶解度， 大約幾個 百分數(shù)；隨著 溫度降低 在主組分的 濃度溶解度 是 迅速降低的。這假設(shè)相圖 (圖 ) 滿足上述兩個條件。最大溶解度對應(yīng) 的 組成 在 點 M 處。此外，溶解度限制的邊界 在 α 和 α +β相 之間從β相含量 最高的濃度 減少到 很低在點N。 此外， 沉積硬化合金的組成必須小于最大溶解度。這些條件是必要的但并足以使 沉淀硬化 在合金系統(tǒng)中發(fā)生。下面討論一下附加 的要求。 固溶 熱 處理 沉淀硬化是由兩個不同的熱 處理方式完成的。第一個是所有溶質(zhì)原子被溶解，形成單相固溶體的固溶 熱處理。請考慮圖 C0 組成的合金。處理 包括加熱 合金 到一定 溫度 （ α相 中假定的點 T0）和等直 到所有的 β相完全溶解。此時， 合金僅包 含一個組成 為 C0 的α相 。 然后 通過快速冷卻或淬火 到 溫度 T1， T1這 對于 許多合金是室溫，達到這種程度以致 任何擴散和 β相的任何隨附構(gòu)成都被阻止 。因此，只有 B原子過飽和 的α固溶相出現(xiàn)在 T1 中的一種非平衡情況 存在 ；在這種狀態(tài) 的 合金 是相對軟和弱。此外，大多數(shù)合金在 T1 的擴散率是極為緩慢，這樣單一的α相可以 在此溫度 保留 相對較長時間。 沉淀熱處理 第二階段 或沉淀的熱處理，過飽和的固溶體通常加熱到中間溫度 T2 (圖 ) 在α β兩相 區(qū) 內(nèi) ，且溫度擴散率變得明顯。β沉淀相開始形成 組成 Cβ細分散的顆粒，這 過 程有時稱為 時效 。 在 T2 經(jīng)過適當(dāng)時效 時間后，合金冷卻至室溫 ；通常情況下，不要考慮冷卻速度。固溶 和沉淀熱處理 在 溫度 對 時間的圖中表示 ，圖 。這些β 粒子 的特性 ，和隨后合金 的強度和硬度，取決于 沉淀 溫度 T2 和 在這個溫度 的時效 時間 。對于一些合金， 在室溫 時效 自發(fā)地發(fā)生 超過擴展時間段 。 關(guān)于時間和溫度 在 等溫?zé)崽幚項l件下的沉淀β 粒子的 生長的 依賴可由 C 形曲線類似于圖 在鋼中的共析轉(zhuǎn)變?yōu)榇?。然而，它是更有用和方便給數(shù)據(jù)如抗拉強度、 屈服強度或 硬度 在室溫下作為的時效時間的 對數(shù) 的函數(shù)，在 恒定溫度 T2。典型的 沉積硬化 合金的行為是在圖 示意性表示。隨著 時間的增加，強度或硬度增加，達到最大值，并最后會減少。這種 強度和硬度 的減少在 長時間周期 后 發(fā)生的被稱為 過時效 。溫度的影響是 通過疊加合并 , 在不同的溫度曲線的單一的圖 上 表現(xiàn) 。 硬化的機理 沉淀硬化是通常受雇具有高強度鋁合金材料。雖然 大量的 這些合金有不同的比例和合金元素的組合，硬化的機制也許為鋁銅合金最廣泛的研究。圖 呈現(xiàn)鋁 銅相圖 中富鋁的部分。 α相 是 銅在鋁中的置換固溶體，而金屬互化 物 CuAl2 被 指定 為θ相。對于 組成 為 96 wt %鋁 4 wt %銅 的 鋁銅合金 來說，在沉淀熱處理期間，θ相這一平衡發(fā)展中，幾個轉(zhuǎn)變相 首先 按一定明確順序 形成 。力學(xué)性能都受到這些轉(zhuǎn)變相 的 粒子的 性質(zhì) 的影響 。在初始硬化階段（在短時間，圖 ），銅原子團簇在非常小的薄片里 ， 薄片 只有一個或兩個原子厚和 直徑 大約 25 原子的 ； 在α相里無數(shù)的位置上形成 。 團簇 ，有時稱為區(qū)，是這么小以致他們不被視為明顯的沉淀顆粒。不過，隨著時間和隨后的銅原子擴散，區(qū)成為粒子隨著他們長大 。 在 均衡 β相形成之前 (圖 c)，這些沉淀顆粒已經(jīng)穿過兩個轉(zhuǎn)變相 （稱為 θ 和 θ 39。） 。沉淀硬化 7150 鋁合金 的轉(zhuǎn)變相顆粒如 這一章章開幕照片 電子顯微圖片 所示。 這些轉(zhuǎn)變相和亞穩(wěn)相的 無數(shù)的粒子 導(dǎo)致了強化和硬化如 圖 所示。正如 圖中指出的 ，最大強度與θ 相的形成相符 ，這可能會保留到 合金 冷卻到室溫后 。 相繼粒子的生長 和 θ ’和θ相的發(fā)展導(dǎo)致過時效。 隨著溫度升高，加強過程被加速。圖 證明了這一點 ，拉伸強度對 2021 鋁合金 的 時間 的對數(shù) 在幾 個不同急冷溫度下的圖。理想情況下，沉淀 熱處理 的溫度和 時間 應(yīng)被指定為產(chǎn)生 硬度或強度最大值的附近。與強度 增加關(guān)聯(lián)是 延展性 下降 。圖 證明了這一點 對于 在幾個 不同 溫度 下 2021 鋁合金。 并不是所有合金滿足上述組成條件 和相位圖結(jié)構(gòu)都適合進行 沉淀硬化。此外， 晶格應(yīng)變 必須建立在 沉淀 矩陣界面上 。 對于 鋁銅合金，在這些轉(zhuǎn)變相的粒子附近和周圍有晶體點陣結(jié)構(gòu)的扭曲 (圖 )。塑性變形 期間 ，這些扭曲有效阻礙位錯運動， 因此，合金變 得更硬 和更強。 當(dāng)θ相形成 ， 由沉淀粒子提供的滑移抗力的減小解釋了 由此產(chǎn)生的 過時效（ 軟化和弱化） 。 在室溫 下經(jīng)歷了可評估的沉淀硬化的合金在短時間后必須淬火和在冷卻 條件下儲存 。用于鉚釘?shù)匿X合金顯示此行為。他們被驅(qū)策同時仍然柔軟，然后 在正常的環(huán)境溫度 允許時效 變硬。這稱為自然 時效 ；人工 時效 是在升高的溫度下進行的。 注意事項 高強度合金中 可受雇應(yīng)變硬化和沉淀硬化的綜合的影響。這些強化過程的順序 對 有力學(xué)性能的最佳結(jié)合 的 合金 的生產(chǎn) 很重要 。通常情況下，合金在固溶熱處理后淬火。接著是冷加工，最后是沉淀硬化熱處理。在最后的處理中 ， 再結(jié)晶導(dǎo)致很少強度持續(xù)損失 。如果合金 在冷加工 前 進行 沉淀硬化， 更多的能量 必須 花費 在 其變形；此外， 由于伴隨沉淀硬化延展性 是 減少的 ，所以 可能導(dǎo)致 開裂 。 大多數(shù)沉淀硬化合金他們最大的服務(wù)溫度受到 限制。暴露于時效的發(fā)生的高溫下 可能導(dǎo)致強度損失 由于過時效。 結(jié)晶、熔化、和玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象在聚合物分子 相變 現(xiàn)象 關(guān)于 高分子材料的設(shè)計 和 加工 是很重要的 。在后續(xù)章節(jié)中，我們討論的這些現(xiàn)象 即 結(jié)晶、熔化、和玻璃化轉(zhuǎn)變?nèi)齻€。 冷卻結(jié)晶過程，規(guī)則的 (即結(jié)晶 ) 固相 從 高無序的 分子結(jié)構(gòu) 的熔融物 生產(chǎn) 。熔化 是相反的過程當(dāng)聚合物加熱時發(fā)生的。玻璃 化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生在當(dāng) 非晶 或不結(jié)晶聚合物，其當(dāng)熔融物冷卻，成為剛性固體但保留液 態(tài) 的特點的分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)然， 結(jié)晶、熔化、和玻璃 化轉(zhuǎn)變 中有物理和力學(xué)性能的改變。此外，對于半結(jié)晶聚合物，結(jié)晶區(qū) 將體驗熔化 （和結(jié)晶），而非晶區(qū) 經(jīng) 過玻璃化轉(zhuǎn)變。 結(jié)晶 聚合物結(jié)晶動力學(xué)和機制的理解是重要的因為結(jié)晶度影響這些材料的力學(xué)和熱性能。熔融的聚合物的結(jié)晶發(fā)生通過成核和長大的過程，是 節(jié)中 金屬的相變的范圍內(nèi)討論的主題。 對于 聚合物， 當(dāng)冷卻通過熔化溫度，核形成在纏結(jié)和無序 分子 的 小地區(qū) 中成為 鏈折疊層 那樣 整齊的和有序的 ， 圖 。在溫度高于熔化溫度，這些 核 是不穩(wěn)定由于熱原子振動，往往會破壞分子有序的安排。 成核 現(xiàn)象的并發(fā)和結(jié)晶長大階段期 間，核的 長 大通過另外 的分子鏈段 的 持續(xù)的整頓和列隊 ； 也就是說， 鏈折疊 層 的側(cè)向尺寸有 增加 ，或者，對于球墨鑄鐵結(jié)構(gòu) (圖 ) 有 球粒 半徑增加。 結(jié)晶的時間相依對于 許多固態(tài)轉(zhuǎn)變 都是一樣的 圖 ；就是說 ，當(dāng) 分數(shù)轉(zhuǎn)換（即，具體化的分數(shù)） 被繪制對 時間（在恒定溫度 ) 的對數(shù)出現(xiàn) S形曲線的結(jié)果。圖 呈現(xiàn)在三個溫度下的聚丙烯的結(jié)晶。數(shù)學(xué)上， 根據(jù) 艾弗拉姆 方程 結(jié)晶分數(shù) y 是 時間的函數(shù) ，方程 ，如： y =1 – exp( k t ^n ) （ ） 其中 k 和 n 是依賴于時間的常 量，其值取決于結(jié)晶系統(tǒng)。通常情況下，由于液態(tài)和結(jié)晶相 的 體積有不同，所以結(jié)晶度以樣本的體積 的變化 來衡量 。 用 節(jié) 討論轉(zhuǎn)變時的 同樣的方式來說明 結(jié)晶率 ， 和根據(jù)方程 ； 也就是說，結(jié)晶率等于完成 50%結(jié)晶化所需時間的倒數(shù)。這個比率是依賴于 結(jié)晶溫度（圖 ） 和還與 聚合物的 分子量 有關(guān) ；分子量增加結(jié)晶率下降 。 對于 聚丙烯，實現(xiàn) 100%結(jié)晶度是不可能的。因此，在圖 ，垂直軸縮放為 具體 結(jié)晶 分數(shù) 。此參數(shù) 值 對應(yīng)于 在真實地實驗 中實現(xiàn)的 最高 程度的結(jié)晶 ， 小于完全結(jié)晶化 。 熔化 聚合物晶體的熔化對應(yīng)于具有對齊 分子鏈 的有序結(jié)構(gòu)的固體 到 高度隨機結(jié)構(gòu) 的粘性液體 的轉(zhuǎn)變 ；這種現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)加熱到熔化溫度Tm。聚合物的熔化有一些在 金屬和陶瓷 觀察不到的獨特的特征 ； 這些都是聚合物分子結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)晶形態(tài)的結(jié)果。首先，聚合物的熔化發(fā)生跨越一定 溫度 的范圍 ；下文將詳細討論了這一現(xiàn)象。此外，熔化行為取決于標(biāo)本的來歷，特別是它結(jié)晶的溫度。鏈折疊層 的厚度將取決于結(jié)晶溫度 ；層越厚，熔化溫度越高。最后，外表上 熔化行為是加熱 速度 的函數(shù) ；提高加熱速率使熔化溫度上升 。 {如 ，高分子材料會因熱處理產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和特性 的改變。僅僅在 熔化溫度 以下 退火誘導(dǎo) 層厚度增加。退火也引發(fā)聚合物的熔化溫度 提高。 } 玻璃轉(zhuǎn)變溫度 玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生在非晶 （或像玻璃的 ） 和部分結(jié)晶 的聚合物，和 因為 當(dāng) 溫度降低 時， 分子鏈 的大鏈段運動的減少 。當(dāng)冷卻時，玻璃化轉(zhuǎn)變 對應(yīng)于從 液體 逐漸轉(zhuǎn)變到 橡膠 似的材料，以及最后到 剛性固體 。聚合物從橡膠似的狀態(tài) 過渡到剛性 狀態(tài)的 溫度被稱為玻璃轉(zhuǎn)變溫度， Tg。當(dāng)然，當(dāng) 剛性玻璃 在 溫度低于 Tg 時 被加熱時 ，事情 的 進展會發(fā)生 在相反的順序。此外，其他物理特性的突然變化伴隨著這種玻璃轉(zhuǎn)變 ： 例如，硬 度 {(圖 )} 熱容量 和熱膨脹系數(shù)。 熔化和玻璃轉(zhuǎn)變溫度 熔點和玻璃化溫度是重要的參數(shù) 與 聚合物的 在職 應(yīng)用 有關(guān) 。它們分別定義，尤其是對于部分結(jié)晶聚合物的 許多應(yīng)用的上限和下限溫度限制。玻璃轉(zhuǎn)變溫度也可以定義非晶玻璃態(tài)材料的上限 使用溫度。此外， Tm和 Tg還影響聚合物和聚合 基復(fù)合材料的 制作和 加工程序。 {這些問題 在其他章節(jié)中 討論 }。 在 聚合物中， 熔化和 /或玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn) 的 溫度 的確定對 陶瓷材料 所用方法一樣 從特定體積 (密度的倒數(shù)） 對 溫度的 圖找 。圖 就是這樣的圖 ，其中曲線 A 和 C，分別對應(yīng)于無定形 和結(jié)晶聚合物 。對于結(jié)晶材料，有不連續(xù)變化在特定的體積和熔化 溫度 Tm。 對于 完全 無序 材料的曲線是連續(xù)的 ，但它的斜率 略有下降 在玻璃轉(zhuǎn)變溫度，Tg。 行為是中間在 部分結(jié)晶聚合物（曲線 B）的這些極端之間，在這熔化和玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象都可以觀察到 ； Tm 和 Tg 是在這種半結(jié)晶材料 中各自的結(jié)晶和無序相的性質(zhì) 。如上所述，在圖 中表示的行為將取決于 冷卻 速率或加熱速率。若干 聚合物的 典型的熔化和玻璃化溫度 載于表 和附錄 E。 影響熔化和玻璃轉(zhuǎn)變溫度的因素 總結(jié) 這一章的討論主題的第一組包括 金屬 中的相變 相結(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)的修改 以及它們 是如何影響力學(xué)性能。某些轉(zhuǎn)換包括擴散現(xiàn)象，這意味著他們的進程是 時間 相依的。對于這些， 探討 一些動力學(xué)的基本概念 ，包括 反應(yīng)完成 程度 和時間 關(guān)系 、轉(zhuǎn)化率 的概念，和如何率取決于溫度 。 作為一個實際問題，相圖是嚴格限制與多相合金 中的轉(zhuǎn)換 有關(guān)，因為他們不提供任何資料說明相變率。時間要 素被納入等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 圖 中 ；作為溫度和運行時間的函數(shù)轉(zhuǎn)變過程分別被表示特定 合金在恒溫 {和 為 連續(xù)冷卻 } 處理 。 對于 鐵碳鋼合金，提出了兩種類型的關(guān)系圖，討論其關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的效用 的預(yù)測 。 鋼 中幾種微觀組織，其形成取決于組成和熱處理。這些組織 包括粗、細珠光體和 貝氏體，其由鐵素