什么是亞臨界熱處理

【專家解說】：記憶合金熱處理 一．形狀記憶合金熱處理 到目前為止，發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金有20余種，但得到實際應(yīng)用四只百Ni-Ti和Cu-Zn-Al系合金。前者抗蝕性好。疲勞壽命高，適用于人體植入、生物、航天及原子工程。后者價格低廉（僅為前者的1/10），加工性能好，可普遍應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。 近年來，形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。例如，已做成噴氣戰(zhàn)斗機的液壓系統(tǒng)導(dǎo)管；利用低質(zhì)能源的固體發(fā)動機；航天工程上的可折疊宇航天線；醫(yī)學(xué)上用的牙齒整畸弓絲；矯正脊椎骨的哈氏棒；電器工業(yè)上的自動觸頭，保安裝置；控制上的熱敏元件，溫度開關(guān)；直至玩具和生活用品。 形狀記憶合金的熱處理主要是圍繞其熱彈性馬氏體相變而展開的。形狀記憶效應(yīng)的含義是：某些具有熱彈性馬氏體相變動合金材料，在馬氏體狀態(tài)，進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，則在隨后的加熱過程中，當(dāng)溫度超過馬氏體相消失的溫度時，材料能完全恢復(fù)到變形前的形狀和體積。 馬氏體相變最初是在鋼中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并作為鋼的熱處理技術(shù)基礎(chǔ)加以研究；而形狀記憶合金的記憶效應(yīng)則是靠材料中發(fā)生熱彈性馬氏體相變所產(chǎn)生的，它已成為馬氏體相變領(lǐng)域中占據(jù)首要地位的研究課題，并開辟了馬氏體應(yīng)用研究的新領(lǐng)域?，F(xiàn)在研究較多的有Ti-Ni，Au-Cd，Cu-Zn，Ag-Cd，Ni-Al，Co-Ni，F(xiàn)e-Ni等十?dāng)?shù)個系列。馬氏體相變是一種固態(tài)相變，是一種偽切變引起原子短程擴散的相變。通過對形狀記憶合金的研究，認為只有在具備馬氏體相變是熱彈性的及馬氏體屬于對稱性低的點陣結(jié)構(gòu)，而母相晶體為對稱性較高的立方點陣結(jié)構(gòu)，并且大都是有序的等條件時才會有記憶效應(yīng)。 具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為記憶合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變。大部分形狀記憶合金的相變是具有可逆性的熱彈性馬氏體相變，而溫度和應(yīng)力是熱彈性馬氏體相變的兩個獨立變量，因此，形狀記憶合金的熱處理是影響其形狀記憶效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。熱處理工藝主要有以下幾個方面。 1. 淬火熱處理 母相（奧氏體）經(jīng)高溫迅速淬火會受到淬火空位和位錯的交互作用而強化。溫度越高強化也更為顯著，淬火冷卻速度增如也會強化母相，但過分強化又會影響馬氏體轉(zhuǎn)變的進行，從而影響記憶回復(fù)轉(zhuǎn)變，一般要根據(jù)不同材料而選擇不同的淬火介質(zhì)。 2．熱預(yù)變形處理 為了強化母相（奧氏體）提高滑夠變形的抗力，但同時又不能使馬氏體相變發(fā)生因難，除了合金元素的作用之外，熱預(yù)變形也是一種有效的方法，即在高溫獲得奧氏體相后，再在高于Ms點以上溫度進行熱預(yù)變形，則既可以使母相奧氏體得到強化，同時又不產(chǎn)生馬氏體，從而使合金的記憶效應(yīng)得到明顯提高。但熱預(yù)變形溫度過高會產(chǎn)生相反影響，使母相強度下降。在應(yīng)變過程中產(chǎn)生滑移，從而降低記憶效應(yīng)。同樣，熱預(yù)變形時應(yīng)變量過大，會使母相內(nèi)缺陷增多而降低記憶效應(yīng)。 3. 循環(huán)熱處理 形狀記憶合金在某一溫度范圍內(nèi)進行多次循環(huán)熱處理，然后在室溫下變形，則在回復(fù)溫度下可具有不同程度的雙向記憶效應(yīng)。但時效及約束時效是指對合金施加一定的時效，也是誘發(fā)和改善雙向形狀記憶效應(yīng)的好方法。 二．儲氫合金的熱處理 氫作為未來世界最好的二次能源，已越來越受到人們的廣泛的關(guān)注。即使是在能源自足的當(dāng)代，使用氫能源也有利于地球的環(huán)境保護，減小溫室效應(yīng)的威脅。氧的開發(fā)、運輸、能源轉(zhuǎn)換等一系列理論和技術(shù)問題都需要解決，儲氫合金就是在這種情況下產(chǎn)生的。 金屬氫化物按其氫鍵的性質(zhì)可分為三類：共價鍵、離子鍵和金屬鍵。儲氫合金的顯微組織和力學(xué)性能（硬度）均不同程度地影響其儲氫特性。因此，儲氫合金熱處理的目的就在于通過改善其組織來提高其儲氫性，主要有以下幾類。 l. 凝固時的快淬熱處理 凝固時的快速冷卻（30m／s的銅輪或水冷銅鑄型）可以得到細小的柱狀晶組織，從而使儲氫合金P-C-T曲線的氫壓平臺傾斜減小，循環(huán)壽命和水利化速度也大為提高。這是因為眾多的晶界可釋放點陣應(yīng)力，緩解吸氫的體積變化，并可作為吸放氫時的擴散通道，從而提高了活化速度。同時，快速冷卻也抑制了化學(xué)成分的不均勻性，改善了原子的有序性。 2．低溫去應(yīng)力熱處理 儲氫合金在凝固時快速冷卻會導(dǎo)致組織中形成大量晶體缺陷和硬度升高，對其進行低溫處現(xiàn)理可消你快淬點陣缺陷，降低合金的硬度，提高其韌性，抑制粉化和崩裂，從而提高合金和循環(huán)壽命。 3. 高溫擴散處理 鑄態(tài)下的儲氫合金組織是不均勻的，存在著成分偏聚區(qū)。高溫擴散處理有利于基體相的成分均勻化，從而減緩循環(huán)容量的衰減，提高循環(huán)壽命。 三．陶瓷材料的熱處理 熱處理對陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)尤其是材料中的應(yīng)力分布狀態(tài)有明顯的影響。通過熱處理促使晶界上殘留的玻璃相析出，提高品界耐火度，是有效提高陶瓷材料高溫強度的措施之一。另外，經(jīng)熱處理獲得所需晶界狀態(tài)，從而改善陶瓷的傳熱性能，對提高抗熱振性也有重要意義。 通過熱處理改變材料中的應(yīng)力分布狀態(tài)，對玻璃陶瓷抗熱振性能的改善有明顯效果。Gbauer對鋁硅酸鹽玻璃的研究表胡，經(jīng)淬火處理在材料表面引入壓應(yīng)力之后，與未經(jīng)熱處理的材料相比，其室溫強度和臨界熱振溫差都顯著提高。研究表明，在臨界熱振溫差之后的微裂紋亞臨界擴展之后，殘留強度又重新回升，并超過了材料的原始強度值，這是由于熱振溫差越過某一定值后，熱振溫差越大就越接近于淬火強化現(xiàn)象。玻璃陶瓷所具有的這種淬火強化現(xiàn)象，對于其實際應(yīng)用具有重要意義。本文所述及的陶瓷不同于普通的民用陶瓷，由于其具有許多特殊性能而被稱為特種陶瓷材料。對于特種陶瓷的熱處理，其工藝過程也突破了金屬材料中所使用的熱處理工藝。一般地說，陶瓷的熱處理主要是為了增加其韌性和抗熱振損傷性能，它的熱處理大致可分為以下幾種操作；如煅燒、燒結(jié)、相變處理、表面（熱）處理等。 燒結(jié)是陶瓷材料在高溫下的致密化過程。隨著溫度的升高和熱處理時間的延長，固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙和晶界逐漸減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體體積收縮，密度增加，當(dāng)達到一定溫度和一定處理時間，顆粒之間結(jié)合力呈現(xiàn)極大值。超過極大值后，就會出現(xiàn)晶粒增大，機械強度減小的現(xiàn)象。此外，對于具有同素異構(gòu)體的陶瓷材料，會在不同熱處理溫度下發(fā)生晶型和結(jié)晶形態(tài)變化（相變），從而達到增韌的效果。 表面熱處理主要是通過改變材料表面的組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素，改變表面的應(yīng)力狀態(tài)、表層的熱學(xué)、力學(xué)性能等來影響陶瓷材料的抗熱振性能。據(jù)報道，SiC/Al2O3復(fù)合材料經(jīng)1450℃高溫下長時間氧化后生成的表面氧化層可處于殘余應(yīng)力狀態(tài)，且明顯降低了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值，從而增強了復(fù)合材料抗熱振斷裂能力。其原因主要是復(fù)合材料表面生成了高強、低模量、低熱膨脹系數(shù)里呈多孔狀微觀結(jié)構(gòu)的莫來石和少量氧化鋁的氧化層。 從發(fā)展的趨勢上看，高抗熱振性的陶瓷材料正向著致密、高強化和多孔低密、輕質(zhì)化兩個方向發(fā)展。實際工作中，應(yīng)根據(jù)材料的應(yīng)用環(huán)境、服役條件及可靠性要求來選擇材料，然后合理設(shè)計材料的顯微結(jié)構(gòu)，再考慮熱處理和表面處理以便進一步改善抗熱振性能。 四．金屬間化合物材料的熱處理 金屬間化合物主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬形成的化合物，各元素間既有化學(xué)計量的組分，但其成分又可在一定范圍內(nèi)變化而形成以化合物為基的固熔體。金屬間化合物以其介于金屬和阿瓷間的優(yōu)異性能，而成為新型結(jié)構(gòu)材料的重要分支，并獲得廣泛的應(yīng)用。 l. 熱處理方式 熱處理的目的在于獲得某種有序結(jié)構(gòu)，以改善其塑性和韌性。主要有如下幾種處理方式。 （1）高溫均勻化退火 鑄態(tài)下的金屬間化合物一般存在著成分偏析和鑄造應(yīng)力，高溫均勻化退火就是要消除鑄造應(yīng)力并使合金元素進一步擴散均勻，為下一步處理奠定良好的基礎(chǔ)，該種處理一般在1000℃以上要持續(xù)十幾個小時。 （2）油淬 為了增加金屬間化合物的室溫韌性，常常將其加熱到晶形轉(zhuǎn)變或相變溫度，然后放入油中進行淬火處理，如對Fe-Al金屬間化合物的典型處理工藝為：加熱至1000℃，保溫5h，然后置入700℃油中冷卻。 （3）形變熱處理 這是目前為增加金屬間化合物韌性而進行的最有效的處理方式，主要是通過鍛造、軋制、擠壓等熱形變處理，使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生有利于增加韌性的方向轉(zhuǎn)變。 金屬間化合物的室溫脆性問題一直是困擾這類材料應(yīng)用的一個問題。同一成分的合金，由于加工方法不同及工藝參數(shù)的改變，最終的顯微組織和力學(xué)性能可能相差甚遠，在金屬間化合物的制備中廣泛采用了熱機械處理工藝，采用這種方法能夠得到一般加工處理所達不到的高強度與高塑性良好配合的產(chǎn)品。 2. 發(fā)展及應(yīng)用前景 在金屬材料中，金屬間化合物一直用作金屬基體的強化相。人們通過改變金屬間化合物的種類、分布、析出狀態(tài)以及相對含量等來達到控制基體材料性能的目的。由于具有許多獨特的性能，金屬間化合物本身作為一類新型材料正得到日益廣泛的研究和開發(fā)。金屬間化合物由于具有耐高溫、抗腐蝕的性能，成為航空、航天、交通運輸、化工、機械等許多工業(yè)部門重要結(jié)構(gòu)材料；由于其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，可作為半導(dǎo)體、磁性、儲氫、超導(dǎo)等方面功能材料。特別是用作高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，具有許多良好的力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕以及比強度高等特性，由于其原子的長程有序排列和原子間金屬健和共價鍵的共存，使其有可能兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強度，因而極具應(yīng)用前景。 然而，金屬間化合物的脆性妨礙了它的應(yīng)用。直到80年代初，金屬間化合物韌化研究取得兩大突破性進展，一是日本材料科學(xué)研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了質(zhì)量分數(shù)為0.02％～0.05％的B，使材料韌化，室溫拉伸伸長率從近于0提高到40％～50％；二是美國橡樹嶺國家實驗室發(fā)現(xiàn)了無塑性的六方D019結(jié)構(gòu)的Co3V中，用Ni、Fe代替部分Co，可使其轉(zhuǎn)變成面心立方的L12結(jié)構(gòu)，脆性材料變成具有良好塑性的材料。這些進展使人們看到了金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的希望和前景，在世界范圍內(nèi)掀起一個研究熱潮。 目前作為高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，在國內(nèi)外進行重點研究并取得重大進展的主要為Ni-Al、Ti-Al以及Fe-Al三個體系的A3R和AB型鋁化物。 轉(zhuǎn)自：中國機械網(wǎng) (編輯：汕頭中小在線)