1、3 3、材料的強(qiáng)化與韌化、材料的強(qiáng)化與韌化 RALRAL金屬材料的主要失效形式：金屬材料的主要失效形式：過量彈性變形；過量彈性變形；過量塑性變形；斷裂；過量塑性變形；斷裂；磨損；腐蝕。磨損；腐蝕。強(qiáng)度和韌性：強(qiáng)度和韌性：是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。為了有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，必須對(duì)材料的整為了有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，必須對(duì)材料的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多組分設(shè)計(jì)，包括材料組分、微結(jié)構(gòu)、界體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多組分設(shè)計(jì)，包括材料組分、微結(jié)構(gòu)、界面性能和材料制備工藝等。面性能和材料制備工藝等。 3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALR

2、AL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化強(qiáng)化方法強(qiáng)化方法按實(shí)現(xiàn)工藝：按實(shí)現(xiàn)工藝： 加工硬化、熱處理、加工硬化、熱處理、TMCPTMCP、合金化、合金化按強(qiáng)化機(jī)制：按強(qiáng)化機(jī)制： 固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等 RALRAL3.1.1 均勻強(qiáng)化均勻強(qiáng)化3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線的相互作用由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線的相互作用不同，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方式有兩種：不同，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方式有兩種：(a)(a)相互作用強(qiáng)時(shí)，位錯(cuò)線便相互作用強(qiáng)時(shí)，位錯(cuò)線便“感感到到”溶質(zhì)原子分布較密

3、；溶質(zhì)原子分布較密；(b)(b)為相互作用弱時(shí)，位錯(cuò)線便為相互作用弱時(shí)，位錯(cuò)線便“感到感到”溶質(zhì)原子分布較疏。溶質(zhì)原子分布較疏。 若以若以l l和和L L分別表示兩種情況下可以獨(dú)立滑移的位錯(cuò)段平均長度，分別表示兩種情況下可以獨(dú)立滑移的位錯(cuò)段平均長度，F(xiàn) F為溶質(zhì)原子為溶質(zhì)原子沿滑移方向作用在位錯(cuò)線上的阻力，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力可表示為沿滑移方向作用在位錯(cuò)線上的阻力，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力可表示為=F/bl 或 =F/bL從表面上看，因?yàn)殚g隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對(duì)稱性低，屬于從表面上看，因?yàn)殚g隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對(duì)稱性低，屬于(a)(a)；置換式固溶所引起的晶

4、格畸變小，對(duì)稱性高，屬于；置換式固溶所引起的晶格畸變小，對(duì)稱性高，屬于(b)(b)。但事實(shí)上，間隙。但事實(shí)上，間隙式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先與缺陷相結(jié)合，所以已不屬于均勻強(qiáng)化的式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先與缺陷相結(jié)合，所以已不屬于均勻強(qiáng)化的范疇。范疇。 3.1.2非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化 由于合金元素與位錯(cuò)的強(qiáng)交互作用，使得在晶體由于合金元素與位錯(cuò)的強(qiáng)交互作用，使得在晶體生長過程中位錯(cuò)密度大大提高，使之結(jié)構(gòu)與純金屬不生長過程中位錯(cuò)密度大大提高，使之結(jié)構(gòu)與純金屬不同同非均勻強(qiáng)化的部分原因。非均勻強(qiáng)化類型：非均勻強(qiáng)化的部分原因。非均勻強(qiáng)化類型： 濃度梯度強(qiáng)化濃度梯度強(qiáng)化 Cottrell氣團(tuán)

5、強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化 Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化 靜電相互作用強(qiáng)化靜電相互作用強(qiáng)化 Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化 有序強(qiáng)化有序強(qiáng)化3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化 濃度梯度強(qiáng)化濃度梯度強(qiáng)化晶格常數(shù)相互作用：晶格常數(shù)相互作用： 溶質(zhì)元素分布存在梯度溶質(zhì)元素分布存在梯度晶格常數(shù)存在梯度晶格常數(shù)存在梯度提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力; ;彈性模量相互作用：彈性模量相互作用： 溶質(zhì)元素分布存在梯度溶質(zhì)元素分布存在梯度彈性模量不是常數(shù)彈性模量不是常數(shù)提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力; ;合金元素與位錯(cuò)間的彈性交互作用合金元素與位錯(cuò)間的彈

6、性交互作用: : 存在合金元素分布梯度時(shí)的存在合金元素分布梯度時(shí)的CottrellCottrell氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化. .3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化合金元素與位錯(cuò)之間存在交互作合金元素與位錯(cuò)之間存在交互作用用- -移至位錯(cuò)線附近移至位錯(cuò)線附近- -形成氣團(tuán)。形成氣團(tuán)。位錯(cuò)周圍合金元素的濃度與其他位錯(cuò)周圍合金元素的濃度與其他地方有所不同。地方有所不同。由于這是一種穩(wěn)定狀態(tài)，若破壞由于這是一種穩(wěn)定狀態(tài)，若破壞這種狀態(tài)，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有這種狀態(tài)，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有增加外力才可能，故可以提高

7、金增加外力才可能，故可以提高金屬強(qiáng)度。屬強(qiáng)度。3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化形成形成Cottrell氣團(tuán)不需要很多的溶質(zhì)原子。氣團(tuán)不需要很多的溶質(zhì)原子。濃氣團(tuán)：濃氣團(tuán)：這種在位錯(cuò)線張應(yīng)力區(qū)（如正刃型位錯(cuò)，垂直于紙面一條位錯(cuò)這種在位錯(cuò)線張應(yīng)力區(qū)（如正刃型位錯(cuò)，垂直于紙面一條位錯(cuò))下邊有下邊有一條間隙原子線，稱為一條間隙原子線，稱為Cottrell氣團(tuán)的濃氣團(tuán)，即氣團(tuán)的濃氣團(tuán)，即Cottrell氣團(tuán)變成飽和狀態(tài)。這氣團(tuán)變成飽和狀態(tài)。這種濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果大，并且受溫度影響比較小。種濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果

8、大，并且受溫度影響比較小。 稀氣團(tuán)：稀氣團(tuán)：當(dāng)間隙原子當(dāng)間隙原子(如如C，N)在位錯(cuò)張應(yīng)力區(qū)在位錯(cuò)張應(yīng)力區(qū)(如正刃型位錯(cuò)下邊如正刃型位錯(cuò)下邊)呈呈MaxwellBoltzmann分布時(shí)，換言之，位錯(cuò)線張應(yīng)力區(qū)間隙原子濃度比較小，但比平均濃分布時(shí)，換言之，位錯(cuò)線張應(yīng)力區(qū)間隙原子濃度比較小，但比平均濃度高，這種狀態(tài)稱為稀氣團(tuán)。這種狀態(tài)強(qiáng)化效果比濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果差，并且受溫度高，這種狀態(tài)稱為稀氣團(tuán)。這種狀態(tài)強(qiáng)化效果比濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果差，并且受溫度影響比較大。度影響比較大。 3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化氣

9、團(tuán)強(qiáng)化 動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效 為應(yīng)變時(shí)效的一種特殊情況，此時(shí)，可以認(rèn)為塑性降低和為應(yīng)變時(shí)效的一種特殊情況，此時(shí)，可以認(rèn)為塑性降低和低的應(yīng)變速率敏感性，這種鋸齒形曲線系因試樣在試驗(yàn)中重復(fù)的屈服和時(shí)效低的應(yīng)變速率敏感性，這種鋸齒形曲線系因試樣在試驗(yàn)中重復(fù)的屈服和時(shí)效引。換言之，此種條件下作為形成引。換言之，此種條件下作為形成CottrellCottrell氣團(tuán)的氣團(tuán)的C C，N N原子的擴(kuò)散速度與位原子的擴(kuò)散速度與位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)速度相近，從而使得錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)速度相近，從而使得CottrellCottrell氣團(tuán)在應(yīng)變中不斷形成與位錯(cuò)線掙氣團(tuán)在應(yīng)變中不斷形成與位錯(cuò)線掙脫脫C C，N N原子的釘扎，故

10、在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出鋸齒形。原子的釘扎，故在應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出鋸齒形。 3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL 應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化體心立方金屬中，間隙原子分布在八面體間隙位置。當(dāng)有外力作體心立方金屬中，間隙原子分布在八面體間隙位置。當(dāng)有外力作用時(shí)，應(yīng)變能較大的間隙原子將到應(yīng)變能較小的位置上，以降低用時(shí)，應(yīng)變能較大的間隙原子將到應(yīng)變能較小的位置上，以降低系統(tǒng)能量系統(tǒng)能量局部有序化。局部有序化。強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，而與溶質(zhì)濃度成正比。強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，而與溶質(zhì)濃度成正比。常溫下，對(duì)位錯(cuò)的釘扎雖然不亞于

11、常溫下，對(duì)位錯(cuò)的釘扎雖然不亞于CottrellCottrell氣團(tuán)，但溶質(zhì)原子這氣團(tuán)，但溶質(zhì)原子這種短程的動(dòng)態(tài)有序，當(dāng)形變溫度較高時(shí)，由于有序化太快，其作種短程的動(dòng)態(tài)有序，當(dāng)形變溫度較高時(shí)，由于有序化太快，其作用也就不顯著了。形變速度過大時(shí)，亦如此。用也就不顯著了。形變速度過大時(shí)，亦如此。3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化靜電相互作用強(qiáng)化靜電相互作用強(qiáng)化 刃型位錯(cuò)的靜電作用如同一串電偶極子，溶質(zhì)原刃型位錯(cuò)的靜電作用如同一串電偶極子，溶質(zhì)原子與刃型位錯(cuò)存在靜電交互作用；子與刃型位錯(cuò)存在靜電交互作用； 螺型位錯(cuò)中心帶有負(fù)電荷，

12、溶質(zhì)原子與螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)中心帶有負(fù)電荷，溶質(zhì)原子與螺型位錯(cuò)也存在靜電交互作用也存在靜電交互作用. .3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 RALRAL3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化氣團(tuán)強(qiáng)化 面心立方金屬中，一個(gè)滑移的全位錯(cuò)可以分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，面心立方金屬中，一個(gè)滑移的全位錯(cuò)可以分解為兩個(gè)不全位錯(cuò)，形成層錯(cuò)。為保持熱平衡，層錯(cuò)區(qū)和基體部分溶質(zhì)原子濃度不同，形成層錯(cuò)。為保持熱平衡，層錯(cuò)區(qū)和基體部分溶質(zhì)原子濃度不同，起著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。起著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。已滑移區(qū)已滑移區(qū) RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與

13、韌化3.1.2 非均勻強(qiáng)化非均勻強(qiáng)化有序強(qiáng)化有序強(qiáng)化 分為短程有序和長程有序兩種；分為短程有序和長程有序兩種； 一般長程有序化后，合金總是變得較硬，有時(shí)產(chǎn)生明顯的屈一般長程有序化后，合金總是變得較硬，有時(shí)產(chǎn)生明顯的屈服現(xiàn)象，隨著有序度的增加，其屈服應(yīng)力在某一中等有序度時(shí)出服現(xiàn)象，隨著有序度的增加，其屈服應(yīng)力在某一中等有序度時(shí)出現(xiàn)一極大值?，F(xiàn)一極大值。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理 晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界越多，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力晶界越多，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，屈服應(yīng)力越高。越大，屈

14、服應(yīng)力越高。 晶界對(duì)屈服強(qiáng)度的影響晶界對(duì)屈服強(qiáng)度的影響不只來自晶界本身，而與晶不只來自晶界本身，而與晶界是連接兩個(gè)晶粒的過渡區(qū)界是連接兩個(gè)晶粒的過渡區(qū)有關(guān)有關(guān)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理Hall-Petch關(guān)系式：ss=so+Kyd-1/2利用位錯(cuò)塞積模型推導(dǎo)利用位錯(cuò)塞積模型推導(dǎo)Hall-PetchHall-Petch關(guān)系式：關(guān)系式：運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的有效應(yīng)力是外力作用到滑移方向的分切應(yīng)力()減去位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)克服的摩擦阻力(i)， 即-i。根據(jù)位錯(cuò)塞積群理論，塞積的位錯(cuò)數(shù)n為

15、：n=KL(-i)/Gb在塞積群頭部將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中，其值為1=n(-i) RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理由于位錯(cuò)塞積，這相當(dāng)于將有效應(yīng)力放大了n倍，n為位錯(cuò)塞積數(shù)目。由上述兩個(gè)式子得到：1=KL(-i)2/Gb若晶粒內(nèi)位錯(cuò)源S2在晶界附近，則開動(dòng)這個(gè)位錯(cuò)源的臨界切應(yīng)力為由位錯(cuò)塞積群的應(yīng)力集中1提供。若位錯(cuò)S2開動(dòng)并放出位錯(cuò)，則1，即1=KL(s-i)2/Gb ，則s=i+Kyd-1/2 如用拉伸時(shí)屈服用應(yīng)力表示，兩邊同乘取向因子m(多晶體中取向因子m有時(shí)稱Taylor因子m。則式可寫成：s=0+K

16、y d-1/2 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶韌化細(xì)晶韌化 細(xì)晶強(qiáng)化最大特點(diǎn)就是細(xì)化晶粒在使材料強(qiáng)化的同時(shí)，細(xì)晶強(qiáng)化最大特點(diǎn)就是細(xì)化晶粒在使材料強(qiáng)化的同時(shí)，不會(huì)不會(huì)使材料的塑性降低使材料的塑性降低；相反，會(huì)使材料的塑性與韌性同時(shí)提高。；相反，會(huì)使材料的塑性與韌性同時(shí)提高。 金屬中的夾雜物多在晶界處出現(xiàn)，特別是低熔點(diǎn)金屬形成的金屬中的夾雜物多在晶界處出現(xiàn)，特別是低熔點(diǎn)金屬形成的夾雜物更易在晶界析出，從而顯著降低材料的塑性。合金經(jīng)細(xì)化夾雜物更易在晶界析出，從而顯著降低材料的塑性。合金經(jīng)細(xì)化晶粒后，則單位體積內(nèi)的晶界面積增加，

17、在夾雜物相同的情況下，晶粒后，則單位體積內(nèi)的晶界面積增加，在夾雜物相同的情況下，經(jīng)細(xì)化晶粒合金晶界上偏析的夾雜物相對(duì)減少，從而使晶界結(jié)合經(jīng)細(xì)化晶粒合金晶界上偏析的夾雜物相對(duì)減少，從而使晶界結(jié)合力提高，故材料的塑性提高了。力提高，故材料的塑性提高了。 晶界既是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，又是裂紋擴(kuò)展的障礙，因此，細(xì)晶界既是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，又是裂紋擴(kuò)展的障礙，因此，細(xì)化晶粒在提高強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了合金的韌性?；ЯＴ谔岣邚?qiáng)度的同時(shí)，也提高了合金的韌性。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)化晶粒的方法細(xì)化晶粒的方法細(xì)化鑄態(tài)結(jié)晶組織細(xì)化鑄態(tài)結(jié)晶

18、組織： 改善結(jié)晶凝固條件、加入變質(zhì)劑、外加磁場等改善結(jié)晶凝固條件、加入變質(zhì)劑、外加磁場等細(xì)化奧氏體細(xì)化奧氏體： 形變熱處理、再結(jié)晶形變熱處理、再結(jié)晶細(xì)化鐵素體細(xì)化鐵素體： 細(xì)化奧氏體、控軋控冷細(xì)化奧氏體、控軋控冷 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相的類型第二相的類型冶煉過程產(chǎn)生的：氧化物、硫化物、硅酸鹽等；冶煉過程產(chǎn)生的：氧化物、硫化物、硅酸鹽等； 一般是有害的，降低強(qiáng)度和韌性。一般是有害的，降低強(qiáng)度和韌性。軋制過程（或熱處理）過程：碳化物、馬氏體、貝氏體等；軋制過程（或熱處理）過程：碳化物、馬氏體、貝氏體等； 有強(qiáng)化

19、作用。有強(qiáng)化作用。粉末冶金方法：外加第二相粉末冶金方法：外加第二相 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子富集的亞穩(wěn)區(qū)等過渡相或形成溶質(zhì)原子富集的亞穩(wěn)區(qū)等過渡相的過程稱為沉淀，或稱為脫溶。的過程稱為沉淀，或稱為脫溶。 首先在基體中形成第二相的溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚，稱GP()區(qū)，使局部產(chǎn)生畸變，硬度高于固溶體基體的硬度； 隨著時(shí)效的進(jìn)行，GP()區(qū)擴(kuò)大，并且銅原子進(jìn)一步有序化，形成GP()區(qū)或相，硬度進(jìn)一步提高； 緊接著是GP()區(qū)向

20、與基體共格的Cu2Al2，相過渡，隨時(shí)效進(jìn)行，由過渡點(diǎn)陣相形成平衡相相(CuAl2)。相不再與基體共格，此階段合金硬度比共格的存在的階段的低。 超過這個(gè)階段進(jìn)一步時(shí)效，第二相粒子不斷長大，硬度不斷降低，這種現(xiàn)象稱為過時(shí)效。AlCu合金的沉淀硬化合金的沉淀硬化 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化低碳鋼的相間沉淀低碳鋼的相間沉淀 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化鐵素體晶內(nèi)的一般沉淀鐵素體晶內(nèi)的一般沉淀 RALRAL3.1 3.

21、1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 為形成高溫穩(wěn)定的第二相，為形成高溫穩(wěn)定的第二相，采用粉末冶金的方法向基體金屬采用粉末冶金的方法向基體金屬中加入惰性氧化物之類粒子，以中加入惰性氧化物之類粒子，以提高高溫強(qiáng)度。提高高溫強(qiáng)度。 彌散強(qiáng)化合金的強(qiáng)化除了與彌散強(qiáng)化合金的強(qiáng)化除了與第二相的數(shù)量、大小、分布有關(guān)第二相的數(shù)量、大小、分布有關(guān)以外，還與基體和第二相本身性以外，還與基體和第二相本身性質(zhì)有關(guān)。質(zhì)有關(guān)。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論共

22、格應(yīng)變強(qiáng)化理論：共格應(yīng)變強(qiáng)化理論： 基本思想是將合金的屈服應(yīng)力看成由基本思想是將合金的屈服應(yīng)力看成由于第二相在基體中使晶格錯(cuò)配而產(chǎn)生彈性于第二相在基體中使晶格錯(cuò)配而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所施加的阻力。應(yīng)力場，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所施加的阻力。 對(duì)于具體的時(shí)效硬化型合金，由于第對(duì)于具體的時(shí)效硬化型合金，由于第二相與基體的比容不可能完全一樣，由此二相與基體的比容不可能完全一樣，由此比容差而引起彈性應(yīng)力場。使基體中在某比容差而引起彈性應(yīng)力場。使基體中在某一區(qū)域內(nèi)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可能發(fā)生位移，愈一區(qū)域內(nèi)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可能發(fā)生位移，愈靠近析出粒子，位移量愈大?？拷龀隽Ｗ?，位移量愈大。 RALRAL3.1 3.1

23、金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化Orowan(Orowan(繞過繞過) )強(qiáng)化機(jī)制：強(qiáng)化機(jī)制：當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ娱g距比較大時(shí)，或者第二相當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ娱g距比較大時(shí)，或者第二相粒子本身很硬，位錯(cuò)切過第二相粒子很困粒子本身很硬，位錯(cuò)切過第二相粒子很困難，只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)。難，只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)。各階段分別為：各階段分別為： 直線位錯(cuò)靠近粒子。直線位錯(cuò)靠近粒子。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到第二相阻礙，位錯(cuò)線開始彎曲；之后，位錯(cuò)線彎曲到臨界曲位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到第二相阻礙，

24、位錯(cuò)線開始彎曲；之后，位錯(cuò)線彎曲到臨界曲率半徑，并在不減少其曲率半徑下運(yùn)動(dòng)。率半徑，并在不減少其曲率半徑下運(yùn)動(dòng)。 在第二相粒子間相遇的位錯(cuò)線段符號(hào)相反，因此會(huì)相互抵消一部分，結(jié)果在第二相粒子間相遇的位錯(cuò)線段符號(hào)相反，因此會(huì)相互抵消一部分，結(jié)果在第二粗粒子周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。在第二粗粒子周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。 位錯(cuò)線在線張力作用下變直，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。每個(gè)位錯(cuò)滑過滑移面后，都位錯(cuò)線在線張力作用下變直，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。每個(gè)位錯(cuò)滑過滑移面后，都在第二相粒子周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。這些位錯(cuò)環(huán)對(duì)位錯(cuò)源施加反向作用力，在第二相粒子周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)。這些位錯(cuò)環(huán)對(duì)位錯(cuò)源施加反向作用力，阻止位錯(cuò)源放出位錯(cuò)。若放出位錯(cuò)，

25、則必須克服這個(gè)阻力，即增加應(yīng)力。結(jié)阻止位錯(cuò)源放出位錯(cuò)。若放出位錯(cuò)，則必須克服這個(gè)阻力，即增加應(yīng)力。結(jié)果彌散的非共格的第二相使基體強(qiáng)化了。果彌散的非共格的第二相使基體強(qiáng)化了。3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化 當(dāng)析出物體積分?jǐn)?shù)當(dāng)析出物體積分?jǐn)?shù)f f一定時(shí)，一定時(shí)，r r愈小，強(qiáng)化效果愈好。愈小，強(qiáng)化效果愈好。 對(duì)于沉淀強(qiáng)化型合金，對(duì)于沉淀強(qiáng)化型合金，r r很小時(shí)，這些又小又密的第二相粒子在位錯(cuò)線上很小時(shí)，這些又小又密的第二相粒子在位錯(cuò)線上產(chǎn)生的應(yīng)力場有相互抵消的現(xiàn)象，若位錯(cuò)要繞過這些小粒子，位錯(cuò)線

26、必須彎產(chǎn)生的應(yīng)力場有相互抵消的現(xiàn)象，若位錯(cuò)要繞過這些小粒子，位錯(cuò)線必須彎曲到很小的曲率半徑才可能，這需要很大外力。這時(shí)第二相粒子強(qiáng)度并不太曲到很小的曲率半徑才可能，這需要很大外力。這時(shí)第二相粒子強(qiáng)度并不太高，因此位錯(cuò)彎曲還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于質(zhì)點(diǎn)間距一半，第二相粒子已經(jīng)屈服了，即位高，因此位錯(cuò)彎曲還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于質(zhì)點(diǎn)間距一半，第二相粒子已經(jīng)屈服了，即位錯(cuò)切過第二相的阻力比繞過第二相阻力小，因此發(fā)生切過第二相，所以對(duì)沉錯(cuò)切過第二相的阻力比繞過第二相阻力小，因此發(fā)生切過第二相，所以對(duì)沉淀強(qiáng)化合金在時(shí)效初期，位錯(cuò)只能切過第二相而運(yùn)動(dòng)。淀強(qiáng)化合金在時(shí)效初期，位錯(cuò)只能切過第二相而運(yùn)動(dòng)。 在過時(shí)效時(shí)，則位錯(cuò)線只能繞過第二相

27、質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)。沉淀硬化型合金第在過時(shí)效時(shí)，則位錯(cuò)線只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)。沉淀硬化型合金第二相質(zhì)點(diǎn)很硬，根本不允許位錯(cuò)切過，所以第二相粒子愈小，粒子間距愈小，二相質(zhì)點(diǎn)很硬，根本不允許位錯(cuò)切過，所以第二相粒子愈小，粒子間距愈小，則強(qiáng)化效果愈大，服從則強(qiáng)化效果愈大，服從OrowanOrowan機(jī)制。機(jī)制。 3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化位錯(cuò)切過第二相機(jī)制：位錯(cuò)切過第二相機(jī)制：位錯(cuò)切過第二相需要一定的條件：位錯(cuò)切過第二相需要一定的條件： 基體與第二相有公共的滑移面。只基體與第二相有公共的滑移面。只

28、有第二相與基體保持共格或半共格時(shí)，才能滿足此條件。有第二相與基體保持共格或半共格時(shí)，才能滿足此條件。 基體與析出基體與析出相中柏氏矢量相差很小，或基體中的全位錯(cuò)為析出相的半位錯(cuò)。相中柏氏矢量相差很小，或基體中的全位錯(cuò)為析出相的半位錯(cuò)。 第二第二相強(qiáng)度不能太高，即第二相可與基體一起變形。相強(qiáng)度不能太高，即第二相可與基體一起變形。 3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化切過機(jī)制產(chǎn)生強(qiáng)化的原因：切過機(jī)制產(chǎn)生強(qiáng)化的原因： 當(dāng)一個(gè)柏氏矢量為當(dāng)一個(gè)柏氏矢量為b b的位錯(cuò)切過第二相之后，兩邊各形成一個(gè)寬的位錯(cuò)切過

29、第二相之后，兩邊各形成一個(gè)寬度為度為b b的新表面，顯然要增加表面能。因此需要增加外力位錯(cuò)才能切過的新表面，顯然要增加表面能。因此需要增加外力位錯(cuò)才能切過第二相。第二相。 如果第二相是有序的如果第二相是有序的( (如如相相) )，位錯(cuò)切過第二相粒子時(shí)，則，位錯(cuò)切過第二相粒子時(shí)，則增加反相疇界和反相疇界能。因此需要提高外力，才能切過第二相。增加反相疇界和反相疇界能。因此需要提高外力，才能切過第二相。 若第二相質(zhì)點(diǎn)彈性模量與基體的彈性模量不同，這種模量差會(huì)若第二相質(zhì)點(diǎn)彈性模量與基體的彈性模量不同，這種模量差會(huì)使位錯(cuò)進(jìn)入第二相質(zhì)點(diǎn)前后線張力發(fā)生變化，因而需要增加能量。使位錯(cuò)進(jìn)入第二相質(zhì)點(diǎn)前后線張力發(fā)

30、生變化，因而需要增加能量。 若第二相與基體之間比容不同若第二相與基體之間比容不同，則在第二相界面附近形成彈性，則在第二相界面附近形成彈性應(yīng)力場，這也是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。應(yīng)力場，這也是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化由于第二相不同，產(chǎn)生強(qiáng)化的原因也不同。由于第二相不同，產(chǎn)生強(qiáng)化的原因也不同。 對(duì)于對(duì)于AlAlMgMg合金，沉淀相與基體的點(diǎn)陣常數(shù)相差很小，切過合金，沉淀相與基體的點(diǎn)陣常數(shù)相差很小，切過第二相的阻力主要來自表面能的增加。第二相的阻力主要來自表面能的增加。 對(duì)于鎳基高溫合

31、金，析出的對(duì)于鎳基高溫合金，析出的強(qiáng)化相是有序相，有相當(dāng)大強(qiáng)化相是有序相，有相當(dāng)大的疇界能，相對(duì)來講，表面能的增加是次要的，疇界能的增加是的疇界能，相對(duì)來講，表面能的增加是次要的，疇界能的增加是引起強(qiáng)化的主要原因。引起強(qiáng)化的主要原因。 對(duì)于對(duì)于AlAlCuCu合金，析出相使其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的共格畸變，其合金，析出相使其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的共格畸變，其點(diǎn)陣常數(shù)相差點(diǎn)陣常數(shù)相差12%12%，則析出相產(chǎn)生彈性應(yīng)力場是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要，則析出相產(chǎn)生彈性應(yīng)力場是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要障礙，障礙， 3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 當(dāng)?shù)诙鄤倧幕w中析出時(shí)，粒子當(dāng)?shù)诙鄤倧幕w中析出時(shí)，粒子半徑

32、半徑r和第二相體積百分?jǐn)?shù)和第二相體積百分?jǐn)?shù)f都在增加，都在增加，屈服強(qiáng)度增量按屈服強(qiáng)度增量按B曲線變化曲線變化; 第二相粒子長大到某一尺寸后，其第二相粒子長大到某一尺寸后，其粒子間距也會(huì)增大到某一尺寸，位錯(cuò)能粒子間距也會(huì)增大到某一尺寸，位錯(cuò)能繞過第二相粒子而運(yùn)動(dòng)。繞過第二相粒子而運(yùn)動(dòng)。 由此看來，當(dāng)?shù)诙喑叽缭谀骋慌R由此看來，當(dāng)?shù)诙喑叽缭谀骋慌R界值或粒子間距達(dá)到一定值時(shí)，強(qiáng)化效界值或粒子間距達(dá)到一定值時(shí)，強(qiáng)化效果最佳?？梢姡瑑蓷l曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)果最佳?？梢?，兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的半徑稱為臨界半徑。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映陌霃椒Q為臨界半徑。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映^臨界半徑之后，隨粒子的長大，則強(qiáng)過臨界半徑之后

33、，隨粒子的長大，則強(qiáng)度降低，即所謂過時(shí)效。度降低，即所謂過時(shí)效。 A A曲線是由曲線是由OrowanOrowan機(jī)制推測出的屈服機(jī)制推測出的屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度。B B曲線是由于析出相析出時(shí)，曲線是由于析出相析出時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)由剛剛形成第二相質(zhì)點(diǎn)由剛剛形成(r(r0)0)和不和不斷長大時(shí)屈服強(qiáng)度的增量?；蛘哒f，斷長大時(shí)屈服強(qiáng)度的增量?；蛘哒f，由位錯(cuò)切過第二相質(zhì)點(diǎn)推測的屈服由位錯(cuò)切過第二相質(zhì)點(diǎn)推測的屈服強(qiáng)度增量。強(qiáng)度增量。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化對(duì)塑性和韌性的影響：第二相強(qiáng)化對(duì)塑性和

34、韌性的影響： 多相合金中含有與基體不同的第二相，即使單相合金，在冶煉過程中，多相合金中含有與基體不同的第二相，即使單相合金，在冶煉過程中，也不可避免帶入一些非金屬夾雜物，這些夾雜物也屬于第二相。此類第二相也不可避免帶入一些非金屬夾雜物，這些夾雜物也屬于第二相。此類第二相的性質(zhì)、含量、大小、分布及與基體結(jié)合強(qiáng)弱等都影響合金的性能，特別是的性質(zhì)、含量、大小、分布及與基體結(jié)合強(qiáng)弱等都影響合金的性能，特別是塑性和韌性。塑性和韌性。 通常，將較脆的第二相稱為脆性相，如鋼中氧化物、硫化物、鋁酸鹽、通常，將較脆的第二相稱為脆性相，如鋼中氧化物、硫化物、鋁酸鹽、氰化物、碳化物、氮化物和金屬間化合物等。氰化物、

35、碳化物、氮化物和金屬間化合物等。 還有一些第二相較基體韌性好，稱為韌性相。如合金結(jié)構(gòu)鋼中殘余奧氏還有一些第二相較基體韌性好，稱為韌性相。如合金結(jié)構(gòu)鋼中殘余奧氏體或體或TiAlTiAl合金中少量合金中少量相都屬于韌性相。這些韌性相與基體結(jié)合比較強(qiáng)，相都屬于韌性相。這些韌性相與基體結(jié)合比較強(qiáng)，能提高合金的塑性和韌性。這主要因?yàn)榛w中裂紋遇到韌性相時(shí)，韌性相容能提高合金的塑性和韌性。這主要因?yàn)榛w中裂紋遇到韌性相時(shí)，韌性相容易發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生脆斷，同時(shí)塑性變形消耗大量的彈性能。換言之，易發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生脆斷，同時(shí)塑性變形消耗大量的彈性能。換言之，韌性相有阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因此對(duì)基體的塑性和

36、韌性是有利的。韌性相有阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因此對(duì)基體的塑性和韌性是有利的。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論當(dāng)?shù)诙酁榇嘈韵嗟那闆r下：當(dāng)?shù)诙酁榇嘈韵嗟那闆r下： 研究發(fā)現(xiàn)，隨脆性相含量增加，材料的塑性和韌性均降低，隨脆性第二相含研究發(fā)現(xiàn)，隨脆性相含量增加，材料的塑性和韌性均降低，隨脆性第二相含量增加，均使塑性降低。但降低趨勢并不盡同量增加，均使塑性降低。但降低趨勢并不盡同 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化(a) (a) 強(qiáng)結(jié)合的脆性相；強(qiáng)結(jié)合的脆性相；(b

37、) (b) 強(qiáng)結(jié)合的韌性相；強(qiáng)結(jié)合的韌性相；(c) (c) 弱結(jié)合的脆性相弱結(jié)合的脆性相脆性相隨其含量增加，塑性降低迅速脆性相隨其含量增加，塑性降低迅速，而韌性相則基本上不降低塑性或略有降低。，而韌性相則基本上不降低塑性或略有降低。與基體結(jié)合強(qiáng)的脆性相多是在熱處理過程中與基體結(jié)合強(qiáng)的脆性相多是在熱處理過程中沉淀出來的。如鋼中沉淀出來的。如鋼中FeFe3 3C C；馬氏體時(shí)效鋼中的；馬氏體時(shí)效鋼中的NiNi3 3MoMo，NiNi3 3TiTi；高溫合金中；高溫合金中(Ni(Ni3 3(Al(Al，Ti)Ti)。雖然這些相均由過飽和的基體中析出，但因雖然這些相均由過飽和的基體中析出，但因析出相又

38、可能與基體共格或非共格，其對(duì)性析出相又可能與基體共格或非共格，其對(duì)性能影響也是不同的。能影響也是不同的。3.1.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化理論 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化第二相形狀的影響：第二相形狀的影響：球形第二相比片狀第二相塑性高。夾雜物降低奧氏體塑性較大，通過金球形第二相比片狀第二相塑性高。夾雜物降低奧氏體塑性較大，通過金相觀察，則發(fā)現(xiàn)奧氏體中氮化物呈尖角狀，當(dāng)鋼件受力時(shí)，在尖角處，相觀察，則發(fā)現(xiàn)奧氏體中氮化物呈尖角狀，當(dāng)鋼件受力時(shí)，在尖角處，應(yīng)力集中和應(yīng)變集中較大，則容易形成空洞并長大，從而降低奧氏體鋼應(yīng)力集中和應(yīng)變集

39、中較大，則容易形成空洞并長大，從而降低奧氏體鋼的塑性和韌性。的塑性和韌性。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.5 其它強(qiáng)化方法其它強(qiáng)化方法纖維強(qiáng)化纖維強(qiáng)化 將高強(qiáng)度材料（如將高強(qiáng)度材料（如SiCSiC，AlAl2 2O O3 3，C C， W W等）與合金制成纖維，等）與合金制成纖維，使硬的纖維束合理的分布在較軟的基體金屬中，達(dá)到強(qiáng)化基體金使硬的纖維束合理的分布在較軟的基體金屬中，達(dá)到強(qiáng)化基體金屬的目的，這種材料稱為復(fù)合材料。屬的目的，這種材料稱為復(fù)合材料。 復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理不像第二相強(qiáng)化那樣，靠堅(jiān)硬第二相阻礙復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理不像第二相強(qiáng)化那樣，靠

40、堅(jiān)硬第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而是用纖維束來承受較大載荷，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而是用纖維束來承受較大載荷，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。 基體與纖維之間必須有一定的結(jié)合強(qiáng)度?；w與纖維之間必須有一定的結(jié)合強(qiáng)度。 RALRAL3.1 3.1 金屬與合金的強(qiáng)化與韌化金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.5 其它強(qiáng)化方法其它強(qiáng)化方法相變強(qiáng)化相變強(qiáng)化馬氏體強(qiáng)化：馬氏體強(qiáng)化： 晶體缺陷密度對(duì)強(qiáng)度的影響晶體缺陷密度對(duì)強(qiáng)度的影響馬氏體是合金從高溫奧氏體區(qū)經(jīng)淬火而得到的組織，決定馬氏體強(qiáng)化因素馬氏體是合金從高溫奧氏體區(qū)經(jīng)淬火而得到的組織，決定馬氏體強(qiáng)化因素是多方面共同起作用。由金屬學(xué)理論知道，馬氏體含有較多的位錯(cuò)，如每是多方面共同起作用。由金屬學(xué)理論知道，馬氏體含有較多的位錯(cuò)，如每個(gè)條狀馬氏體內(nèi)位錯(cuò)密度可達(dá)個(gè)條狀馬氏體內(nèi)位錯(cuò)密度可達(dá)1013cm數(shù)量級(jí)因此位錯(cuò)對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。數(shù)量級(jí)因此位錯(cuò)對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。另外，馬氏體中存在孿晶，滑移位錯(cuò)通過孿晶時(shí)，能使滑移另外，馬氏體中存在孿