1、金屬材料強(qiáng)韌化原理結(jié)課論文姓 名： 譚 元 標(biāo) 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 材料學(xué) 金屬間化合物的強(qiáng)韌化研究進(jìn)展譚元標(biāo)（燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島，066004）摘 要 金屬間化合物具有低密度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、比重輕、抗氧化和抗硫化腐蝕性能優(yōu)的特點(diǎn)。本文介紹了幾種金屬間化合物的強(qiáng)韌化方法，包括細(xì)晶強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)韌化、顆粒強(qiáng)韌化、纖維增強(qiáng)強(qiáng)韌化、微合金化強(qiáng)韌化。并論述了這些方法的一些研究狀況。關(guān)鍵字：金屬間化合物； 細(xì)晶強(qiáng)化； 復(fù)合強(qiáng)韌化； 顆粒強(qiáng)韌化； 纖維增強(qiáng)強(qiáng)韌化； 微合金化強(qiáng)韌化1.前沿金屬?gòu)?qiáng)度來(lái)源于原子間結(jié)合力，如果一個(gè)理想晶體，在切應(yīng)力作用下沿一定晶

2、面和晶向發(fā)生滑移形變，根據(jù)計(jì)算，金屬的實(shí)際強(qiáng)度只是這個(gè)理論強(qiáng)度的幾十分之一，甚至幾千分之一。奧羅萬(wàn)(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒 (G.I.Taylor)分別提出晶體位錯(cuò)理論；位錯(cuò)理論的發(fā)展揭示了晶體實(shí)際切變強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于理論切變強(qiáng)度的本質(zhì)。金屬的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間的巨大差別，實(shí)測(cè)的純金屬單晶體在退火狀態(tài)下的臨界分切應(yīng)力表示了金屬的基礎(chǔ)強(qiáng)度，是材料強(qiáng)度的下限值；而估算的金屬的理論強(qiáng)度是經(jīng)過(guò)強(qiáng)化之后所能期望達(dá)到的強(qiáng)度的上限。為了是材料在應(yīng)用過(guò)程中滿足強(qiáng)度、塑性、韌性的要求。研究提高金屬的強(qiáng)度和韌度的方法具有重要意義。通過(guò)合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬材料

3、的強(qiáng)度，稱為金屬的強(qiáng)化。通過(guò)物理、化學(xué)、機(jī)械的方法改變材料的成分和組織結(jié)構(gòu)來(lái)提高材料的斷裂韌性的方法稱為金屬的韌化。斷裂韌性是材料的一項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。金屬間化合物具有低密度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、比重輕、抗氧化和抗硫化腐蝕性能優(yōu)的特點(diǎn)，優(yōu)于不銹鋼和鈷基、鎳基合金等傳統(tǒng)的高溫合金，而韌性又高于普通的陶瓷材料，是一種介于Ni基合金和高溫陶瓷材料之間的高溫結(jié)構(gòu)材料。作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用研究得到了越來(lái)越多的重視1-6。近年來(lái)，人們?cè)贔e-Al金屬間化合物及相關(guān)領(lǐng)域已取得了相當(dāng)多的研究成果。本文著重介紹了幾種金屬間化合物強(qiáng)韌化的方法及其研究狀況，為金屬材料的強(qiáng)化和韌化提供依據(jù)。2.常見(jiàn)的金屬間化合物的強(qiáng)度

4、和脆性2.1 Fe-Al 金屬間化合物的強(qiáng)度和脆性Fe-Al合金的強(qiáng)度和塑性與Al的成分和溫度有很大關(guān)聯(lián)7。當(dāng)Al含量為25% 時(shí)，F(xiàn)e-Al合金(Fe3Al)的屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值。其原因可能是此處有一定的DO3有序度，產(chǎn)生許多DO3有序疇界 它們會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化合金。Fe3Al、FeAl 的屈服強(qiáng)度隨溫度升高先升高后降低在600左右達(dá)最大值。這是大多數(shù)金屬間化合物所共有的現(xiàn)象。最近研究表明，這與金屬間化合物的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移特性密切相關(guān)。Fe3Al合金室溫塑性與其成分相關(guān) 化學(xué)計(jì)量成分的 Fe3Al(Fe-25AlD合金塑性很差。而成分偏離計(jì)量成分的Fe-Al合金(Fe-28AlD 塑性明

5、顯好于 Fe-25Al這是由于形成DO3單相區(qū) 而防止進(jìn)入+B2(DO3)兩相區(qū)，相質(zhì)點(diǎn)引起強(qiáng)度升高,塑性下降。Fe3Al和 FeAl高溫時(shí)出現(xiàn)超塑性，F(xiàn)e3Al在600以上具有良好的塑性含Ti的Fe3Al在700以上伸長(zhǎng)率超過(guò)100%最大達(dá)到507% 具有明顯的超塑性特征8。Fe-Al金屬間化合物解理強(qiáng)度低，存在環(huán)境氫脆。Fe3Al和FeAl在不同氣氛環(huán)境下的力學(xué)性能不同9。Fe3Al和FeAl在氧氣中的伸長(zhǎng)率比在空氣中的伸長(zhǎng)率有大幅度的提高 且環(huán)境氫脆只影響拉伸強(qiáng)度而不影響屈服強(qiáng)度。2.2 NiAl金屬間化合物的強(qiáng)度和脆性NiAl金屬間化合物并不像Ni。Al等其他金屬間化合物，在一定溫度范

6、圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)度與溫度的正效應(yīng)，即所謂的R效應(yīng)。NiAl金屬間化合物的強(qiáng)度隨溫度升高而降低或只在一段溫度范圍內(nèi)基本保持恒定10。在二元NiAl合金中，合金成分對(duì)其屈服強(qiáng)度影響很大。Noebe和Bowman等11總結(jié)的在室溫下不同化學(xué)成分NiAl合金的屈服強(qiáng)度不同，計(jì)量比附近的NiAl合金屈服強(qiáng)度最低，約為200300MPa。只有在化學(xué)計(jì)量比附近的NiAl合金才呈現(xiàn)出有限的室溫拉伸塑性12。關(guān)于NiAl金屬間化合物的室溫脆性機(jī)制有多種解釋。NiAl金屬間化合物在室溫變形時(shí)只能進(jìn)行<001>110滑移，僅能提供3個(gè)獨(dú)立的滑移系，不能滿足多晶變形的Yon Mises準(zhǔn)則，晶粒之間不能協(xié)同變形

7、，因而極易在晶界處形成裂紋，從而導(dǎo)致NiAl合金的室溫塑性低。另外，Hack等13對(duì)<110>NiAl單晶的研究表明，熱處理對(duì)其塑性和斷裂功有明顯的影響。認(rèn)為NiAl單晶低的塑性和斷裂韌性是由于間隙原子，如碳、氧等對(duì)位錯(cuò)釘扎所產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)效脆化，與高溫強(qiáng)度鋼應(yīng)變時(shí)效相似。盡管NiAl金屬間化合物存在室溫脆性，但高溫時(shí)卻表現(xiàn)出超塑性14，分析認(rèn)為這種超塑性變形行為的變形機(jī)制源于變形過(guò)程中所發(fā)生的動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。2.3 Laves相金屬間化合物NbCr2的強(qiáng)度和脆性Laves相金屬間化合物NbCr2因?yàn)榫哂懈呷埸c(diǎn)(1770)、低密度（7.79/cm-3)、高溫下優(yōu)良的抗蠕變能力、潛在

8、的抗腐蝕和抗氧化性能。室溫下為C15面心立方結(jié)構(gòu)的Laves相NbCr2。類(lèi)似于MgCu2的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，。Nb原子有序占據(jù)晶格角點(diǎn)，Cr原子形成四面體包圍Nb原子15。Laves相NbCr2。是具有AB。型原子組成的拓?fù)涿芘沤Y(jié)構(gòu)的金屬間化合物。在室溫下，Laves相金屬間化合物NbCr2表現(xiàn)出明顯的室溫脆性。3幾種金屬間化合物的強(qiáng)韌化方法3.1 細(xì)化晶粒強(qiáng)韌化細(xì)化晶粒被認(rèn)為是改善金屬間化合物強(qiáng)韌性最普通、最有效的方法之一， Schulson等16認(rèn)為如果晶粒尺寸下降到一定的臨界值，脆性金屬間化合物將會(huì)具有一定的拉伸塑性，這種觀點(diǎn)源于Cottrell17和Petch18理論，即在粗晶材料中，裂紋形

9、核所需的應(yīng)力大于裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力，一旦出現(xiàn)裂紋形核，材料就會(huì)以脆性方式斷裂；相反地，在晶粒細(xì)小的材料中，裂紋形核所需的應(yīng)力小于裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展只能發(fā)生在加工硬化之后，即出現(xiàn)塑性流變，晶粒越是小于臨界尺寸，塑性將會(huì)變得越好。對(duì)金屬間化合物NiAl的研究表明19，晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高，拉伸塑性越好。對(duì)金屬間化合物Fe-Al的研究也表明20，隨晶粒的細(xì)化，材料強(qiáng)度線性增加。此外，大面積的界面將提供足夠的晶界滑移機(jī)會(huì)導(dǎo)致變形增加材料的韌性也將顯著增加。3.2 復(fù)合強(qiáng)韌化在金屬間化合物基體中加入連續(xù)(如長(zhǎng)纖維)或非連續(xù)的增強(qiáng)相(如短纖維、晶須及顆粒等)，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合材料內(nèi)的應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)

10、展和充分發(fā)揮增強(qiáng)相的作用，能使金屬間化合物基復(fù)合材料具有良好的綜合性能。增強(qiáng)相是主要承載體，界面起到有效傳遞載荷，復(fù)合材料的機(jī)械性能依賴于增強(qiáng)相的形狀、體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布狀態(tài)。馬勤21的研究表明：SiC顆?；蚱讽毰cZr02顆粒對(duì)MoSi2具有比較明顯的復(fù)合增韌補(bǔ)強(qiáng)效果，由于SiC顆粒或晶須與Zr02顆粒的復(fù)合加入，一位錯(cuò)方面，SiC改善了品間粗大Zr02顆粒對(duì)彎曲強(qiáng)度的損害作用，另一方面，Zr02顆粒也減小了SiC與MoSi2之間較為嚴(yán)重的熱脹失配應(yīng)力，致使Zr02相變?cè)鲰g與SiC補(bǔ)強(qiáng)增韌兩種機(jī)制可以相互疊加。3.3顆粒強(qiáng)韌化用顆粒作為增強(qiáng)劑，其原料的均勻分散與燒結(jié)致密化都比短纖維及晶須復(fù)合

11、材料簡(jiǎn)便易行 因此，盡管顆粒的強(qiáng)韌化效果不如晶須與纖維，但如顆粒種類(lèi)、 粒徑和含量選擇得當(dāng)，仍有一定的韌化效果，同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。不同粒度的增強(qiáng)相顆粒的強(qiáng)韌化效果各有不同，小顆粒(1100nm) 彌散相強(qiáng)烈地影響屈服強(qiáng)度，為了減小表面能量一般為球形，中等尺寸顆粒(0.11m)彌散相能夠有效阻止回復(fù)再結(jié)晶和顆粒長(zhǎng)大，其中高溫強(qiáng)化效果比低溫更加明顯；大顆粒(550um) 增強(qiáng)相存在變形不一致性，在其附近存在壓應(yīng)力梯度的缺陷，因此，它們成了弱化源，而不是強(qiáng)化源。3.4纖維增強(qiáng)強(qiáng)韌化增強(qiáng)纖維、晶須由于其長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑的形狀特征，具有突出的橋接、拔出作用機(jī)制，因此能在不犧牲或者稍

12、微犧牲一些強(qiáng)度的前提下，較大地提高金屬間化合物復(fù)合材料的斷裂韌性纖維。Inoue M22用Al2O3纖 維 增 強(qiáng)Fe-40Al，發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度明顯好于顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料 然而，由于 Fe-40Al 基體的韌性差，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì) 因此，提高Fe-Al基體的韌性是獲得高性能FeAl復(fù)合材料的關(guān)鍵。3.5 微合金化強(qiáng)韌化微合金化元素主要有Fe、Ga、Mo、B和La等，其元素的加入量(摩爾分?jǐn)?shù))一般小于1。RDarolia等23對(duì)NiAl單晶的研究發(fā)現(xiàn)，適量的Fe、Ga和Mo能增加<110>取向NiAl單晶室溫拉伸塑性，特別是Fe合金化后其拉伸塑性能從1提高

13、到6%。微合金化的是Fe-A1金屬間化合物其強(qiáng)韌化的有效手段之一。合金元素在提高 Fe-A1金屬間化合物的解理強(qiáng)度、晶界強(qiáng)度、降低APS能量以及促進(jìn)交滑移等方面可以獲得良好的效果。常認(rèn)為，(微)合金強(qiáng)韌化機(jī)制主要是通過(guò)有序固溶化和沉淀強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的。B是微合金化最常用的元素之一，B顯著偏析于晶界附近的薄層里，使此處的濃度比基體高出許多倍，降低氫原子沿晶擴(kuò)散系數(shù)，抑制了環(huán)境H脆，提高了晶界斷裂強(qiáng)度。B來(lái)增韌Fe-40A1，發(fā)現(xiàn)B提高了晶界結(jié)合強(qiáng)度Fe-40A1-0.1B在空氣和油浴中都表現(xiàn)為穿晶斷裂。B能有效抑制由于環(huán)境脆性導(dǎo)致的加載速率依賴性大大提高材料加載時(shí)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度。4.結(jié)束語(yǔ)金屬間化合物

14、具有許多優(yōu)異的性能(特別是高溫性能)，如低密度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、比重輕、抗氧化和抗硫化腐蝕性能優(yōu)。有可能為新一代航空航天裝備研制高比強(qiáng)、耐高溫、滿足耐久性和損傷容限計(jì)要求的高性能高溫結(jié)構(gòu)零件提供關(guān)鍵材料。但是其低塑性和低的斷裂韌性阻礙了其應(yīng)用的進(jìn)程。最近，人們采用各種強(qiáng)韌化方法使其塑性和韌性得到了極大的改善，但還存在一定的不足。因此，尋找更有效、易行的強(qiáng)韌化方法仍然是其得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。5.參考文獻(xiàn)1 CHANKS, DAVIDSON D L. The fracture resistance and crack tip micromechanics of in-situ intermeta

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