1、第六章第六章 粉末材料的孔隙性能與粉末材料的孔隙性能與復(fù)合材料的強(qiáng)韌化復(fù)合材料的強(qiáng)韌化1. 1. 概述概述2. 2. 粉末材料的孔隙度特性粉末材料的孔隙度特性3. 3. 孔隙度對(duì)粉末材料性能的影響（自學(xué)）孔隙度對(duì)粉末材料性能的影響（自學(xué)） 4. 4.彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 5. 5. 顆粒強(qiáng)化顆粒強(qiáng)化 6. 6. 纖維強(qiáng)化纖維強(qiáng)化 7. 7.相變韌化和彌散韌化相變韌化和彌散韌化 1. 1. 概述概述陶瓷陶瓷聚合物聚合物金屬金屬增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑CMCCMCPMCPMCMMCMMC復(fù)合材料的范疇復(fù)合材料的范疇顆顆粒粒材材料料粉末材料粉末材料金屬間化合物金屬間化合物陶瓷陶瓷復(fù)合材料復(fù)合材料金屬粉末材料金屬粉末

2、材料粉末冶金復(fù)合材料粉末冶金復(fù)合材料傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷MMCMMCCMCCMCPMCPMC2. 2. 粉末材料的孔隙度特性粉末材料的孔隙度特性b. b. 有有10 %10 %左右孔隙度的半致密材料左右孔隙度的半致密材料c. c. 有有 15 %15 %孔隙度的多孔材料孔隙度的多孔材料d. d. 有高達(dá)有高達(dá)98 %98 %孔隙度的泡沫材料孔隙度的泡沫材料一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體: :a. a. 有低于有低于1 12 %2 %殘留孔隙度的致密材料殘留孔隙度的致密材料 由于孔隙的存在，多孔材料具有大的由于孔隙的存在，多孔材料具有大的比表

3、面比表面和優(yōu)良和優(yōu)良的的透過性能透過性能，以及易，以及易壓縮變形、吸收能量好壓縮變形、吸收能量好和和質(zhì)量輕質(zhì)量輕等特性。這些等特性。這些孔隙度孔隙度特性是粉末冶金多孔材料的基本特性是粉末冶金多孔材料的基本特性，也是它們得到廣泛應(yīng)用的基本原因。特性，也是它們得到廣泛應(yīng)用的基本原因。(1) (1) 粉末材料粉末材料孔隙度孔隙度和和孔徑孔徑的測定的測定 多孔材料的密度和孔隙度常采用多孔材料的密度和孔隙度常采用真空浸漬法真空浸漬法來測定。來測定。浸漬試樣的方法和粉末真密度的測定方法相同。浸漬試樣的方法和粉末真密度的測定方法相同。將清洗干凈的將清洗干凈的試樣在空中稱試樣在空中稱重重w w1 1真空狀態(tài)下

4、浸漬液體介真空狀態(tài)下浸漬液體介質(zhì)，使全部開孔隙飽和質(zhì)，使全部開孔隙飽和后取出試樣，除去表面后取出試樣，除去表面多余介質(zhì)多余介質(zhì) 再一次在空中稱再一次在空中稱重重w w2 2 ，然后在水中稱，然后在水中稱重重w w3 3 按公式計(jì)算燒結(jié)按公式計(jì)算燒結(jié)試樣的密度和孔試樣的密度和孔隙度隙度汞壓入法、氣泡法汞壓入法、氣泡法、離心力法、離心力法、懸濁液過濾法懸濁液過濾法、透過、透過法、法、氣體吸附法氣體吸附法、 射線小角度散射法和顯微鏡分析射線小角度散射法和顯微鏡分析法等等，其中使用較多的是法等等，其中使用較多的是汞壓入法汞壓入法。目前測定孔徑及其分布的方法很多，主要有：目前測定孔徑及其分布的方法很多，

5、主要有： 原理：原理：利用汞對(duì)固體表面不潤濕的特性，把汞用一利用汞對(duì)固體表面不潤濕的特性，把汞用一定壓力壓入多孔體的孔隙中以克服毛細(xì)管阻力。定壓力壓入多孔體的孔隙中以克服毛細(xì)管阻力。 假設(shè)在孔壁光滑的直圓柱形毛細(xì)管孔內(nèi)，當(dāng)作用假設(shè)在孔壁光滑的直圓柱形毛細(xì)管孔內(nèi)，當(dāng)作用在液面與孔壁的接觸線的平面法線方向上的壓力在液面與孔壁的接觸線的平面法線方向上的壓力與同一平面上表面張力在法線方向上的分量與同一平面上表面張力在法線方向上的分量平衡，則：平衡，則： p p- -對(duì)汞所施壓強(qiáng)，對(duì)汞所施壓強(qiáng)，MPaMPa - -汞的表面張力，汞的表面張力，N/mN/m - -汞對(duì)試驗(yàn)材料的潤濕角，度汞對(duì)試驗(yàn)材料的潤濕

6、角，度D D- -孔隙直徑，孔隙直徑，mm 將試樣置于膨脹計(jì)中，并放入充汞裝置內(nèi)，在真將試樣置于膨脹計(jì)中，并放入充汞裝置內(nèi)，在真空條件（真空度為空條件（真空度為1.331.330.013Pa0.013Pa）下，向膨脹計(jì)充汞，）下，向膨脹計(jì)充汞，浸沒試樣。壓入多孔體的汞量是以與試樣部分相聯(lián)結(jié)浸沒試樣。壓入多孔體的汞量是以與試樣部分相聯(lián)結(jié)的膨脹計(jì)毛細(xì)管內(nèi)汞柱的高度變化來表示的。為了使的膨脹計(jì)毛細(xì)管內(nèi)汞柱的高度變化來表示的。為了使汞進(jìn)入孔徑小于汞進(jìn)入孔徑小于1.22 m1.22 m的孔徑，必須對(duì)汞施加高壓。的孔徑，必須對(duì)汞施加高壓。隨著對(duì)汞所施壓強(qiáng)的增加，汞逐漸地充滿到小孔隙中，隨著對(duì)汞所施壓強(qiáng)的增

7、加，汞逐漸地充滿到小孔隙中，直到開孔隙為汞所填滿為止。從而得到汞壓入量與壓直到開孔隙為汞所填滿為止。從而得到汞壓入量與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，并由此可求得其開孔孔徑分布。強(qiáng)的關(guān)系曲線，并由此可求得其開孔孔徑分布。汞壓入法測定多孔材料孔徑分布的方法如下汞壓入法測定多孔材料孔徑分布的方法如下: :美國麥克儀器公司高性能全自動(dòng)壓汞儀美國麥克儀器公司高性能全自動(dòng)壓汞儀 AutoPoreAutoPore 9520 9520全自動(dòng)壓全自動(dòng)壓汞儀，汞儀， 最大壓力最大壓力6 6萬磅萬磅(414 (414 MPaMPa) )，孔徑測量范圍，孔徑測量范圍30 30 埃埃10001000微米微米 E. Gregorov,

8、 W. Pabst / Journal of the European Ceramic Society 31 (2011) 20732081Process control and optimized preparation of porous aluminaceramics by starch consolidation casting氣泡法氣泡法測定最大孔徑及孔徑分布的原理與汞壓入測定最大孔徑及孔徑分布的原理與汞壓入法相同，但過程相反。它利用能潤濕多孔材料的法相同，但過程相反。它利用能潤濕多孔材料的液體介質(zhì)（如水、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化液體介質(zhì)（如水、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳等）浸漬

9、，使試樣的開孔隙飽和，再用壓縮氣碳等）浸漬，使試樣的開孔隙飽和，再用壓縮氣體將毛細(xì)管中的液體擠出來。體將毛細(xì)管中的液體擠出來。氣泡法儀器設(shè)備簡單，操作容易。但氣泡法無論氣泡法儀器設(shè)備簡單，操作容易。但氣泡法無論是在測定孔徑分布的重復(fù)性還是測量分布區(qū)間方是在測定孔徑分布的重復(fù)性還是測量分布區(qū)間方面，都不如汞壓入法，所測數(shù)值相當(dāng)于汞壓入法面，都不如汞壓入法，所測數(shù)值相當(dāng)于汞壓入法所測定的孔徑體積分布比較集中的貫穿孔隙部分。所測定的孔徑體積分布比較集中的貫穿孔隙部分。氣泡法與汞壓入法相反，盡管測量最小孔徑比較氣泡法與汞壓入法相反，盡管測量最小孔徑比較困難，困難，但是測量最大孔徑的精確度高但是測量最大

10、孔徑的精確度高。 在多孔體中，當(dāng)作用在流體上的壓差較小，流速在多孔體中，當(dāng)作用在流體上的壓差較小，流速較低，流體的雷諾數(shù)較低，流體的雷諾數(shù)ReRe小于臨界雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)ReRe臨界臨界時(shí)，時(shí)，則為層流。則為層流。（2 2）粉末多孔材料的透過性能）粉末多孔材料的透過性能 對(duì)于過濾器、含油軸承和其他多孔材料來說，透對(duì)于過濾器、含油軸承和其他多孔材料來說，透過性能是一種很重要的孔隙度特性。研究流體通過過性能是一種很重要的孔隙度特性。研究流體通過多孔材料的透過性能，可為設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用提供多孔材料的透過性能，可為設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。參考數(shù)據(jù)。當(dāng)有層流的流體通過多孔材料時(shí)，在單位面積上當(dāng)

11、有層流的流體通過多孔材料時(shí)，在單位面積上的流速與其壓力梯度成正比，通常以的流速與其壓力梯度成正比，通常以達(dá)爾西達(dá)爾西公式公式表示表示工程上為了方便，在實(shí)際測量中多采用相對(duì)透過工程上為了方便，在實(shí)際測量中多采用相對(duì)透過系數(shù)系數(shù)K K, ,對(duì)于氣體叫相對(duì)透氣系數(shù)，對(duì)于液體叫相對(duì)于氣體叫相對(duì)透氣系數(shù)，對(duì)于液體叫相對(duì)滲透系數(shù)。對(duì)滲透系數(shù)。應(yīng)該指出，達(dá)爾西公式對(duì)實(shí)際多孔體的透過規(guī)律具有應(yīng)該指出，達(dá)爾西公式對(duì)實(shí)際多孔體的透過規(guī)律具有普遍意義，但只適用于層流條件，而過濾材料往往不普遍意義，但只適用于層流條件，而過濾材料往往不一定只限于層流狀態(tài)，是否屬層流取決于一定只限于層流狀態(tài)，是否屬層流取決于臨界雷諾數(shù)臨

12、界雷諾數(shù)。據(jù)測量多孔體的滲透性時(shí)發(fā)現(xiàn)，流體（液體或氣體）據(jù)測量多孔體的滲透性時(shí)發(fā)現(xiàn)，流體（液體或氣體）的體積流速與壓差并不呈線性關(guān)系。這說明在一定壓的體積流速與壓差并不呈線性關(guān)系。這說明在一定壓力下，在某些孔隙大小范圍內(nèi)，將超過臨界雷諾數(shù)而力下，在某些孔隙大小范圍內(nèi)，將超過臨界雷諾數(shù)而出現(xiàn)紊流。關(guān)于雷諾數(shù)出現(xiàn)紊流。關(guān)于雷諾數(shù)ReRe的計(jì)算，由于孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，的計(jì)算，由于孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表達(dá)式也各不相同。表達(dá)式也各不相同。摩爾根對(duì)于過濾材料推薦如下公式摩爾根對(duì)于過濾材料推薦如下公式當(dāng)孔徑較小時(shí)，液體與氣體的透過系數(shù)相差可達(dá)當(dāng)孔徑較小時(shí)，液體與氣體的透過系數(shù)相差可達(dá)2020倍。這種現(xiàn)象，并不是濾流的

13、層流條件被破壞倍。這種現(xiàn)象，并不是濾流的層流條件被破壞所產(chǎn)生的，而是由于所產(chǎn)生的，而是由于固體和液體的介電常數(shù)固體和液體的介電常數(shù)的數(shù)的數(shù)量級(jí)不同，使固體表面形成過剩電場，處于固體量級(jí)不同，使固體表面形成過剩電場，處于固體表面的液體附面層的物理性質(zhì)與液體內(nèi)部的性質(zhì)表面的液體附面層的物理性質(zhì)與液體內(nèi)部的性質(zhì)不同，使液體附面層的粘滯系數(shù)較高，并且在凈不同，使液體附面層的粘滯系數(shù)較高，并且在凈化液體中可能存在固體微粒，從而引起所謂毛細(xì)化液體中可能存在固體微粒，從而引起所謂毛細(xì)通道通道“閉合閉合”現(xiàn)象。現(xiàn)象。多孔材料由于對(duì)液體和氣體介質(zhì)的透過性均勻，多孔材料由于對(duì)液體和氣體介質(zhì)的透過性均勻，具有很好的

14、過濾作用和均勻分流作用，可以制成具有很好的過濾作用和均勻分流作用，可以制成各種過濾器和流體分布元件。各種過濾器和流體分布元件。由于孔隙的毛細(xì)管作用和蓄積作用，具體原因由于孔隙的毛細(xì)管作用和蓄積作用，具體原因p374p374頁頁粉末多孔材料具有很好的浸透性和自潤滑性？粉末多孔材料具有很好的浸透性和自潤滑性？3. 3. 粉末多孔材料的表面特性粉末多孔材料的表面特性 測定開孔隙比表面的方法很多，可用類似于測測定開孔隙比表面的方法很多，可用類似于測量粉末比表面的方法來測定。用量粉末比表面的方法來測定。用BETBET法測定每克只法測定每克只有十分之幾平方厘米的比表面的試樣已相當(dāng)困難，有十分之幾平方厘米的

15、比表面的試樣已相當(dāng)困難，因此，對(duì)一般由粒度在微米以上的粉末制取的多孔因此，對(duì)一般由粒度在微米以上的粉末制取的多孔材料，就不大適用了。當(dāng)孔隙度大于材料，就不大適用了。當(dāng)孔隙度大于20%20%時(shí)，用時(shí)，用透透過法過法測定比表面可以得到足夠精確的結(jié)果，滿足實(shí)測定比表面可以得到足夠精確的結(jié)果，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。際應(yīng)用的需要。 大量孔隙的存在使多孔材料具有很大的比表面，大量孔隙的存在使多孔材料具有很大的比表面，而比表面的大小又是決定其使用性能的重要指標(biāo)。而比表面的大小又是決定其使用性能的重要指標(biāo)。測定比表面的透過法是通過測定透過系數(shù)來求得比表測定比表面的透過法是通過測定透過系數(shù)來求得比表面的。其原理是

16、根據(jù)柯青面的。其原理是根據(jù)柯青- -卡門公式卡門公式測定比表面的透過法，通常是以氣體（特別是空氣）測定比表面的透過法，通常是以氣體（特別是空氣）為介質(zhì)，操作簡便、迅速，得到了廣泛應(yīng)用。但此為介質(zhì)，操作簡便、迅速，得到了廣泛應(yīng)用。但此法只適用于層流而不適用于紊流，并且當(dāng)孔道很細(xì)，法只適用于層流而不適用于紊流，并且當(dāng)孔道很細(xì)，接近氣體分子平均自由程時(shí)，也不適用。接近氣體分子平均自由程時(shí)，也不適用。 粉末多孔材料由于具有發(fā)達(dá)的表面，從而具有很強(qiáng)粉末多孔材料由于具有發(fā)達(dá)的表面，從而具有很強(qiáng)的穿流介質(zhì)熱交換作用和表面作用，可制成各種的穿流介質(zhì)熱交換作用和表面作用，可制成各種多孔多孔電極、催化劑、發(fā)汗材料

17、、熱交換器和止火器電極、催化劑、發(fā)汗材料、熱交換器和止火器等。由等。由于多孔材料和穿流介質(zhì)之間存在很大的接觸面，具有于多孔材料和穿流介質(zhì)之間存在很大的接觸面，具有十分迅速的熱交換作用，所以常將高溫部件做成多孔十分迅速的熱交換作用，所以常將高溫部件做成多孔體，用冷卻劑通過加以冷卻。體，用冷卻劑通過加以冷卻。a. a. 利用冷卻介質(zhì)和熱流的逆向冷卻利用冷卻介質(zhì)和熱流的逆向冷卻c. c. 噴射冷卻改變附面層狀態(tài)，以隔絕壁表面與高熱氣流。噴射冷卻改變附面層狀態(tài)，以隔絕壁表面與高熱氣流。這種冷卻方式的吸熱過程一般通過三條途徑實(shí)現(xiàn)這種冷卻方式的吸熱過程一般通過三條途徑實(shí)現(xiàn)b. b.冷卻劑發(fā)生物態(tài)變化（如熔

18、化、分解、蒸發(fā)等）以冷卻劑發(fā)生物態(tài)變化（如熔化、分解、蒸發(fā)等）以吸收大量熱量吸收大量熱量是根據(jù)火焰通過毛細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生熱交換，使燃燒物的是根據(jù)火焰通過毛細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生熱交換，使燃燒物的熱量通過孔壁而散失，從而阻止燃燒過程的進(jìn)行，熱量通過孔壁而散失，從而阻止燃燒過程的進(jìn)行，使火焰熄滅。換句話說，火焰在管道中傳播的速度使火焰熄滅。換句話說，火焰在管道中傳播的速度和孔隙大小是有一定關(guān)系的，當(dāng)孔徑減小到某一臨和孔隙大小是有一定關(guān)系的，當(dāng)孔徑減小到某一臨界尺寸時(shí)，可燃?xì)怏w將不可能著火?？讖降倪@一極界尺寸時(shí)，可燃?xì)怏w將不可能著火?？讖降倪@一極限值稱為臨界熄火孔徑。它與燃?xì)獾母鞣N性能之間限值稱為臨界熄火孔徑。它與燃

19、氣的各種性能之間的關(guān)系用皮克來數(shù)的關(guān)系用皮克來數(shù)PePe臨界臨界表示表示多孔體止火的原理多孔體止火的原理多孔材料的耐腐蝕性比相應(yīng)的致密材料差多孔材料的耐腐蝕性比相應(yīng)的致密材料差，多孔材，多孔材料的表面非常發(fā)達(dá)，所以與周圍介質(zhì)反應(yīng)的能力顯料的表面非常發(fā)達(dá)，所以與周圍介質(zhì)反應(yīng)的能力顯著增強(qiáng)。致密材料的腐蝕常常發(fā)生在表面，多孔材著增強(qiáng)。致密材料的腐蝕常常發(fā)生在表面，多孔材料的腐蝕不僅發(fā)生在表面，而且發(fā)生在基體內(nèi)部，料的腐蝕不僅發(fā)生在表面，而且發(fā)生在基體內(nèi)部，并且腐蝕介質(zhì)（特別是液態(tài)介質(zhì)）進(jìn)入孔隙后，就并且腐蝕介質(zhì)（特別是液態(tài)介質(zhì)）進(jìn)入孔隙后，就很難清除掉。因此，由易腐蝕材料制取的多孔產(chǎn)品，很難清除掉

20、。因此，由易腐蝕材料制取的多孔產(chǎn)品，常常需要進(jìn)行防腐處理。常常需要進(jìn)行防腐處理。4. 4. 粉末多孔材料的其他特性粉末多孔材料的其他特性粉末多孔材料粉末多孔材料易壓縮變形易壓縮變形的特性，是通過各種變形方式的特性，是通過各種變形方式使多孔體致密化的基礎(chǔ)使多孔體致密化的基礎(chǔ)。粉末多孔材料具有質(zhì)量輕和吸收能量好的特性，可用粉末多孔材料具有質(zhì)量輕和吸收能量好的特性，可用做做消音、消震和隔熱裝置消音、消震和隔熱裝置，使用效果很好。，使用效果很好。如用金屬纖維制得的粉末多孔材料，在低頻時(shí)具如用金屬纖維制得的粉末多孔材料，在低頻時(shí)具有優(yōu)越的消音性能。用不銹鋼纖維制得的多孔材有優(yōu)越的消音性能。用不銹鋼纖維制

21、得的多孔材料，在料，在815 815 C C高溫中仍然不喪失消音。高溫中仍然不喪失消音。由于孔隙多，多孔材料的彈性內(nèi)耗很大，由于孔隙多，多孔材料的彈性內(nèi)耗很大，消震性消震性能能很好。高孔隙度的泡沫材料在宇航技術(shù)中是一很好。高孔隙度的泡沫材料在宇航技術(shù)中是一種很有發(fā)展前途的新型材料，具有消音、消震、種很有發(fā)展前途的新型材料，具有消音、消震、隔熱和質(zhì)量很輕等特性。隔熱和質(zhì)量很輕等特性。泡沫鋁的密度為泡沫鋁的密度為0.45 g/cm0.45 g/cm3 3, , 孔隙度為孔隙度為80%80%，其正，其正常密度是常密度是2.69 g/cm2.69 g/cm3 3如泡沫鎢的密度只有如泡沫鎢的密度只有0.

22、475 g/cm0.475 g/cm3 3, , 孔隙度高達(dá)孔隙度高達(dá) 98%,98%,其正常密度是其正常密度是19.35 g/cm19.35 g/cm3 3 彌散強(qiáng)化指一種通過在均勻材料中加入硬質(zhì)顆彌散強(qiáng)化指一種通過在均勻材料中加入硬質(zhì)顆粒的一種材料的強(qiáng)化手段。是指用不溶于基體金粒的一種材料的強(qiáng)化手段。是指用不溶于基體金屬的超細(xì)第二相屬的超細(xì)第二相( (強(qiáng)化相強(qiáng)化相) )強(qiáng)化的金屬材料。為了強(qiáng)化的金屬材料。為了使第二相在基體金屬中分布均勻，通常用粉末冶使第二相在基體金屬中分布均勻，通常用粉末冶金方法制造。第二相一般為高熔點(diǎn)的氧化物或碳金方法制造。第二相一般為高熔點(diǎn)的氧化物或碳化物、氮化物，其

23、強(qiáng)化作用可保持到較高溫度?；铩⒌?，其強(qiáng)化作用可保持到較高溫度。彌散強(qiáng)化是強(qiáng)化效果較大的一種強(qiáng)化合金的方法，彌散強(qiáng)化是強(qiáng)化效果較大的一種強(qiáng)化合金的方法，很有發(fā)展前途。很有發(fā)展前途。4. 4. 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 概述概述中國中國從從5050年代開始研制彌散強(qiáng)化合金以來，已研制出年代開始研制彌散強(qiáng)化合金以來，已研制出鋁、銅、鎳等為基體的彌散強(qiáng)化合金。鋁、銅、鎳等為基體的彌散強(qiáng)化合金。 發(fā)展歷史發(fā)展歷史19161916年年在德國首先制造出用二氧化釷強(qiáng)化的鎢絲，在德國首先制造出用二氧化釷強(qiáng)化的鎢絲，19191919年這種鎢絲在美國工業(yè)中開始應(yīng)用。年這種鎢絲在美國工業(yè)中開始應(yīng)用。19461946年年

24、瑞士依爾曼發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)鋁（瑞士依爾曼發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)鋁（Al-AlAl-Al2 2O O3 3合金）。合金）。19701970年年發(fā)明機(jī)械合金化方法，使彌散強(qiáng)化合金獲得較發(fā)明機(jī)械合金化方法，使彌散強(qiáng)化合金獲得較大進(jìn)展，研制出用彌散強(qiáng)化和時(shí)效硬化或固溶強(qiáng)化方大進(jìn)展，研制出用彌散強(qiáng)化和時(shí)效硬化或固溶強(qiáng)化方法結(jié)合起來制成的一系列用于高溫的合金法結(jié)合起來制成的一系列用于高溫的合金( (機(jī)械合金化機(jī)械合金化合金合金) )。目前應(yīng)用的彌散強(qiáng)化合金約。目前應(yīng)用的彌散強(qiáng)化合金約2020多種。多種。19621962年年制成鎳制成鎳- -二氧化釷合金二氧化釷合金(ThO(ThO2 2-Ni)-Ni)。彌散強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的代表理

25、論是彌散強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的代表理論是位錯(cuò)理論位錯(cuò)理論。在彌散強(qiáng)化。在彌散強(qiáng)化材料中，彌散相是位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的障礙，位錯(cuò)線需要材料中，彌散相是位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的障礙，位錯(cuò)線需要較大的應(yīng)力才能克服障礙向前移動(dòng)，所以彌散強(qiáng)化較大的應(yīng)力才能克服障礙向前移動(dòng)，所以彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度高。位錯(cuò)理論有多種模型用以討論屈服材料的強(qiáng)度高。位錯(cuò)理論有多種模型用以討論屈服強(qiáng)度、硬化和蠕變。下面分析幾種主要的位錯(cuò)理論強(qiáng)度、硬化和蠕變。下面分析幾種主要的位錯(cuò)理論模型。模型。彌散強(qiáng)化的機(jī)理彌散強(qiáng)化的機(jī)理（1 1）屈服強(qiáng)度問題）屈服強(qiáng)度問題a. a. 奧羅萬機(jī)構(gòu)奧羅萬機(jī)構(gòu)a. a. 位錯(cuò)線通過前位錯(cuò)線通過前b. b. 位錯(cuò)線彎曲位錯(cuò)線彎曲c.

26、 c. 形成位錯(cuò)環(huán)形成位錯(cuò)環(huán)d. d. 位錯(cuò)線通過后位錯(cuò)線通過后 在切應(yīng)力在切應(yīng)力 作用下，位錯(cuò)線和一系列障礙相遇將作用下，位錯(cuò)線和一系列障礙相遇將彎曲成圓弧形，圓弧的半徑取決于位錯(cuò)所受作彎曲成圓弧形，圓弧的半徑取決于位錯(cuò)所受作用力和線張力的平衡。在障礙處位錯(cuò)彎過角度用力和線張力的平衡。在障礙處位錯(cuò)彎過角度 ，障礙對(duì)具有柏氏矢量障礙對(duì)具有柏氏矢量b b的位錯(cuò)的作用力的位錯(cuò)的作用力F F將與位將與位錯(cuò)的線張力錯(cuò)的線張力T T保持平衡。保持平衡。位錯(cuò)線的平衡位錯(cuò)線的平衡如果用線張力的近似值如果用線張力的近似值（G G是切變模量），臨界是切變模量），臨界切應(yīng)力切應(yīng)力（ 是位錯(cuò)線上粒子的間距）是位錯(cuò)線

27、上粒子的間距）從此式可以看出，從此式可以看出，屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力與與粒子間距粒子間距成反比，粒成反比，粒子間越小，材料的屈服強(qiáng)度越大。子間越小，材料的屈服強(qiáng)度越大。燒結(jié)鋁屈服應(yīng)力與粒子間距的關(guān)系燒結(jié)鋁屈服應(yīng)力與粒子間距的關(guān)系b. b. 安塞爾安塞爾- -勒尼爾機(jī)構(gòu)勒尼爾機(jī)構(gòu) 安塞爾等人對(duì)彌散強(qiáng)化合金的屈服提出了另一個(gè)安塞爾等人對(duì)彌散強(qiáng)化合金的屈服提出了另一個(gè)位錯(cuò)模型。他們把由于位錯(cuò)模型。他們把由于位錯(cuò)塞積位錯(cuò)塞積引起的彌散第二相引起的彌散第二相粒子斷裂作為屈服的判據(jù)。當(dāng)粒子上的切應(yīng)力等于粒子斷裂作為屈服的判據(jù)。當(dāng)粒子上的切應(yīng)力等于彌散粒子的彌散粒子的斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力時(shí)，彌散強(qiáng)化合金便屈服。時(shí)，彌

28、散強(qiáng)化合金便屈服。由于位錯(cuò)塞積而在一個(gè)彌散第二相粒子上的切應(yīng)力可由于位錯(cuò)塞積而在一個(gè)彌散第二相粒子上的切應(yīng)力可認(rèn)為等于認(rèn)為等于對(duì)一個(gè)粒子起作用的位錯(cuò)數(shù)取決于粒子間距對(duì)一個(gè)粒子起作用的位錯(cuò)數(shù)取決于粒子間距第二相粒子上的切應(yīng)力第二相粒子上的切應(yīng)力使彌散粒子斷裂的極限應(yīng)力與粒子的切變模量成正比使彌散粒子斷裂的極限應(yīng)力與粒子的切變模量成正比彌散強(qiáng)化兩相合金的屈服應(yīng)力為彌散強(qiáng)化兩相合金的屈服應(yīng)力為 3 3）柏氏矢量是位錯(cuò)的重要因素，屈服強(qiáng)度的大小直）柏氏矢量是位錯(cuò)的重要因素，屈服強(qiáng)度的大小直接與位錯(cuò)有關(guān)。接與位錯(cuò)有關(guān)。1) 1)屈服應(yīng)力與屈服應(yīng)力與基體和彌散相的切變模量基體和彌散相的切變模量的平方根的積

29、的平方根的積成正比，也就是說與基體和彌散相的本性有關(guān)。成正比，也就是說與基體和彌散相的本性有關(guān)。2) 2)屈服應(yīng)力與粒子間距的平方根成反比，這也符合實(shí)屈服應(yīng)力與粒子間距的平方根成反比，這也符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。驗(yàn)結(jié)果。（2 2）蠕變問題）蠕變問題金屬在恒定應(yīng)力下，除瞬時(shí)形變外還要發(fā)生緩慢而持續(xù)金屬在恒定應(yīng)力下，除瞬時(shí)形變外還要發(fā)生緩慢而持續(xù)的形變，稱為蠕變。對(duì)于蠕變，彌散粒子的強(qiáng)化有兩種的形變，稱為蠕變。對(duì)于蠕變，彌散粒子的強(qiáng)化有兩種情況。情況。安塞爾和威特曼推導(dǎo)了低應(yīng)力和高應(yīng)力情況下的蠕變安塞爾和威特曼推導(dǎo)了低應(yīng)力和高應(yīng)力情況下的蠕變速率。速率。（a a）彌散相是位錯(cuò)的障礙，位錯(cuò)必須通過攀移始能越）

30、彌散相是位錯(cuò)的障礙，位錯(cuò)必須通過攀移始能越過障礙。顯然，位錯(cuò)掃過一定面積所需的時(shí)間比純金過障礙。顯然，位錯(cuò)掃過一定面積所需的時(shí)間比純金屬要長，因而蠕變速率降低。屬要長，因而蠕變速率降低。（b b）第二相粒子沉淀在位錯(cuò)上阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移）第二相粒子沉淀在位錯(cuò)上阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移這種具有彌散相的合金的抗蠕變能力與抗回復(fù)能力有這種具有彌散相的合金的抗蠕變能力與抗回復(fù)能力有對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)應(yīng)關(guān)系。形變形變CuCu和和Cu-AlCu-Al2 2O O3 3合金的軟化合金的軟化被彌散相質(zhì)點(diǎn)釘扎的位錯(cuò)網(wǎng)示意圖被彌散相質(zhì)點(diǎn)釘扎的位錯(cuò)網(wǎng)示意圖影響彌散強(qiáng)化材料強(qiáng)度的因素影響彌散強(qiáng)化材料強(qiáng)度的因素彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度

31、不但取決于基體和彌散相的本彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度不但取決于基體和彌散相的本性，而且決定于彌散相的含量、粒度、分布、形態(tài)性，而且決定于彌散相的含量、粒度、分布、形態(tài)以及彌散相與基體的結(jié)合情況，同時(shí)也與工藝（如以及彌散相與基體的結(jié)合情況，同時(shí)也與工藝（如加工方式，加工條件）有關(guān)。下面分別加以討論。加工方式，加工條件）有關(guān)。下面分別加以討論。1. 1. 彌散相和基體的性質(zhì)彌散相和基體的性質(zhì)a) a) 彌散相的性質(zhì)彌散相的性質(zhì)根據(jù)以上討論，彌散相粒子穩(wěn)定而不長大是強(qiáng)化的前提根據(jù)以上討論，彌散相粒子穩(wěn)定而不長大是強(qiáng)化的前提之一。之一。對(duì)同一基體而言，彌散相不同會(huì)有不同的強(qiáng)化效果。對(duì)同一基體而言，彌散相不同會(huì)

32、有不同的強(qiáng)化效果。彌散相要求具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的熔點(diǎn)，從熱力彌散相要求具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的熔點(diǎn)，從熱力學(xué)來說，要求彌散相的生成自由能負(fù)值大。學(xué)來說，要求彌散相的生成自由能負(fù)值大。彌散相要求具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。彌散相要求具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。b) b) 基體的性質(zhì)基體的性質(zhì)不同的金屬具有不同的屬性。就同種金屬來看，純不同的金屬具有不同的屬性。就同種金屬來看，純金屬的強(qiáng)度就不如固溶體的大，如果使基體合金化金屬的強(qiáng)度就不如固溶體的大，如果使基體合金化形成固溶體，則強(qiáng)度會(huì)有提高。形成固溶體，則強(qiáng)度會(huì)有提高。不同不同NiNi合金的強(qiáng)度合金的強(qiáng)度CrCr對(duì)對(duì)TD-NiTD-Ni抗氧化性的影響抗氧化性

33、的影響2. 2. 彌散相的幾何因素和形態(tài)彌散相的幾何因素和形態(tài)彌散相的彌散相的含量、粒度和粒子間距含量、粒度和粒子間距互相是有聯(lián)系的。當(dāng)互相是有聯(lián)系的。當(dāng)含量一定時(shí)，含量一定時(shí)，粒子愈細(xì)粒子愈細(xì)，則粒子數(shù)愈多，則粒子數(shù)愈多， 因而粒子因而粒子間距也就愈小。這些彌散相的幾何因素是影響材料強(qiáng)間距也就愈小。這些彌散相的幾何因素是影響材料強(qiáng)度的重要因素。度的重要因素。克雷門斯研究三者的關(guān)系如下克雷門斯研究三者的關(guān)系如下a) a) 彌散相的含量彌散相的含量AlAl2 2O O3 3含量對(duì)燒結(jié)鋁性能的影響含量對(duì)燒結(jié)鋁性能的影響大量實(shí)踐證明，彌散相的含量一般可在的范圍內(nèi)選用。大量實(shí)踐證明，彌散相的含量一般可

34、在的范圍內(nèi)選用。Ni-ThONi-ThO2 2合金的性能合金的性能b) b) 彌散相的粒度和粒子間距彌散相的粒度和粒子間距當(dāng)彌散相含量一定時(shí)，粒子愈細(xì)，粒子間距也就愈小，當(dāng)彌散相含量一定時(shí)，粒子愈細(xì)，粒子間距也就愈小，彌散強(qiáng)化材料的屈服強(qiáng)度也愈大。彌散強(qiáng)化材料的屈服強(qiáng)度也愈大。彌散強(qiáng)化材料要求彌散相均勻分布于基體中，這與彌散強(qiáng)化材料要求彌散相均勻分布于基體中，這與生產(chǎn)方法有關(guān)。分布不均勻，就會(huì)導(dǎo)致彌散相的聚生產(chǎn)方法有關(guān)。分布不均勻，就會(huì)導(dǎo)致彌散相的聚集和粒子間距的增大，結(jié)果材料性能下降。集和粒子間距的增大，結(jié)果材料性能下降。粒子間距與粒子大小常為同一數(shù)量級(jí)，一般粒子大粒子間距與粒子大小常為同一

35、數(shù)量級(jí)，一般粒子大小范圍為小范圍為0.10.10.010.01 m m。3. 3.彌散相與基體之間的作用彌散相與基體之間的作用a) a) 彌散相在基體中要求幾乎不溶解，與基體不發(fā)生彌散相在基體中要求幾乎不溶解，與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)。b) b) 基體與彌散相之間的界面能要求小。二者之間的界面基體與彌散相之間的界面能要求小。二者之間的界面能低意味著兩相接合較好，這是粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需能低意味著兩相接合較好，這是粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需要的。要的。4. 4. 壓力加工壓力加工 在生產(chǎn)彌散強(qiáng)化材料的過程中，一般采用熱擠壓在生產(chǎn)彌散強(qiáng)化材料的過程中，一般采用熱擠壓工序。熱擠壓可以提高材料的密度，更重要的是使材工序。熱擠壓可以提高材料的密度，更重要的是使材料發(fā)生高速應(yīng)變，貯存大量的能量而強(qiáng)化材料。料發(fā)生高速應(yīng)變，貯存大量的能量而強(qiáng)化材料。5. 5. 生產(chǎn)方法生產(chǎn)方法 除了上述主要方面的因素外，不同生產(chǎn)方法制取的彌除了上述主要方面的因