1、第三章金屬材料的強(qiáng)化,主要內(nèi)容,一、固溶強(qiáng)化 均勻強(qiáng)化、非均勻強(qiáng)化 二、細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理、細(xì)晶韌化、細(xì)化晶粒的方法 三、第二相強(qiáng)化 第二相強(qiáng)化分類、第二相強(qiáng)化理論 四、形變強(qiáng)化,一、固溶強(qiáng)化 1、均勻強(qiáng)化,強(qiáng)相互作用：間隙式溶質(zhì)，晶格畸變大，對稱性低 弱相互作用：置換式溶質(zhì)，晶格畸變小，對稱性高,1）Mott-Nabarro理論,2）Fleischer理論,3）Fleltham理論,1）Mott-Nabarro理論,強(qiáng)相互作用：,c臨界分切應(yīng)力 G切變模量 b原子大小錯(cuò)配度 c溶質(zhì)濃度,臨界分切應(yīng)力與溶質(zhì)原子濃度成正比,尺寸因素：溶質(zhì)原子大小不同引起的彈性應(yīng)力場作用,弱相互作用：,臨界分

2、切應(yīng)力與溶質(zhì)原子濃度平方根成正比,Fm障礙對位錯(cuò)的最大作用力 b點(diǎn)陣常數(shù),2）Fleischer理論,理論特點(diǎn)：除了尺寸因素外，還考慮了彈性模量的不同,臨界分切應(yīng)力與溶質(zhì)濃度平方根成正比,c臨界分切應(yīng)力 G切變模量 s彈性模量錯(cuò)配度 c溶質(zhì)濃度,U溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的相互作用能 切變速率； 常數(shù),理論特點(diǎn)： 考慮了多個(gè)因素：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的相互作用、溶質(zhì)濃度、位錯(cuò)線的性質(zhì)、溫度等,3）Fleltham理論,2、非均勻強(qiáng)化,Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化 Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化 Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化 有序強(qiáng)化 靜電相互作用強(qiáng)化 濃度梯度強(qiáng)化,1） Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化,合金元素與位錯(cuò)之間的彈性交互作用能為

3、,置換式溶質(zhì)： 0 位于刃位錯(cuò)下方 0 位于刃位錯(cuò)上方 間隙式溶質(zhì)： 位于刃位錯(cuò)下方,釘扎作用：位錯(cuò)周圍合金元素阻礙或限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),2）Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化,Snoek效應(yīng)：在螺位錯(cuò)的切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)附近的溶質(zhì)原子都會跳到交互作用能最低的位置上，使溶質(zhì)原子呈有序分布 Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化：位錯(cuò)周圍溶質(zhì)原子的有序分布形成氣團(tuán)，釘扎位錯(cuò),Snoek氣團(tuán)的特點(diǎn)： 強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，與溶質(zhì)濃度成正比 形成速度快（僅需要跳動(dòng) ） 常溫下對位錯(cuò)的釘扎與Cottrell氣團(tuán)相當(dāng)，但高溫和形變速度過大時(shí)，有序化程度太快，作用不顯著,3）Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化（化學(xué)相互作用強(qiáng)化）,Suzuki氣團(tuán)： 溶質(zhì)原子在層

4、錯(cuò)區(qū)和基體兩部分濃度不同 濃度差對位錯(cuò)有釘扎作用,Suzuki氣團(tuán)特點(diǎn)： 對位錯(cuò)的釘扎力比Cottrell氣團(tuán)小，但受溫度影響小 對刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)都有阻礙作用 舉例：高溫合金中加Co：Co降低Ni層錯(cuò)能，使位錯(cuò)容易擴(kuò)展，形成Suzuki氣團(tuán),4）有序強(qiáng)化,位錯(cuò)通過有序區(qū)時(shí)破壞原子有序關(guān)系而增加位錯(cuò)阻力,5）靜電相互作用強(qiáng)化,溶質(zhì)與位錯(cuò)相互作用時(shí)，溶質(zhì)的導(dǎo)電電子重新分布，產(chǎn)生位錯(cuò)局部電偶極，形成短程靜電交互作用,6）濃度梯度強(qiáng)化,晶格常數(shù)變化梯度；彈性模量變化梯度；合金元素與位錯(cuò)彈性交互作用變化梯度,二、細(xì)晶強(qiáng)化,1. 細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理,細(xì)晶強(qiáng)化原因：晶界兩側(cè)晶粒取向不一致，一個(gè)晶粒內(nèi)的滑移帶不

5、能穿過晶界直接傳播到相鄰晶粒,Hall-Petch關(guān)系式,Hall-Petch關(guān)系式也適用于亞晶,0：位錯(cuò)摩擦阻力 Ky：Petch斜率,2. 細(xì)晶韌化,細(xì)化晶粒使材料強(qiáng)化的同時(shí)也使塑性和韌性提高 塑性提高：晶粒細(xì)化使單位體積內(nèi)晶界上夾雜物相對減少 韌性提高：晶界也是裂紋擴(kuò)展的障礙,3. 細(xì)化晶粒的方法,改善結(jié)晶和凝固條件 增大過冷度和提高形核率（加入孕育劑） 機(jī)械震動(dòng)和強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場（破碎枝晶和粗大晶粒） 調(diào)整合金成分 添加細(xì)化晶粒的元素：Mg、B、Zr及其他稀土元素 嚴(yán)格控制熱處理工藝 冷變形的金屬，控制回復(fù)和再結(jié)晶獲取細(xì)晶 往復(fù)相變細(xì)化方法 在固態(tài)相變點(diǎn)附近，反復(fù)加熱冷卻，通過相變反復(fù)形

6、核 舉例：10Ni5CrMoV鋼常規(guī)淬火晶粒度9級；以9/s加熱到774再淬火，晶粒度為14-15級,三、第二相強(qiáng)化,1. 第二相的分類,a）冶煉過程中產(chǎn)生（夾雜物） 氧化物、硫化物等,夾雜物對合金性能有害 夾雜物與基體結(jié)合強(qiáng)度低 夾雜物往往呈尖角狀，產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋形成,第二相強(qiáng)化不包含此類型,b）熱處理過程中產(chǎn)生 時(shí)效強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化）：依靠過飽和固溶體脫溶產(chǎn)生的強(qiáng)化 、等 c）人為添加到合金中 彌散強(qiáng)化：采用粉末冶金方法造成強(qiáng)化 Y2O3、Al2O3等氧化物顆粒 彌散強(qiáng)化合金使用溫度比時(shí)效強(qiáng)化合金高,2. 第二相強(qiáng)化理論,a）直接強(qiáng)化 第二相的存在使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻,主要強(qiáng)化機(jī)制 共格應(yīng)

7、變強(qiáng)化機(jī)制 化學(xué)強(qiáng)化（位錯(cuò)切過）機(jī)制 Orowan位錯(cuò)繞過強(qiáng)化機(jī)制,b）間接強(qiáng)化 第二相的存在影響了顯微結(jié)構(gòu) 鋼中的TiC細(xì)化晶粒；TD-Ni中的ThO2阻止晶粒長大,1）第二相強(qiáng)化分類,a）共格應(yīng)變強(qiáng)化理論, f ,屈服應(yīng)力 錯(cuò)配度 f第二相體積百分?jǐn)?shù),第二相使晶格錯(cuò)配而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)施加阻力,2）直接強(qiáng)化的機(jī)制,b）位錯(cuò)切過機(jī)制,產(chǎn)生條件： 基體與第二相有公共的滑移面，即第二相與基體保持共格或半共格 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) 第二相強(qiáng)度不能太高，即第二相可與基體一起變形,位錯(cuò)切過第二相的阻力（強(qiáng)化原因） 新增表面能： 位錯(cuò)切過后，第二相兩邊各出現(xiàn)新的表面 反相疇界能： 第二相為有序相時(shí) 彈性模量差： 第二相與基體的彈性模量不同，位錯(cuò)線張力發(fā)生變化 彈性應(yīng)力場： 第二相的共格畸變在界面附近形成彈性應(yīng)力場,c）Orowan（繞過）強(qiáng)化機(jī)制,Orowan公式,常數(shù) f體積百分?jǐn)?shù) r粒子半徑,位錯(cuò)靠近粒子 位錯(cuò)線彎曲 反號位錯(cuò)抵消，形成位錯(cuò)環(huán) 位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng),條件：第二相粒子間距較大；粒子本身很硬，位錯(cuò)切過困難,舉例：時(shí)效強(qiáng)化合金強(qiáng)化機(jī)制 切過機(jī)制和繞過機(jī)制的綜合作用 顆粒臨界半徑,四、形變強(qiáng)化,屈服發(fā)生后，隨試樣塑性變形量的不斷增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象,形變強(qiáng)化工藝