材料與工藝可靠性金屬強化機制教學(xué)課件PPT.ppt

,金屬強化機制,報告人：王紅勛 2013年12月11日,材料與工藝可靠性討論課,選題背景,材料的強化是材料加工工藝的重要環(huán)節(jié)。 在研究材料的可靠性時不得不考慮材料的強度、韌性和塑性等力學(xué)性能，材料的力學(xué)性能決定了材料的承受力、耐磨性和使用范疇等。 在對材料進行塑性變形以及斷裂失效分析時，首先要判斷是否是因為材料的強度未達(dá)標(biāo)而造成的。 在研究新材料的過程中，當(dāng)設(shè)計的材料不能達(dá)到要求的力學(xué)性能時，可以在不改變材料主要成分的前提下，通過材料的強化工藝來進一步提高材料的性能。,金屬強化機制,固溶強化 第二相粒子強化 細(xì)晶強化 加工硬化 有序強化,固溶強化,固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。 與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格類型不發(fā)生變化，但點陣常數(shù)都會發(fā)生變化；其硬度、強度升高，而塑性、韌性相對下降，但綜合力學(xué)性能優(yōu)于純金屬。,根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑點陣中所處的位置分為： 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點陣的陣點 間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙,固溶強化,溶質(zhì)原子的存在及其固溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之提高。如圖表示cu-ni固溶體的強度和塑性隨溶質(zhì)含量的增加，合金強度、硬度提高，而塑性有所下降，即產(chǎn)生了固溶強化效果。,固溶強化的主要機制： 柯氏氣團：在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團。,鈴木氣團：溶質(zhì)原子降低基體層錯能，使位錯分解為擴展位錯，阻礙位錯交滑移或 攀移。如不銹鋼中，ni、cr等合 金元素優(yōu)先分布于層錯區(qū)，降低層 錯能， 使擴展位錯區(qū)擴大，要使該擴展 位錯運動，需要增加額外的應(yīng)力 從而提高材料的強度。 電交互作用：帶電溶質(zhì)原子與位錯形成靜電交互作用，阻礙位錯運動，使材料強度升高。 位錯運動改變了溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中以短程有序或偏聚形式存在的分布狀態(tài)，從而引起系統(tǒng)能量的升高，由此也增加了滑移變形的阻力。,第二相粒子強化,根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分為： 聚合型合金：兩相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級，較強相數(shù)量較少時，塑性變形基本上都發(fā)生在較弱相中，只有較強相的體積分?jǐn)?shù)大于30%時，才能起到明顯的強化作用。 彌散分布型合金：彌散地分布于基體中的第二相粒子會阻礙位錯運動而起到強化作用。通過第二相粒子是否可變形可分為兩類強化機制： 沉淀強化（時效強化） 彌散強化,沉淀強化（時效強化） 沉淀相粒子是通過時效處理從過飽和固溶體中析出的，屬于可變形的，位錯將會切過粒子使之隨同基體一起變形。 脫溶：當(dāng)固溶體因溫度變化等原因而呈過飽和狀態(tài)時，將自發(fā)地發(fā)生分解過程，其所含的過飽和溶質(zhì)原子通過擴散而形成新相析出，此過程稱為脫溶。 當(dāng)快速冷卻至室溫或低溫，可能保持原先的過飽和固溶體而不分解，但這種亞穩(wěn)態(tài)很不穩(wěn)定，在一定條件下會發(fā)生脫溶析出過程（稱為沉淀或時效），生成亞穩(wěn)的過渡相。均勻脫溶形成彌散分布的第二相微粒，將能起到明顯的強化作用。,al-cu合金的時效硬化,強化的機制為： 位錯切過粒子時，粒子產(chǎn)生寬 度為b的表面臺階，由于出現(xiàn) 了新的表面積，使總的界面能 升高 當(dāng)粒子是有序結(jié)構(gòu)時，位錯切 過粒子時會打亂滑移面上下的 有序排列，產(chǎn)生反相疇界，引 起能量的升高。,由于第二相粒子與基體的晶體點陣不同或至少是點陣常數(shù)不同，故當(dāng)位錯切過粒子時必然在滑移面上造成原子的錯排，需額外做功，給位錯運動帶來困難。 由于粒子與基體的比體積的差別，沉淀粒子與母相之間保持共格或半共格結(jié)合，故在粒子周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，與位錯產(chǎn)生交互作用，對位錯運動有阻礙 基體與粒子中的滑移面取向不相一致，則位錯切過后會產(chǎn)生一割階，割階的存在會阻礙整個位錯線的運動。 由于粒子的層錯能與基體不同，當(dāng)擴展位錯通過后，其寬度會發(fā)生變化，引起能量升高。,彌散強化 彌散強化型合金中不可變形的第二相粒子的強化作用是通過粒子對位錯的阻礙作用實現(xiàn)的，如圖為奧羅萬（e.orowan）機制。 根據(jù)位錯理論，迫使位錯線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力： g為切變彈性模量，b為柏氏矢量，為兩粒子間距離。 由此可見，不可變形粒子的強化作用與粒子間距成反比，粒子越多，粒子間距越小，強化作用明顯，因此，減小粒子尺寸（在同樣的體積分?jǐn)?shù)時，粒子越小，則粒子間距也越?。┗蛱岣吡Ｗ拥捏w積分?jǐn)?shù)都會導(dǎo)致合金強度的提高。,細(xì)晶強化,多晶體中晶體各項異性，不同位向晶粒的滑移系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中；晶界處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴(yán)重。 因此，在室溫下晶界將會阻礙 位錯的滑移，使每個晶粒中的滑移 帶終止在晶界附近，并發(fā)生位錯堵 塞現(xiàn)象，如圖所示，位錯塞積群又 會對位錯源產(chǎn)生一反作用力，這個 力增大到某一數(shù)值時，使位錯源停止開動。則要使第二晶粒產(chǎn)生滑移，必須增大外加應(yīng)力，以啟動第二晶粒中的位錯源動作。即對于多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。,晶界對多晶體塑性變形的影響 主要取決于晶界數(shù)量，晶粒大 小又決定了晶界數(shù)量。圖為低 碳鋼的晶粒大小與屈服點的關(guān) 系曲線，由圖可見，鋼的屈服 點與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈 線性關(guān)系。晶粒越小，晶粒數(shù)量越多，屈服點越大。 霍爾-佩奇（hall-petch）公式描述了晶粒平均尺寸d與屈服點s的關(guān)系： s = 0+kd-1/2 0晶內(nèi)對變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強度； k晶界對變形的影響系數(shù)。,然而，當(dāng)變形溫度高于0.5tm （熔點）以上時，由于原子活 動能力的增大，以及原子沿晶 界的擴散速率加快，使高溫下 的晶界具有一定的黏滯性特點， 它對變形的阻力大為減弱，即 使施加很小的應(yīng)力，只要作用 時間足夠長，也會發(fā)生晶粒沿晶界的相對滑動，此外，在高溫時細(xì)晶粒的多晶體還可能會出現(xiàn)擴散性蠕變的變形機制，晶粒越細(xì)，擴散蠕變速度就越大，對高溫強度越不利。如圖，當(dāng)溫度低于“等強溫度te”晶界強度高于晶粒內(nèi)部，高于te時則晶內(nèi)強度高于晶界強度。,加工硬化,金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。 加工硬化的實質(zhì)是金屬經(jīng)過冷加工產(chǎn)生大量的位錯，位錯發(fā)生積塞和纏結(jié)等交互作用，部分成為不可動位錯，起到了“釘扎”作用，對塑性變形起到阻礙作用，從而達(dá)到強化基體的目的。,有序強化,合金固溶體從無序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驊B(tài)后通常使強度提高。位錯在有序固溶體中運動時，在滑移過的地方形成 反相疇界的無序界面。在反相疇界上，原來的最穩(wěn)定原子排列狀態(tài)被破壞。因此，反相疇界的形成必定伴隨著能量的增加，位錯運動需要額外的應(yīng)力，這表現(xiàn)為合金強度的提高。 為了降低能量，在有序合金中，位錯通常是成對地運動。這樣，領(lǐng)先位錯產(chǎn)生的反相疇界在后繼位錯經(jīng)過后消失。當(dāng)一個位錯對與另一個反相疇界交切時，產(chǎn)生新的疇界，使固溶體的能量增加，這時就需要附加外力。