第六章第二相強化

1、第六章第六章 第二相強化第二相強化目錄目錄o第一節(jié)第一節(jié) 第二相強化機制的分類第二相強化機制的分類o第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制o第三節(jié)第三節(jié) 彌散強化機制彌散強化機制o第四節(jié)第四節(jié) 第二相粒子強化的特點第二相粒子強化的特點第一節(jié) 第二相強化機制的分類一、第二相強化的概念第二相強化：由于彌散分布于基體中的第二相粒子阻礙位錯運動而引起的強化。第二相強化：由于彌散分布于基體中的第二相粒子阻礙位錯運動而引起的強化。例如，例如，Al合金時效硬化過程：合金時效硬化過程：固溶固溶+水淬水淬+時效時效欠時效：欠時效：峰時效：峰時效：過時效：過時效：第二相強化機制就是要解釋：為什么隨著組織的變化，會

2、產(chǎn)生性能的變化？第二相強化機制就是要解釋：為什么隨著組織的變化，會產(chǎn)生性能的變化？ 第一節(jié)第一節(jié) 第二相強化機制的分類第二相強化機制的分類Al-Mg-Si 合金中的析出相和晶界無析出帶合金中的析出相和晶界無析出帶 Al-Mg-Si合金性能隨時效時間的變化合金性能隨時效時間的變化可變形粒子強化：位錯切過第二相粒子所引起的強化作用（切過機制），可變形粒子強化：位錯切過第二相粒子所引起的強化作用（切過機制）， 與粒子特性有關；與粒子特性有關；不可變形粒子強化：位錯繞過第二相粒子所引起的強化作用（繞過機制），不可變形粒子強化：位錯繞過第二相粒子所引起的強化作用（繞過機制）， 與粒子特性無關；與粒子特性

3、無關；二、第二相粒子二、第二相粒子沉淀相粒子：合金時效析出的粒子；沉淀相粒子：合金時效析出的粒子；彌散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，內(nèi)氧化法）；彌散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，內(nèi)氧化法）；可變形粒子：位錯可切過的粒子（欠時效和峰時效析出的粒子）；可變形粒子：位錯可切過的粒子（欠時效和峰時效析出的粒子）；不可變形粒子：位錯不可切過的粒子（過時效析出的粒子，彌散相粒子）；不可變形粒子：位錯不可切過的粒子（過時效析出的粒子，彌散相粒子）；三、強化機制三、強化機制沉淀相強化：指析出相引起的強化，主要指欠時效和峰時效引起的強化；沉淀相強化：指析出相引起的強化，主要指欠時效和峰時效引起的強化；彌

4、散相強化：彌散相粒子產(chǎn)生的強化；彌散相強化：彌散相粒子產(chǎn)生的強化；第一節(jié)第一節(jié) 第二相強化機制的分類第二相強化機制的分類第二節(jié) 沉淀強化機制可變形粒子的特點：可變形粒子的特點：（1）與基體共格；）與基體共格；（2）位錯可以切過。）位錯可以切過。（可變形粒子強化機制）（可變形粒子強化機制）把第二相粒子視作一個錯配球，其應力應變場把第二相粒子視作一個錯配球，其應力應變場與位錯的彈性交互作用。與位錯的彈性交互作用。Al-Cu合金中的合金中的GP區(qū)區(qū)第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制213223)(bfGC212123)(brfGC或者：或者：常數(shù)；常數(shù)；常數(shù)，對于刃型位錯常數(shù)，對于刃型位錯=3，

5、對于螺形位錯，對于螺形位錯=1；共格切應變；共格切應變；體積份數(shù)；體積份數(shù)；沉淀相粒子間距；沉淀相粒子間距；沉淀相粒子直徑。沉淀相粒子直徑。fr臨界切應力（增量）：臨界切應力（增量）：一、共格應變強化rfSC62化學強化作用著眼于位錯切過第二相粒子后形成新界面所引起的強化?；瘜W強化作用著眼于位錯切過第二相粒子后形成新界面所引起的強化?；瘜W強化機制對于薄片狀析出相比較重要，因為位錯切過會引起較大的表化學強化機制對于薄片狀析出相比較重要，因為位錯切過會引起較大的表面積增量。面積增量。fSr沉淀相粒子半徑。沉淀相粒子半徑。沉淀相體積份數(shù)；沉淀相體積份數(shù)；界面能；界面能；化學強化所引起的臨界切應力（增

6、量）可以表達為：化學強化所引起的臨界切應力（增量）可以表達為：第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制二、化學強化作用fTfrbSC21)4()2(bSrf 沉淀相體積份數(shù)；沉淀相體積份數(shù)；T 位錯的線張力。位錯的線張力。反向疇界能；反向疇界能；位錯柏氏矢量；位錯柏氏矢量；沉淀相粒子半徑；沉淀相粒子半徑；位錯切過有序相粒子，產(chǎn)生位錯切過有序相粒子，產(chǎn)生APB（反向疇界），使系統(tǒng)能量升高而造成的強化。（反向疇界），使系統(tǒng)能量升高而造成的強化。沉淀相為金屬間化合物時，呈現(xiàn)有序點陣結(jié)構(gòu)，且與基體保持共格關系。沉淀相為金屬間化合物時，呈現(xiàn)有序點陣結(jié)構(gòu)，且與基體保持共格關系。有序強化所引起的臨界切應力（增

7、量）為：有序強化所引起的臨界切應力（增量）為：三、有序強化第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制 第二相粒子的彈性模量與基體的彈性模量不同，使位錯切過粒子時自身第二相粒子的彈性模量與基體的彈性模量不同，使位錯切過粒子時自身的能量發(fā)生了變化，從而引起的強化效應，稱之為模量強化。的能量發(fā)生了變化，從而引起的強化效應，稱之為模量強化。位錯線進入硬粒子時，能量升高；位錯線進入軟粒子時，能量降低。位錯線進入硬粒子時，能量升高；位錯線進入軟粒子時，能量降低。模量強化所導致的臨界切應力（增量）為：模量強化所導致的臨界切應力（增量）為：212221)1 (8 . 0EELGbC這種強化機制在這種強化機制在Al

8、-Li合金中起著重要作用。合金中起著重要作用。1E2EGL粒子的平均間距。粒子的平均間距。軟相（基體相）彈性模量；軟相（基體相）彈性模量；硬相（強化相）彈性模量；硬相（強化相）彈性模量；基體剪切模量；基體剪切模量；四、模量強化第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制3231)ln()(3)(59. 0fCTkbPmPmC當沉淀相粒子中層錯能遠小于基體時，產(chǎn)生的臨界切應力（增量）為：當沉淀相粒子中層錯能遠小于基體時，產(chǎn)生的臨界切應力（增量）為：層錯強化主要適用于：密排點陣，以形成擴展位錯；層錯強化主要適用于：密排點陣，以形成擴展位錯； 沉淀相粒子與基體之間的層錯能差異較大。沉淀相粒子與基體之間的層

9、錯能差異較大。五、層錯強化層錯強化：第二相粒子的層錯能與基體的層錯能不同時，會引起擴展位錯能量的改變，層錯強化：第二相粒子的層錯能與基體的層錯能不同時，會引起擴展位錯能量的改變， 產(chǎn)生運動的阻礙。產(chǎn)生運動的阻礙。其中：其中： ，為，為 角與角與 232)31 (SrC； 擴展位錯的平均寬度。擴展位錯的平均寬度。4)(2GbkPb有關的系數(shù)；有關的系數(shù)；擴展位錯中部分位錯的柏氏矢量；擴展位錯中部分位錯的柏氏矢量；Pb第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制)(2 . 52212132mPCbGrfP-N力強化：第二相粒子的力強化：第二相粒子的P-N力大于與基體的力大于與基體的P-N力時引起位錯運動

10、阻力增大。力時引起位錯運動阻力增大。frPmGb位錯柏氏矢量。位錯柏氏矢量。沉淀相粒子的體積份數(shù)；沉淀相粒子的體積份數(shù)；沉淀相粒子的直徑；沉淀相粒子的直徑；沉淀相粒子的強度；沉淀相粒子的強度；基體相的強度；基體相的強度；基體剪切模量；基體剪切模量；P-N力強化所產(chǎn)生的臨界切應力（增量）為：力強化所產(chǎn)生的臨界切應力（增量）為：強化效果正比于沉淀相與基體的強度差。強化效果正比于沉淀相與基體的強度差。六、派納（P-N）力強化 第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強化機制沉淀強化機制 總體上來說，以上六種強化為可變形粒子有可能引起的基本強化機總體上來說，以上六種強化為可變形粒子有可能引起的基本強化機制。對于不同體系而言

11、，可能是其中的一種或兩種起作用。而且體積份制。對于不同體系而言，可能是其中的一種或兩種起作用。而且體積份數(shù)越大，尺寸越大，強化效果越明顯。數(shù)越大，尺寸越大，強化效果越明顯。例如，例如，Al-Li合金中，由于合金中，由于 相非常細小，共格應變強化效果很小。相非常細小，共格應變強化效果很小。 此時，有序強化和模量強化占主導地位。此時，有序強化和模量強化占主導地位。一般來說，共格應變強化起主要作用。但是，也有一些例外的情況。一般來說，共格應變強化起主要作用。但是，也有一些例外的情況。？問題：如何知道一個相的共格應變是大還是小呢？問題：如何知道一個相的共格應變是大還是小呢？小結(jié)小結(jié)第二節(jié)第二節(jié) 沉淀強

12、化機制沉淀強化機制屈服強度升高屈服強度升高加工硬化率下降加工硬化率下降延伸率下降延伸率下降第三節(jié) 彌散強化機制（不可變形粒子強化機制）（不可變形粒子強化機制）不可變形粒子的特點：不可變形粒子的特點：（1）彈性模量遠高于基體的彈性模量；）彈性模量遠高于基體的彈性模量；（2）與基體非共格。）與基體非共格。這種特點決定了位錯只能繞過第二相，且阻力主要來源于：這種特點決定了位錯只能繞過第二相，且阻力主要來源于：位錯線弓彎所需的力；位錯線弓彎所需的力；加工硬化率的明顯升高；加工硬化率的明顯升高；第二相粒子與基體變形的不協(xié)調(diào)（輔助作用）。第二相粒子與基體變形的不協(xié)調(diào)（輔助作用）。LGbC1. 彌散強化模型

13、彌散強化模型(Orawan模型模型)：第三節(jié)第三節(jié) 彌散強化機制彌散強化機制一、Orawan公式有兩個因素沒有考慮：有兩個因素沒有考慮：起初，人們利用這個公式的計算值作為第二相粒的臨界切應力。起初，人們利用這個公式的計算值作為第二相粒的臨界切應力。但后來發(fā)現(xiàn)，它比實際值小得多。但后來發(fā)現(xiàn)，它比實際值小得多。粒子尺寸；粒子尺寸；界面對位錯線的排斥作用。界面對位錯線的排斥作用。CLG基體剪切模量?；w剪切模量。臨界切應力；臨界切應力；硬粒子間距；硬粒子間距；DLxDLLeff2 . 12)(2 . 1LGbDlGbLGbeffC （一般?。ㄒ话闳0.1D）但計算結(jié)果仍然比實際測量值低。還要修正。

14、但計算結(jié)果仍然比實際測量值低。還要修正。第三節(jié)第三節(jié) 彌散強化機制彌散強化機制一、一、Orawan公式公式2.有效粒子尺寸的確定2cos22cos2*LbTLbTF02ln4rRkGbT2cosln2*0*rRLGb2cos3ln2*0*rDLGb又又位錯繞過粒子的臨界條件是：位錯繞過粒子的臨界條件是：又，取又，取R3D時與實際測量值符合得很好，時與實際測量值符合得很好，第三節(jié)第三節(jié) 彌散強化機制彌散強化機制二、Orawan公式的修正R位錯繞過起始頸部距離；位錯繞過起始頸部距離；r0位錯中心尺寸，取位錯中心尺寸，取r0b；k與位錯性質(zhì)有關的系數(shù)，取與位錯性質(zhì)有關的系數(shù)，取K1。粒子與基體切變不

15、協(xié)調(diào)對強化的影響：粒子與基體切變不協(xié)調(diào)對強化的影響：由于臨界切應力僅僅與起始塑性變形有關，可以考慮兩相在彈性變形階段的不協(xié)調(diào)性。由于臨界切應力僅僅與起始塑性變形有關，可以考慮兩相在彈性變形階段的不協(xié)調(diào)性。而彈性階段的不協(xié)調(diào)性只產(chǎn)生力，并不產(chǎn)生錯配位錯。而彈性階段的不協(xié)調(diào)性只產(chǎn)生力，并不產(chǎn)生錯配位錯。第三節(jié)第三節(jié) 彌散強化機制彌散強化機制三、Orawan公式的進一步修正effDlGb2 . 1外反DlGb2 . 1外反+硬粒子與基體彈性變形不協(xié)調(diào)性模型：硬粒子與基體彈性變形不協(xié)調(diào)性模型：在外力作用下，無顆粒時，孔將發(fā)生變形；在外力作用下，無顆粒時，孔將發(fā)生變形；有硬粒子時，基體產(chǎn)生變形，維持界面

16、的連續(xù)性；有硬粒子時，基體產(chǎn)生變形，維持界面的連續(xù)性；變形不協(xié)調(diào)性的結(jié)果：引起與外力應力相反的切應力變形不協(xié)調(diào)性的結(jié)果：引起與外力應力相反的切應力反第四節(jié) 第二相粒子強化的特點dd（2） 下降下降1、可變形粒子強化對材料塑性的影響、可變形粒子強化對材料塑性的影響（1）屈服強度明顯提高）屈服強度明顯提高析出相沉淀于位錯線上，給位錯啟動造成阻力，從而使位錯臨界切應力析出相沉淀于位錯線上，給位錯啟動造成阻力，從而使位錯臨界切應力提高，即切過機制造成的臨界切應力提高提高，即切過機制造成的臨界切應力提高。位錯切過阻力逐漸降低；位錯切過阻力逐漸降低；沉淀相粒子使位錯平面塞積的可能性降低。沉淀相粒子使位錯平

17、面塞積的可能性降低。 從而造成加工硬化率下降。從而造成加工硬化率下降。由于粒子很細小，且與基體共格；由于粒子很細小，且與基體共格；所以，可變形粒子強化對局部延伸率影響不大。所以，可變形粒子強化對局部延伸率影響不大?？傮w來說，使材料塑性迅速下降?？傮w來說，使材料塑性迅速下降。一、第二相粒子強化對材料塑性的影響第五節(jié)第五節(jié) 第二相粒子強化的特點第二相粒子強化的特點上述兩個特點造成均勻延伸率下降；上述兩個特點造成均勻延伸率下降；位錯繞過阻力逐漸升高；位錯繞過阻力逐漸升高；第二相粒子使位錯平面塞積的可能性增大。第二相粒子使位錯平面塞積的可能性增大。從而使均勻延伸率升高；從而使均勻延伸率升高；由于粒子與

18、基體結(jié)合性不好，使局部延伸率下降；由于粒子與基體結(jié)合性不好，使局部延伸率下降；總體來說，使材料塑性比固溶體下降，但比欠時效和峰時效態(tài)塑性高?？傮w來說，使材料塑性比固溶體下降，但比欠時效和峰時效態(tài)塑性高。第五節(jié)第五節(jié) 第二相粒子強化的特點第二相粒子強化的特點2、不可變形粒子強化對材料塑性的影響、不可變形粒子強化對材料塑性的影響一、第二相粒子強化對材料塑性的影響1、可變形粒子強化（沉淀強化）、可變形粒子強化（沉淀強化）最主要的就是增加析出相的體積份數(shù)。最主要的就是增加析出相的體積份數(shù)。（1）提高固溶溫度，增加淬火速度；）提高固溶溫度，增加淬火速度；（2）快速凝固（從液相）；）快速凝固（從液相）；（

19、3）利用同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變（奧氏體淬火為過飽和馬氏體）。）利用同類異構(gòu)轉(zhuǎn)變（奧氏體淬火為過飽和馬氏體）。例如，馬氏體時效鋼是目前強度最高的金屬（例如，馬氏體時效鋼是目前強度最高的金屬（4GPa），其原因何在？），其原因何在？（1）形變時效）形變時效形成高密度位錯，使析出相在位錯處形核；形成高密度位錯，使析出相在位錯處形核；（2）分級時效）分級時效低溫下形成高密度的晶核，高溫下再生長。低溫下形成高密度的晶核，高溫下再生長。二、第二相粒子強化機制的利用第五節(jié)第五節(jié) 第二相粒子強化的特點第二相粒子強化的特點增加溶質(zhì)原子的過飽和度增加溶質(zhì)原子的過飽和度選應合適的時效工藝選應合適的時效工藝成分：成分：Fe18

20、Ni10MoCo合金，合金，C0.02%（越少越好）；（越少越好）；基本組織：板條馬氏體（尺寸細小的板條，內(nèi)部為高密度的位錯）；基本組織：板條馬氏體（尺寸細小的板條，內(nèi)部為高密度的位錯）； 為高過飽和度的固溶體，時效析出為高過飽和度的固溶體，時效析出Ni3Mo沉淀相；沉淀相；綜合了細晶強化、位錯強化和沉淀強化三種機制，使材料強度極高。綜合了細晶強化、位錯強化和沉淀強化三種機制，使材料強度極高。提高過飽和度，以便析出大量的金屬間化合物；提高過飽和度，以便析出大量的金屬間化合物； 粉末冶金變形；粉末冶金變形；采用納米顆粒采用納米顆?？倳е虏牧系脑缙谑В褐饕蛟谟诹Ｗ犹?，分布不均勻?？倳е?/p>

21、材料的早期失效：主要原因在于粒子太大，分布不均勻。相同體積分數(shù)時，比可變形粒子強化率高得多；相同體積分數(shù)時，比可變形粒子強化率高得多；體積份數(shù)小于體積份數(shù)小于1時，細小彌散的硬粒子也能達到強化效果。時，細小彌散的硬粒子也能達到強化效果。（1）強化效果好）強化效果好第五節(jié)第五節(jié) 第二相粒子強化的特點第二相粒子強化的特點（2）改善方法是細化粒子，分散粒子：）改善方法是細化粒子，分散粒子：2、不可變形粒子強化（彌散強化）、不可變形粒子強化（彌散強化）二、第二相粒子強化機制的利用復習要點復習要點第一章第一章 （1）位錯的概念、分類及特點；）位錯的概念、分類及特點； （2）位錯應力）位錯應力-應變場特點及彈性能計算；應變場特點及彈性能計算； （3）作用在位錯線上的力的特點及典型位錯交互作用；）作用在位錯線上的力的特點及典型位錯交互作用； （4）了解位錯與界面交互作用的特點