金屬及合金的強化方法

金屬及合金的強化方法第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二2本章內(nèi)容5.1強化的概念和途徑5.2晶粒細(xì)化強化5.3固溶強化5.4第二相強化5.5加工硬化第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二35.1強化的概念和途徑金屬失效方式——過量彈性變形；過量塑性變形；斷裂金屬塑性變形方式——位錯滑移提高位錯運動阻力——強化金屬金屬的強化僅僅是指提高金屬的屈服強度。為什么不去提高金屬的斷裂強度？第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二4材料的構(gòu)成1）基體相2）界面：包括相界面和晶界3）第二相舉例：1）Al－4.5Cu合金，基體Al，第二相CuAl2，2）SiC/Al復(fù)合材料，基體Al，SiC為外加的第二相第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二5金屬強化途徑： 內(nèi)因：界面（晶界）——細(xì)晶強化 溶質(zhì)原子——固溶強化 第二相——第二相強化 提高位錯密度——加工硬化 外因：溫度提高，位錯運動容易，σs↓

應(yīng)變速率提高，σs↑

應(yīng)力狀態(tài):切應(yīng)力分量τ↑，σs↓

特殊應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二65.2晶粒細(xì)化強化晶粒：正常晶粒和亞晶粒亞晶粒的形成原因？晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度）晶界兩側(cè)晶體存在位向差：造成晶界強化的主要原因。晶界是位錯運動的障礙。要使相鄰晶粒中的位錯源開動，必須加大外應(yīng)力。（但高溫下晶界為材料中的弱化區(qū)域，不起強化作用）晶界是位錯運動的障礙原因？第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二7滑移的臨界分切應(yīng)力

τ=(P/A)cosφcosλφ—外應(yīng)力與滑移面法線夾角；

λ—外應(yīng)力與滑移方向的夾角；

Ω=cosφcosλ稱為取向因子。因為各晶粒的取向不同，cosφcosλ不同第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二8室溫下位錯在晶體內(nèi)的運動過程：

——位錯運動到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻礙形成位錯塞積

——晶體再繼續(xù)變形需要相鄰晶粒內(nèi)位錯開動

——相鄰晶粒內(nèi)位錯開動需要更大的應(yīng)力

——需要外加應(yīng)力提高，即屈服強度提高第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二9什么是屈服強度1）在應(yīng)力1作用下，晶粒A內(nèi) 位錯運動到晶界后受阻2）晶粒B內(nèi)的位錯需要開動， 需要更大的外加應(yīng)力3）外加應(yīng)力增加，達(dá)到應(yīng)力2，使得B晶粒內(nèi)位錯開動4）B晶粒內(nèi)位錯運動到晶界后，在應(yīng)力2的作用下，相鄰的C晶粒內(nèi)位錯也能開動AB第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二104）位錯運動能夠從晶粒A、B、C。。。傳遞下去5）由于晶界的作用，應(yīng)力從1增大到2，表現(xiàn)為晶界對材料的強化作用6）這種能夠使位錯在不同晶粒間傳遞下去的應(yīng)力（應(yīng)力2）就是材料的屈服強度

屈服強度是位錯能夠在晶粒間傳遞下去所需要的應(yīng)力??！舉例：復(fù)合材料的屈服強度第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二11按照上面的思路建立晶界與位錯運動的模型，如下圖AB第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二12位錯塞積群形成的方式（F-R位錯源）bS12第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二13AB第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二14AB第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二15第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二16第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二17AB第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二182）還包括位錯交互作用產(chǎn)生的阻力P-N力：fcc位錯寬度大，位錯易運動。bcc反之。交互產(chǎn)生的阻力：平行位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力；運動位錯與林位錯交互作用產(chǎn)生的阻力。第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二19第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二20第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二21Hall－Petch公式發(fā)現(xiàn)過程發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)50年代，發(fā)現(xiàn)人Hall和Petch都是英國劍橋大學(xué)研究生，Hall在論文中對鋼的屈服強度與晶粒尺寸關(guān)系進(jìn)行了試驗研究；Petch采用位錯塞積群理論進(jìn)行了理論分析。材料科學(xué)中為數(shù)不多的定量描述公式之一納米材料中的Hall－Petch關(guān)系第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二22Hall－Petch公式本質(zhì)1）晶界兩側(cè)晶體存在取向差——位錯滑移從晶粒A傳遞到晶粒B需要額外的應(yīng)力——該應(yīng)力由晶粒A中形成的位錯塞積群提供2）位錯塞積群提供的附加應(yīng)力與塞積群中位錯個數(shù)有關(guān)——塞積群中能夠容納的位錯個數(shù)又決定于晶粒尺寸D3）晶粒尺寸越小，塞積群中位錯個數(shù)越少——需要更大的外加應(yīng)力——造成屈服強度提高第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二23第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二245.3固溶強化固溶：外來原子溶入金屬種類：間隙固溶；置換固溶第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二25間隙式固溶：固溶原子都大于間隙尺寸，即使最小的C、N作為固溶原子也是如此

——間隙固溶都導(dǎo)致固溶原子周圍出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)域置換式固溶： 固溶原子大于溶劑金屬原子

——造成壓應(yīng)力區(qū)； 固溶原子小于溶劑金屬原子

——造成拉應(yīng)力區(qū)；第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二26金屬中固溶后產(chǎn)生以下幾種作用：1）固溶原子與位錯應(yīng)力區(qū)之間的交互作用（間隙原子都處于位錯拉應(yīng)力區(qū)；大固溶原子處于位錯拉應(yīng)力區(qū)；小固溶原子處于壓應(yīng)力區(qū)）——位錯運動阻力增大，導(dǎo)致強化2）電子相互作用：溶質(zhì)原子 與附近溶劑原子之間的電子 相互作用，導(dǎo)致位錯穿越該 區(qū)域需要更大的能量

——導(dǎo)致強化第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二273）化學(xué)相互作用：如fcc中的層錯是一種hcp結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)原子在fcc和hcp中的溶解度不同，在hcp結(jié)構(gòu)的層錯中溶解度高——層錯難以運動，導(dǎo)致強化4）增加擴(kuò)展位錯寬度——層錯擴(kuò)展寬度受到溶解在層錯中的溶質(zhì)原子的影響——層錯寬度影響層錯的可動性（越寬，層錯越難以運動）第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二285）短程有序強化A-A3低B-B4低A-B4高A-A2低B-B3低A-B6高AB低高第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二29叢聚狀態(tài)A－B能量>A－A/B－B叢聚越緊密，能量越?。?）；緊密叢聚狀態(tài)破壞后，能量升高（8）；AB低高第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二30固溶強化的應(yīng)用：提高金屬材料強度的主要途徑受到溶解度限制：1）一種元素有特定的最大溶解量，受到相圖控制2）一種元素的溶解不影響其它元素的溶解量可以采用多加入幾種合金元素，從而提高金屬的強度，比如低合金高強度鋼提高金屬材料的淬透性，如40鋼中加入Ni、Cr提高鋼的熱處理特性，如抗回火特性LSiαAlSi第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二31第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二325.4第二相強化第二相相：特定成分、特定晶體結(jié)構(gòu)組織：幾種相構(gòu)成如珠光體組織形成途徑：凝固；共析轉(zhuǎn)變；時效；復(fù)合材料AlSiLSiααFe3C珠光體組織第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二33第二相分類1）彌散分布和大塊聚集2）不可變形和可變形

不可變形的第二相，位錯只能繞過它運動?！坝蚕唷?可變形的第二相，位錯可以切過?！败浵唷?/p>

第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二34彌散質(zhì)點強化1）切過型第二相－基體界面增大；第二相有序結(jié)構(gòu)破壞；第二相變形需要能量強化效果：第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二352）繞過型位錯線彎曲成半圓時需要的應(yīng)力最大，強化效應(yīng)：質(zhì)點周圍位錯增多后，有效dT減小形成的位錯塞積對后續(xù)的位錯產(chǎn)生阻礙第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二36彌散強化的效果都與質(zhì)點間距成反比彌散度提高——強化效果增大Al－4.5Cu合金 欠時效：GP區(qū)（θ”）

Cu在Al中的“叢聚”狀態(tài)；共格；納米尺寸； 彌散分布；“軟相”，可以切過 峰時效：θ”＋θ’

Cu與Al的原子比趨向于1：2，半共格； 尺寸增大；彌散度稍微降低；根據(jù)尺寸介于“硬相”和“軟相”之間。 過時效：θ

成為CuAl2化合物；非共格；尺寸長大；彌散度低；屬于“硬相”欠過峰時間硬度第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二37大塊聚集型強化11：等應(yīng)變狀態(tài)22：等應(yīng)力狀態(tài)面積為S；基體含量為f1，第二相含量為f2假設(shè)處于彈性狀態(tài)1122f1f2第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二38E1E201Eσ1σ201σ1122f1f2f2f2第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二39E1E201Eσ1σ201σ等應(yīng)力條件下（11方向）比等應(yīng)變條件下（22方向）更能發(fā)揮第二相的強化效果！1122第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二405.5形變強化或稱形變硬化，加工硬化

1、意義

（1）形變強化和塑性變形適當(dāng)配合，可使金屬進(jìn)行均勻塑性形變。

（2）使構(gòu)件具有一定的抗偶然過載能力。

（3）強化金屬，提高力學(xué)性能。

（4）提高低碳鋼的切削加工性能。

第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二412、形變強化機(jī)理（1）三種單晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線面心立方（銅）體心立方（鈮）密排六方（鎂）

單晶金屬加工硬化曲線aedcbfg1、面心立方金屬形變強化能力遠(yuǎn)大于其它金屬2、隨應(yīng)變增大，面心立方金屬經(jīng)歷弱的形變強化階段后，發(fā)生強的形變強化，隨后形變強化能力減弱3、體心立方金屬和密排六方金屬初始弱形變強化階段長度大于面心立方金屬第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二42（2）形變強化機(jī)理（單晶體）

a）易滑移階段：單系滑移

hcp金屬（Mg、Zn） 不能產(chǎn)生多系滑移， ∴易滑移段長。

b）線性硬化階段：多系滑移

位借交互作用，形成割階、面角位錯、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯運動的阻力增大。（fcc，bcc，hcp）

c）拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移（刃型位錯不能產(chǎn)生交滑移）

多晶體，一開動便是多系滑移，∴無易滑移階段。面心立方金屬典型加工硬化曲線強弱第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二433、形變強化指數(shù)

Hollomon關(guān)系式：

S=ken

（真應(yīng)力與真應(yīng)變之間的關(guān)系）

n—形變強化指數(shù)；k—硬化系數(shù) 形變強化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性 變形的能力。

n=1，理想彈性體; n=0，材料無硬化能力。層錯能低的材料形變硬化程度大；如高M(jìn)n鋼（Mn13），層錯能力低∴n大

形變強化指數(shù)，用直線作圖法求得：logS＝logk＋nloge第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二44形變強化與頸縮——產(chǎn)生頸縮——應(yīng)變集中到頸縮區(qū)域——頸縮區(qū)域由于形變強化，屈服強度提高（而沒有頸縮區(qū)域屈服強度不變）——變形轉(zhuǎn)移到頸縮區(qū)域以外——頸縮受到抑制形變強化指數(shù)越大，材料越不容易發(fā)生頸縮，此時容易發(fā)生“超塑性” 超塑性：塑性應(yīng)變超過100％第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二45形變強化的幾個途徑 位錯密度提高是形變強化的前提1）變形協(xié)調(diào)位錯第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二462）F－R位錯源bS12第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二473）位錯之間的相互作用位錯與同號位錯之間的斥力作用位錯之間的交互作用形成割階平行/垂直位錯之間的交互作用： 作用力正比于位錯密度的1/2 ——位錯密度增大，位錯交互作用增大

——位錯運動阻力增大

——強化第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二485形變強化與材料組織之間的關(guān)系固溶