金屬材料的強化

1、第三章第三章 金屬材料的強化金屬材料的強化一、金屬材料的基本強化途徑一、金屬材料的基本強化途徑1、離子晶體和共價晶體的應力與應變關系、離子晶體和共價晶體的應力與應變關系應變應變應力應力離子晶體和共價晶體離子晶體和共價晶體的應力與應變關系的應力與應變關系l 許多離子晶體和共價晶體受力后直到斷裂，其變形都屬于彈性變形；l 幾乎沒有塑性變形，l 這些材料的沖擊功很?。籰 應用受到極大的限制（如陶瓷Al2O3、ZrO2、Si3N4等）。2、金屬材料的應力與應變關系、金屬材料的應力與應變關系l 它在斷裂前通常有大量塑性變形；l 實驗證明：這種變形是晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面與晶向的相對滑動。%

2、100001llla.表示兩個相鄰的滑表示兩個相鄰的滑移面受切應力作用移面受切應力作用b.表示滑移的一個過表示滑移的一個過渡態(tài)（或亞穩(wěn)態(tài)）渡態(tài)（或亞穩(wěn)態(tài)）c.表示經(jīng)過表示經(jīng)過b.態(tài)到達態(tài)到達另一個穩(wěn)定態(tài)另一個穩(wěn)定態(tài)3、晶體屈服強度的估算、晶體屈服強度的估算 假定晶體的滑移是剛性（整體）的，根據(jù)塑性變形是由某些晶面相對滑動的事實，可以估算出晶體的屈服強度：l 晶體從一穩(wěn)定狀態(tài)a，經(jīng)過亞穩(wěn)狀態(tài)b，到達另一穩(wěn)定狀態(tài)c，這樣一個滑動的結果使晶面相對滑動了一個原子距離;l 亞穩(wěn)狀態(tài)b時，兩晶面的相對切應變=a/2a=1/2;l 當所加切應力使兩晶面切應變到達此值后，晶面就能自動地滑到最終的穩(wěn)定態(tài)。根據(jù)虎

3、克定律，要發(fā)生=1/2切應變所需的切應力為： =G=G/2 如果把晶面能發(fā)生相對滑動的最小切應力作為屈服強度的估算，那么屈服強度大約為切變模量的一半。 但是，實際上，晶體滑移臨界應力只是10-310-4G,因此，實際的屈服強度是理論估算的10-3 10-4倍。 舉例：使銅單晶剛性滑移的最小切應力（計算值）為1540MPa, 而實際測定值僅為1MPa。l 各種金屬的這種理論強度與實際測定值均相差34個數(shù)量級；l 這兩者的巨大差異，不能否定晶體滑移的事實（因為是實驗結果?。籰 迫使人們?nèi)ヌ角缶w滑移的微觀機理問題，即金屬晶體滑移的機理是什么？；l 20世紀20年代，泰勒等人提出的位錯理論解釋了這

4、種差異。3、金屬材料滑移（塑性變形）的微觀機理是存在位金屬材料滑移（塑性變形）的微觀機理是存在位錯運動錯運動（1）位錯是實際晶體中存在的真實缺陷，現(xiàn)在可以直接利用高分辨透射電鏡觀察，如下圖所示，右邊是一個位錯模型。（2）下圖分別表示一刃型位錯與一螺型位錯參與滑移過程；（3）位錯在力的作用下向右的滑移，最終移出表面而消失。由于只需沿滑移面AA改變近鄰原子的位置即可實現(xiàn)滑移，因此，所需的力很小，上述過程很易進行。 TEM下觀察到的位錯下觀察到的位錯 位錯模型位錯模型正刃型位錯引起滑移刃型位錯線刃型位錯線負刃型位錯引起滑移左螺型位錯引起滑移螺型位錯線螺型位錯線右螺型位錯引起滑移4、金屬中位錯數(shù)量與強

5、度的關系、金屬中位錯數(shù)量與強度的關系l 由上述的分析可知，金屬晶體中的位錯數(shù)量愈少，則其強度愈高； 舉例：現(xiàn)在已經(jīng)能制造出位錯數(shù)量極少的金屬晶體，其實測強度值接近理論強度值。這種晶體的直徑在1m數(shù)量級，稱之為晶須晶須。l 由位錯參與塑性變形過程似乎可以得到另一結論，即金屬中位錯愈多，滑移過程愈易于進行，其強度也愈低。事實并不是這樣，如下圖所示。 位錯和其它畸變的密度位錯和其它畸變的密度金屬材料的強度金屬材料的強度理論強度理論強度晶須強度晶須強度實際金屬強度實際金屬強度純金屬純金屬強化金屬強化金屬l 可見，僅僅是在位錯密度增加的初期，金屬的實際強度下降；l 位錯密度繼續(xù)增大，則金屬晶體的強度又上

6、升。 這是因為位錯密度繼續(xù)增加時，位錯之間會產(chǎn)生相互作用：1）應力場引起的阻力，如位錯塞積位錯塞積，當大量位錯從一個位錯源中產(chǎn)生并且在某個強障礙（晶界、析出物等）面前停止的時候就構成了位錯的塞積；2）位錯交截所產(chǎn)生的阻力；3）形成割階割階引起的阻力（兩個不平行柏氏矢量的位錯在交截過程中在一位錯上產(chǎn)生短位錯）；4）割階運動引起的阻力。 5、流變應力、流變應力l 金屬受力變形達到斷裂之前，其最大強度由兩部分構成：（1）一是未變形金屬的流變應力流變應力l，即宏觀上為產(chǎn)生微量塑性變形所需要的應力。 流變應力的大小決定于位錯的易動性：1）晶體內(nèi)部滑移面上的位錯源越容易動作；2）運動位錯在掃過晶體滑移面時

7、所受的阻力越小，則流變應力越低。 (2) 其二是因應變硬化產(chǎn)生的附加強度，它由塑性變形過程中應變硬化速率 和塑性變形量 來決定。所以，在斷裂前的最大強度大致可按下式計算：ddlffldddl)(maxl 工程結構材料主要是在彈性范圍內(nèi)使用的，因此，在構件的設計和使用中，流變應力的重要性更為突出；l 流變應力的組成 對流變應力有貢獻的阻力主要是兩類：1）抑制位錯源開動的應力，稱之源硬化源硬化。2）前面談到的阻力是位錯開始運動之后才起作用的，對位錯的運動起著妨礙的作用，稱為摩擦阻力摩擦阻力。l 提高流變應力的方法 為了提高含有位錯的晶體的流變應力所做的種種努力不外就是通過各種手段來增加這兩類阻力增

8、加這兩類阻力。 l 強化金屬材料的思路強化金屬材料的思路1）點陣阻力： 移動位錯使它從一個平衡位置滑移到下一個平衡位置之間的位壘所需的力，也就是在完整晶體中運動時所受的摩擦阻力；2）點陣阻力對組織不敏感，它的大小主要決定于鍵合強度和點陣類型，其中共價鍵的點陣阻力最高，所以在諸如硅，金剛石之類的晶體中，點陣阻力構成了位錯運動的主要障礙；3）對于金屬鍵結合的晶體，它的點陣阻力很小，不足以構成對位錯運動的主要妨礙，在考慮流變應力時可以把這個因素忽略的；4）除點陣阻力外，金屬材料中位錯運動阻力是隨組織的變化而大幅度變化的。一切合金化、加工和熱處理所引起的流變應力的提高主要是依靠對組織敏感的阻力的變化來

9、實現(xiàn)的。l 提高金屬材料強度的方法是阻止金屬晶體中位錯提高金屬材料強度的方法是阻止金屬晶體中位錯的運動的運動1）在工業(yè)上尚不能制得大尺寸的、接近于理論強度的、無缺陷完整晶體；只能制晶須，但它性能不穩(wěn)定，存在一定數(shù)量位錯時其強度急劇下降。2）設法改變合金的鍵合類型，從而提高金屬晶體內(nèi)的點陣阻力，使位錯的運動增加困難；（沒有采沒有采用）用）3）設法在金屬中引入大量的晶體缺陷，大大增加設法在金屬中引入大量的晶體缺陷，大大增加位錯之間、位錯和其它晶體缺陷之間的交互作用，位錯之間、位錯和其它晶體缺陷之間的交互作用，從而阻礙位錯的運動，導致金屬抗變形能力被大大從而阻礙位錯的運動，導致金屬抗變形能力被大大提

10、高提高 這是通常強化的思路和方法這是通常強化的思路和方法。二、形變強化二、形變強化 舉例1：高強度冷拔鋼絲，它是工業(yè)上強度最高的鋼鐵制品，抗拉強度可以達到4000MPa, 這就是用強烈冷變形的方法取得的。 舉例2：下圖為冷變形對工業(yè)純銅性能的影響，隨變形量增大，銅的屈服強度與抗拉強度提高，而塑性下降。工程應變工程應變工程應力工程應力s ss s工程應變工程應變(Strain)(Stress)強度提高強度提高s純銅材料（純銅材料（Cu)工程力學工程力學l 從上述的現(xiàn)象中，說明形變可以強化金屬；它是對金屬材料常用的方法；l 適用對象是不再經(jīng)受熱處理并且使用溫度遠低于再結晶溫度的金屬材料；l 強化的

11、原因強化的原因：在冷變形過程中，金屬內(nèi)位錯密度增加，位錯之間的交互作用加劇，位錯運動阻力增大，從而導致金屬的強度、硬度增加。這種現(xiàn)象稱為形變強化或加工硬化。形變強化的本質在于，形變造成位錯的大量增殖，位錯之間的交互作用導致其運動愈加困難，從而使金屬強度增加。 家庭作業(yè)家庭作業(yè)：（1）冷變形金屬的組織特點？三、固溶強化三、固溶強化1、固溶強化的一般規(guī)律 異類原子加入純金屬基體中構成固溶體后，其靜強度行為可概括為：l 在應力應變圖上，合金的流變應力以及整個應力應變曲線都向上提升，合金的應變強化能力一般比純金屬要高。固溶體固溶體純金屬純金屬應變應變應應力力合金的應變強合金的應變強化能力比純金化能力比

12、純金屬要高屬要高l 在一般的稀固溶體中，流變（屈服）應力隨溶質濃度的變化可以用下式表示： 式中：-合金的流變應力； 0純金屬的流變應力； c-溶質的原子濃度； k、m-常數(shù)，決定于基體和合金元素性質。l 在同一基體中，不同溶質元素溶解度的大小溶解度的大小鮮明地反映出它們強化效果的差異。在相同的濃度下，強度的增加是隨溶質元素溶解度的倒數(shù)成正比。 mkc0如果進一步分析，就會了解到溶質和溶劑兩元素原子尺寸的不同，化學性質的差異，電學性質的區(qū)別等因素將直接地從本質上影響（溶解度）固溶體的強度。l 固溶造成強化的簡單解釋固溶造成強化的簡單解釋1）假定溶質原子在固溶體中是理想均勻分布的；2）由于兩類原子

13、在尺寸、化學性質、電學性質等方面的差異，在點陣中任何一個溶質原子的周圍都存在彈性應力場； 3）位錯在通過這種具有內(nèi)應力場的晶體點陣的時候自然需要克服更大的阻力。l 溶質原子在固溶體中的分布是不均勻的1）實驗現(xiàn)象（如屈服現(xiàn)象）用溶質原子均勻分布模型無法解釋；2） A-AA-BB-Baaaaabbb溶質原子B加入溶劑中，由于兩種原子之間的鍵合力與相互之間的鍵合力不一樣，就會產(chǎn)生局部偏聚偏聚和有序有序的現(xiàn)象。3）實際晶體中存在著大量點陣缺陷、晶界和亞晶界、層錯、位錯等。這些缺陷影響所及的區(qū)域都是高能區(qū)域，為了降低系統(tǒng)的能量，溶質原子有可能優(yōu)先分布在點陣缺陷的附近，形成晶界的內(nèi)吸附和位錯周圍的原子氣團

14、。l 全面解釋固溶強化的原因全面解釋固溶強化的原因（1）因溶劑和溶質原子的尺寸差異而在固溶體內(nèi)引起的彈性應力場。它除了增加位錯運動的摩擦阻力外，在“稀”的固溶體中突出地表現(xiàn)在對位錯的釘扎作用上（溶質原子會在位錯周圍形成原子氣團，這種氣團將能產(chǎn)生與屈服現(xiàn)象有關的一系列效應，就象我們在低碳鋼變形時常?？吹降哪菢樱?。（2）由于溶質原子的溶入，合金的彈性模量會發(fā)生變化，特別是在位錯的周圍形成原子氣團之后，彈性常數(shù)的變化使位錯應力場也發(fā)生變化，從而會引起位錯和溶質原子間更大的交互作用能；（3）電子濃度因素：電子濃度因素：電子對應力場同樣是敏感的。在有彈性應力場的晶體缺陷區(qū)域電子會較多地集中到張應力地段，

15、這樣就產(chǎn)生了電偶極子的作用，溶質原子與帶電荷的位錯區(qū)域之間就有電交互作用，從而促使溶質更傾向于在位錯的周圍偏聚； （4）層錯能比較低的晶體點陣中存在有堆垛層錯，堆垛層錯的結構與基體并不相同。異類原子溶入某基體后，除了層錯能大小會變化，層錯區(qū)的寬窄也跟著伸縮，從而使擴張位錯的分解或合成所需的外力也要變化外，溶質原子在層錯區(qū)和基體的溶解度是不一樣的。晶體發(fā)生塑性變形時，當擴張位錯沿滑移面平移的時候，以及它分解、合成、交集的時候，上述濃度的差異并不能和擴張位錯的運動作同步的變化。由于塑性變形破壞了這種熱力學的平衡，所以位錯的運動同樣要求外界提供更大的能量。 5）結構因素：）結構因素：無論是短程有序的

16、還是偏聚狀態(tài)的固溶體，在塑性變形的同時，其有序區(qū)域或偏聚區(qū)域將遭到破壞。引起這種穩(wěn)定狀態(tài)破壞的塑性變形是要付出更多的能量作為代價的。思考題: 何謂何謂“屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象”？為什么低碳鋼在變形時？為什么低碳鋼在變形時會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？l 低碳鋼經(jīng)過退火后，位錯受到強烈釘扎，位錯密度也比較少；l 為了以一定的速度實現(xiàn)變形（變形速率），就需要位錯有較高的運動速率，這就要求運動位錯受 較大的外力來保證。（運動位錯的速度與所受力有一關系式）；l外力作用下位錯大量脫釘和增殖時，位錯密度就陡然增加；l若變形d/dt恒定，外應力將不得不減小，以使位錯運動速度降低；l這就是屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的理由。四、

17、分散強化（沉淀強化）四、分散強化（沉淀強化）舉例：沉淀強化的例子鋁-銅合金的時效 時效時間，天時效時間，天硬硬度，度，HV時效溫度時效溫度部分鋁部分鋁- -銅相圖銅相圖1、在各種工業(yè)部門（特別是航空工業(yè)）中，高強度鋁合金已經(jīng)得到廣泛的應用。以鋁為基的材料取得高強度的基本途徑之一是依靠鋁的過飽和固溶體的時效硬化。 Al-0.4wt%Cu合金是通過時效處理時效處理獲得彌散強化效果的典型例子。 時效處理經(jīng)過三個步驟：l固溶，首先將合金加熱到溶解度曲線以上的單相區(qū)，以獲得均勻的固溶體；l 急冷。在固溶溫度，合金中只含相。將其急冷至室溫時，原子沒有足夠的時間擴散至其潛在的形核位置，因而相無法形成。急冷后

18、，合金中依然只含相，此時，相中的含銅量大大超過其溶解度，是一種過飽和固溶體。這是一種非平衡結構。l 時效。時效。將過飽和的相加熱到低于溶解度曲線的某一溫度進行保溫，這一溫度即為時效溫度。在平衡相相形成之前，非平衡相GP區(qū)和會形成。它們與基體是共格的。共格析出相原子面與基體原子面是連續(xù)過渡的，基體晶格在很大區(qū)域中發(fā)生畸變。當位錯移動時，即使經(jīng)過共格析出相的附近區(qū)域，也會大大受阻。從而產(chǎn)生強化。最后產(chǎn)生平衡相，仍有強化效果。2、基本規(guī)律、基本規(guī)律 l 合金組織中如果含有一定數(shù)量的分散的異相粒子，它的強度往往會有很大的提高；l 我們將這種由于第二相分散質點造成的強化過程統(tǒng)稱為分散強化分散強化;l 應

19、用應用: 就是鋼中的碳化物對鋼性能的影響。隨著含碳量的提高，熱軋鋼材的抗拉強度由10號鋼的300MPa提高到共析鋼800MPa的數(shù)值;l 分散強化的工藝分散強化的工藝(如何來實現(xiàn)?) 為了要在某種金屬基體中摻入另一個分散相,主要的工藝為:一為熱處理手段熱處理手段，利用合金中的相變來產(chǎn)生第二相，例如鋼在共析分解反應時析出碳化物相，合金時效時產(chǎn)生沉淀等；二為用粉末冶金粉末冶金的方法人為地加入分散的第二相。 1) 產(chǎn)生彌散強化的第二相一般是基體金屬的氧化物、氮化物、碳化物或金屬間化合物，都是穩(wěn)定的化合物。在彌散強化合金中，彌散相和基體并沒有共格關系，兩相相互溶解的能力也很差，借助于彌散強化達到高強度

20、的材料往往是熱穩(wěn)定的，在熱強材料的研究中這是一個很值得推薦的手段。2) 但時效強化合金就不是這樣，對這類合金的最基本要求是合金系統(tǒng)必需具備隨著溫度的上升溶解度大幅度增加的相圖，而合金成分又必需處在這樣的溶解度變化曲線之內(nèi)。3) 無論采用哪種辦法制備成的分散強化材料，在組織中的第二相總是以細小顆粒的形式分散分布在塑性基體之中。 3、強化機理、強化機理增加的相界面1) 切斷 這種情形多數(shù)出現(xiàn)在質點與基體仍然存在著共格聯(lián)系的情況下;l 增加表面能;當一個大小為b的位錯通過質點后,在質點兩邊增加表面;l質點的彈性模量大于基體,因而位錯切過質點后需要附加的能量;l相界面的彈性應力場也是位錯前進的阻力;2

21、)繞過: 當質點長大到其尺寸已經(jīng)使位錯難以借切斷的方式通過的時候,位錯就只能用繞過的方式前進了。此時，一般質點與基體沒有共格聯(lián)系。當質點較大時，位錯采取繞過機制越過質點當質點較大時，位錯采取繞過機制越過質點思考題思考題1、如何理解金屬的塑性變形與強化這對概念？2、固溶強化的原因？3、應變強化的原因？4、分散強化的原因？五、晶界強化五、晶界強化（細晶強化）1、晶界的定義 1）晶界存在于多晶體中，指周期性排列的點陣的取向發(fā)生突然轉折的區(qū)域；2）根據(jù)點陣取向的突變程度不同和轉折區(qū)域構造的差異，一般分為大角度晶界和小角度晶界大角度晶界和小角度晶界；3）對于純金屬多晶體中大角晶界的厚度大約為幾個原子間距

22、，但含有異類原子的合金的晶界厚度則大得多。 2、晶界強化的現(xiàn)象、晶界強化的現(xiàn)象 左圖為僅由兩個晶粒構成的試樣，在經(jīng)過拉伸變形后會出現(xiàn)明顯的“竹節(jié)竹節(jié)”現(xiàn)象現(xiàn)象，即試樣在遠離夾頭和晶粒中部出現(xiàn)明顯的頸縮，而在晶界附近則難以變形。 l由于晶界附近為兩晶粒晶格位向的過渡之處，由于晶界附近為兩晶粒晶格位向的過渡之處，原子排列紊亂；原子排列紊亂；l晶界處的雜質原子較多，增大了晶格畸變；晶界處的雜質原子較多，增大了晶格畸變；l因而位錯在晶界附近的滑移阻力大，故難以因而位錯在晶界附近的滑移阻力大，故難以發(fā)生變形。發(fā)生變形。3、晶界強化的原因、晶界強化的原因1）由于晶界兩邊的晶粒取向不同，滑移一般難以從一個晶

23、粒直接傳播到取向有差異的另一個晶粒上；2）但多晶體變形必須滿足連續(xù)性條件（以保持各晶粒之間微觀的連續(xù)性），為了使鄰近的晶粒也發(fā)生滑移，就必須外加以更大的力，因此，晶界就是滑移的障礙；3）也說明晶界阻礙變形的能力并不是晶界自身擁有很高的強度；4）在金屬強化中，大角度晶界起的作用是主要的。4、霍爾、霍爾培奇培奇(HallPetch)公式公式1） 晶界是位錯運動的障礙，因而晶粒愈細小，晶界的總面積愈大，位錯的運動愈困難，材料的強度也就愈高。2）HallPetch根據(jù)這一觀點總結出金屬屈服強度（流變強度、疲勞強度等）與晶粒大小的關系式： ky是與材料有關、與晶粒大小無關的常數(shù)；d為晶粒直徑；i是位錯在單晶體中運動時的摩擦阻力，它與晶粒大小無關。 21dkyisl 由上式可知，多晶體的強度高于單晶體；晶粒愈細，強度愈高。l HallPetch公式是一應用很廣的關系