材料的強化與韌化

關于材料的強化與韌化第1頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五強韌化意義提高材料的強度和韌性；節(jié)約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和延長服役壽命；希望所使用的材料既有足夠的強度，又有較好的韌性，通常的材料二者不可兼得；理解材料強韌化機理，掌握材料強韌化現(xiàn)象的物理本質(zhì)，是合理運用和發(fā)展材料強韌化方法從而挖掘材料性能潛力的基礎。第2頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五強度：材料抵抗變形和斷裂的能力材料強度缺陷數(shù)量冷加工狀態(tài)退火狀態(tài)無缺陷的理論強度材料強度與缺陷數(shù)量的關系增加材料內(nèi)部的缺陷，提高強度，如形變，固溶，細化晶粒，第二相粒子。提高強度的方法：完全消除內(nèi)部的缺陷，使它的強度接近于理論強度；第3頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五3.1金屬及合金的強化與韌化純金屬合金細晶強化細晶強化形變強化形變強化固溶強化彌散強化沉淀強化第二相強化纖維強化界面強化形變熱處理強化、相變強化第4頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五

它不是工業(yè)上廣泛應用的強化方法，它受到兩個限制：使用溫度不能太高，否則由于退火效應，金屬會軟化；由于硬化會引起金屬脆化，對于本來就很脆的金屬，一般不宜利用形變強化來提高強度性能。一、形變強化第5頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五二、固溶強化固溶方式：間隙固溶、置換固溶固溶強化：在純金屬中加入溶質(zhì)元素，形成固溶合金或多相合金，將顯著提高屈服強度。固溶強化的影響因素：溶質(zhì)原子含量越多，強化效果越好；（但固溶是有限的）溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強化效果越好；溶劑與溶質(zhì)原子價電子數(shù)差越大，強化效果越好；間隙式溶質(zhì)原子的強化效果高于置換式溶質(zhì)原子。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五固溶強化機制固溶造成晶格的畸變，固溶強化的微觀機理是溶質(zhì)原子和位錯交互作用的結(jié)果。

彈性交互作用、化學作用、電化學作用、有序化作用溶質(zhì)原子可以是均勻不規(guī)則地分布在基體中，也可以偏聚到位錯周圍形成各種氣團，這兩種情況都可以使金屬材料的基體造成強化。均勻強化非均勻強化由于固溶度有限或由于合金原子與基體原子的半徑差較小，均勻分布的合金元素的固溶強化效果較小，當溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚時，合金元素與位錯會發(fā)生強的交互作用。第7頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五非均勻固溶強化理論濃度梯度強化Cottrell氣團強化Snoek氣團強化Suzuki氣團強化靜電相互作用強化有序強化第8頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五Cottrell（柯氏）氣團強化:原因：合金元素與位錯之間是彈性交互作用－錯配度交互能：位錯合金元素第9頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五在穩(wěn)定狀態(tài)（U<0）時，位錯周圍合金元素的濃度與其他地方有所不同。圍繞位錯而形成的溶質(zhì)原子聚集物，稱為“柯氏氣團”；若破壞這種狀態(tài)使位錯運動，要增加外力，即提高金屬強度?？率蠚鈭F也稱為合金元素對位錯釘扎作用，氣團的形成不需要很多的溶質(zhì)原子。ε>0ε<0正刃型位錯第10頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五屈服現(xiàn)象、應變時效與Cottrell氣團屈服現(xiàn)象：上下屈服點、呂德斯帶擴展。應變時效：去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200℃加熱后（人工時效）再加載出現(xiàn)屈服。原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。第11頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五思考：呂德斯帶會使低碳鋼在沖壓成型時使工件表面粗糙不平，怎么解決？

根據(jù)應變時效原理，將鋼板在沖壓之前先進行一道微量冷軋（約1％～2％的壓下量）工序，被溶質(zhì)原子釘扎的位錯大部分基本擺脫氣團包圍，使屈服點消除，然后進行沖壓成型；也可向鋼中加入少量Ti，Al與C，N等形成化合物，使之不能有效的釘扎住位錯，消除屈服點。第12頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五馬氏體鋼：當間隙固溶碳量增至0.4%時，硬度為60HRC，ψ約為10%；提高碳含量，wt(C)=1.2%，硬度為68HRC，ψ<5%?？梢婋S著固溶C原子的增加，在提高強度的同時塑性損失較大。一般情況下，固溶強化降低塑性，材料韌性下降。固溶強化舉例第13頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五三、細晶強化與韌化晶界對位錯滑移的阻滯效應，導致一側(cè)晶粒中的滑移帶不能直接進入第二個晶粒；晶界附近產(chǎn)生的位錯塞積群會對晶內(nèi)的位錯源產(chǎn)生一反作用力，此反作用力隨位錯塞積的數(shù)目n而增大。1）細晶強化晶粒越細小，晶界越多，位錯被阻滯的地方就越多，多晶體的強度就越高。第14頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五大量實驗和理論的研究工作證實了晶界處位錯源的存在。Hall-Petch關系式σ0和Ky是兩個和材料有關的常數(shù)（需試驗測定），d為晶粒直徑。第15頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五低碳鋼晶粒與屈服強度的關系第16頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五2）細晶韌化合金經(jīng)細化晶粒后，單位體積內(nèi)的晶界面積上偏析的夾雜物減少，晶界結(jié)合力提高；晶界既是位錯運動的阻力，也是裂紋擴展的障礙。塑性代表的是斷裂（由裂紋擴展引起）時的伸長率，韌性是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。在所有金屬強化方法中，細化晶粒是目前唯一可以做到既提高強度，又改善塑性和韌性的方法。細化晶粒降低材料的韌－脆轉(zhuǎn)變溫度。思考：高溫下使用的材料，能否用細化晶粒來達到增強增韌的目的？第17頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五3）細化晶粒的方法改善結(jié)晶及凝固條件；調(diào)整合金成分，加細化晶粒的元素，如B，Mg，稀土元素等；控制熱處理工藝；采用形變熱處理方法；往復相變細化方法；第18頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五四、第二相強化組成：基體＋第二相位錯和第二相交互作用形成第二相強化，其強化效果比固溶強化更為顯著：①通過相變熱處理（如時效）獲得的，稱為沉淀強化、析出硬化或時效強化；②通過粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得的，稱為彌散強化。強化效果與第二相粒子的強度、體積分數(shù)、間距、粒子形狀和分布等有關，按粒子的大小和形變特性分成：①不易形變的粒子，包括彌散強化的粒子以及沉淀強化的大尺寸粒子；②易形變的粒子，如沉淀強化的小尺寸粒子。第19頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五1）沉淀強化沉淀強化：金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子產(chǎn)生偏聚和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而產(chǎn)生的一種強化。要求：溶質(zhì)原子在基體中的溶解度隨溫度而變化，高溫時第二相溶于基體中，低溫時則析出第二相。獲得方法：先高溫固溶，再急冷形成過飽和固溶體，最后時效析出第二相；第二相與基體結(jié)合較牢固，強化效果與第二相的形狀、數(shù)量、大小及分布等有關；沉淀強化受溫度影響。第20頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五2）彌散強化用粉末冶金法，向基體金屬中加入金屬氧化物、氮化物、碳化物等強化相粒子（第二相），并使這類粒子在基體中高度彌散分布來強化合金；特點：低溫下與基體結(jié)合力較弱，強化效果不高；高溫下第二相穩(wěn)定，高溫強化效果好；第二相彌散強化常用物質(zhì)：Y2O3，Al2O3，ThO2第21頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五3）第二相強化理論第二相成分、性質(zhì)及大小不同，強化理論不同。強化理論：共格應變強化理論、Orowan繞過強化機制、位錯切過第二相強化理論、間接強化機制。對具體合金，含有一種或幾種強化理論。第22頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五Orowan（奧羅萬）強化機制定義：位錯線繞過不易形變的粒子沉淀強化合金中當析出相到一定尺寸的時候，運動位錯接近它們時，只能繞過它們。像鋼中的碳化物、氮化物一般都是不可變形的。彌散強化合金中的第二相粒子硬度高，采用繞過機制。第23頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五Orowan公式：使位錯線繼續(xù)運動的臨界切應力的大小為f越大，粒子半徑r減小，強化效應越好常數(shù)α對刃型位錯是0.093，對螺型位錯是0.14；f是粒子的體積分數(shù)，r為第二相粒子半徑。第24頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五位錯切過第二相強度理論條件：第二相粒子與基體有公共的滑移面，與基體保持共格或半共格；第二相與基體的柏氏矢量相差很小，或基體中的全位錯為析出相的半位錯；第二相強度不能太高，可與基體一起變形Ni-19%Cr-6%Al合金中位錯切過Ni3Al粒子的TEM照片沉淀強化型合金符合以上條件第25頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五位錯切過第二相的強化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系，主要有以下幾方面的作用：位錯切過粒子后產(chǎn)生新的界面，提高了界面能。若共格的粒子是一種有序結(jié)構，位錯切過之后，沿滑移面產(chǎn)生反相疇（位錯掃過有序結(jié)構時形成的錯排面），使位錯切過粒子時需要附加應力。粒子點陣常數(shù)與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生共格畸變，存在彈性應變場，阻礙位錯運動。在Ni(○)Al(●)基體中，全位錯切割有序Ni3Al粒子產(chǎn)生反相疇界第26頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五為克服界面能，應增加的臨界切應力為：是界面能，f為第二相體積分數(shù)，r為第二相平均半徑；對共格析出物，一般共格界面能為（10～30）×10-7J/cm2；反相疇界面能約為（100～300）×10-7J/cm2，遠大于共格界面能，增加的臨界切應力為：共格畸變，由長程交互作用引起的臨界切應力的增量為：第27頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五綜合考慮切過、繞過兩種機制，估算出第二相粒子強化的最佳粒子半徑（對沉淀強化型合金）：熱處理工藝?。。〉?8頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五4）第二相強化對合金塑性和韌性的影響第二相的性質(zhì)（如脆性相或韌性相）、含量、大小、分布、形狀及與基體結(jié)合強弱等都影響材料的塑性和韌性。第29頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五強化作用的疊加（綜合強化）疊加模型：s=

1+固溶+沉淀（彌散）+Kyd-1/2如：提高鋼強度最重要的工藝是淬火和隨后的回火，其中包括四種強化機制。要在提高強度的同時，又能改善韌性，降低脆性，可從三方面著手：一、改善合金的化學成分和冶煉生產(chǎn)方法，去除或固定對韌性不利的有害因素；二、獲得可達到最佳韌性的顯微組織和相分布；三、細化顯微組織，細化晶粒。第30頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五3.2陶瓷材料的強化與韌化1、陶瓷材料的力學性能特點：陶瓷材料強化研究不如金屬材料深入；通常金屬材料強度提高，塑性往往下降，韌性也隨之降低；而陶瓷材料強度提高，斷裂韌性也隨之增大，所以陶瓷材料的增韌常常與增強聯(lián)系在一起。強度（斷裂強度）高，硬度大，E大，共價鍵具有方向性，難以發(fā)生位錯的運動與增殖，易發(fā)生脆性斷裂，即強度較高、韌性差。第31頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五（1）組織缺陷先在的缺陷、裂紋等（2）微觀組織結(jié)構氣孔率、晶粒尺寸、晶粒形狀、晶界相、第二相、不同相的熱膨脹系數(shù)差異等。（3）溫度較低溫度下，溫度對陶瓷材料的強度影響不大，仍然是脆性斷裂；在較高溫度下，材料在發(fā)生斷裂前出現(xiàn)少量的微塑性變形。2、影響強度的因素第32頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分，星期五3、陶瓷材料的韌化(1)相變增韌Garvie應力誘導相變增韌過程：四方t-ZrO2→單斜m-ZrO2

，產(chǎn)生體積膨脹形成相變區(qū)。產(chǎn)生的相變應力反作用于裂紋尖端，減緩或完全抑制了裂紋的擴展，從而提高斷裂韌性。Al2O3/ZrO2是典型的相變增韌陶瓷t-ZrO2m-ZrO2裂紋相變區(qū)第33頁，共35頁，2022年，5月20日，1點25分