材料的力學(xué)性能3

3、材料的強(qiáng)化與韌化

RAL金屬材料的主要失效形式：過量彈性變形；過量塑性變形；斷裂；磨損；腐蝕。強(qiáng)度和韌性：是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。為了有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，必須對材料的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多組分設(shè)計，包括材料組分、微結(jié)構(gòu)、界面性能和材料制備工藝等。

3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化強(qiáng)化方法按實(shí)現(xiàn)工藝：加工硬化、熱處理、TMCP、合金化按強(qiáng)化機(jī)制：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等

RAL3.1.1均勻強(qiáng)化3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL由于溶質(zhì)原子與位錯線的相互作用不同，位錯線的運(yùn)動方式有兩種：(a)相互作用強(qiáng)時，位錯線便“感到”溶質(zhì)原子分布較密；(b)為相互作用弱時，位錯線便“感到”溶質(zhì)原子分布較疏。若以l和L分別表示兩種情況下可以獨(dú)立滑移的位錯段平均長度，F(xiàn)為溶質(zhì)原子沿滑移方向作用在位錯線上的阻力，則使位錯運(yùn)動所需的切應(yīng)力可表示為τ=F/bl或τ=F/bL從表面上看，因?yàn)殚g隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對稱性低，屬于(a)；置換式固溶所引起的晶格畸變小，對稱性高，屬于(b)。但事實(shí)上，間隙式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先與缺陷相結(jié)合，所以已不屬于均勻強(qiáng)化的范疇。

3.1.2非均勻強(qiáng)化由于合金元素與位錯的強(qiáng)交互作用，使得在晶體生長過程中位錯密度大大提高，使之結(jié)構(gòu)與純金屬不同——非均勻強(qiáng)化的部分原因。非均勻強(qiáng)化類型：

濃度梯度強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化靜電相互作用強(qiáng)化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化有序強(qiáng)化3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化濃度梯度強(qiáng)化晶格常數(shù)相互作用：溶質(zhì)元素分布存在梯度→晶格常數(shù)存在梯度→提高位錯運(yùn)動阻力;彈性模量相互作用：溶質(zhì)元素分布存在梯度→彈性模量不是常數(shù)→提高位錯運(yùn)動阻力;合金元素與位錯間的彈性交互作用:存在合金元素分布梯度時的Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化.3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化合金元素與位錯之間存在交互作用-移至位錯線附近-形成氣團(tuán)。位錯周圍合金元素的濃度與其他地方有所不同。由于這是一種穩(wěn)定狀態(tài)，若破壞這種狀態(tài)，即位錯運(yùn)動時，只有增加外力才可能，故可以提高金屬強(qiáng)度。3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化形成Cottrell氣團(tuán)不需要很多的溶質(zhì)原子。濃氣團(tuán)：這種在位錯線張應(yīng)力區(qū)（如正刃型位錯，垂直于紙面一條位錯)下邊有一條間隙原子線，稱為Cottrell氣團(tuán)的濃氣團(tuán)，即Cottrell氣團(tuán)變成飽和狀態(tài)。這種濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果大，并且受溫度影響比較小。

稀氣團(tuán)：當(dāng)間隙原子(如C，N)在位錯張應(yīng)力區(qū)(如正刃型位錯下邊)呈Maxwell－Boltzmann分布時，換言之，位錯線張應(yīng)力區(qū)間隙原子濃度比較小，但比平均濃度高，這種狀態(tài)稱為稀氣團(tuán)。這種狀態(tài)強(qiáng)化效果比濃氣團(tuán)強(qiáng)化效果差，并且受溫度影響比較大。3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化

動態(tài)應(yīng)變時效為應(yīng)變時效的一種特殊情況，此時，可以認(rèn)為塑性降低和低的應(yīng)變速率敏感性，這種鋸齒形曲線系因試樣在試驗(yàn)中重復(fù)的屈服和時效引。換言之，此種條件下作為形成Cottrell氣團(tuán)的C，N原子的擴(kuò)散速度與位錯線的運(yùn)動速度相近，從而使得Cottrell氣團(tuán)在應(yīng)變中不斷形成與位錯線掙脫C，N原子的釘扎，故在應(yīng)力－應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出鋸齒形。

3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL應(yīng)變時效3.1.2非均勻強(qiáng)化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化體心立方金屬中，間隙原子分布在八面體間隙位置。當(dāng)有外力作用時，應(yīng)變能較大的間隙原子將到應(yīng)變能較小的位置上，以降低系統(tǒng)能量——局部有序化。強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，而與溶質(zhì)濃度成正比。常溫下，對位錯的釘扎雖然不亞于Cottrell氣團(tuán)，但溶質(zhì)原子這種短程的動態(tài)有序，當(dāng)形變溫度較高時，由于有序化太快，其作用也就不顯著了。形變速度過大時，亦如此。3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化靜電相互作用強(qiáng)化

刃型位錯的靜電作用如同一串電偶極子，溶質(zhì)原子與刃型位錯存在靜電交互作用；螺型位錯中心帶有負(fù)電荷，溶質(zhì)原子與螺型位錯也存在靜電交互作用.3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化

RAL3.1.2非均勻強(qiáng)化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化面心立方金屬中，一個滑移的全位錯可以分解為兩個不全位錯，形成層錯。為保持熱平衡，層錯區(qū)和基體部分溶質(zhì)原子濃度不同，起著阻礙位錯運(yùn)動的作用。已滑移區(qū)

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.2非均勻強(qiáng)化有序強(qiáng)化分為短程有序和長程有序兩種；一般長程有序化后，合金總是變得較硬，有時產(chǎn)生明顯的屈服現(xiàn)象，隨著有序度的增加，其屈服應(yīng)力在某一中等有序度時出現(xiàn)一極大值。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理晶界是位錯運(yùn)動的障礙，晶界越多，則位錯運(yùn)動阻力越大，屈服應(yīng)力越高。

晶界對屈服強(qiáng)度的影響不只來自晶界本身，而與晶界是連接兩個晶粒的過渡區(qū)有關(guān)——位錯運(yùn)動的障礙。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理Hall-Petch關(guān)系式：ss=so+Kyd-1/2利用位錯塞積模型推導(dǎo)Hall-Petch關(guān)系式：運(yùn)動位錯的有效應(yīng)力是外力作用到滑移方向的分切應(yīng)力(τ)減去位錯運(yùn)動時克服的摩擦阻力(τi)，即τ-τi。根據(jù)位錯塞積群理論，塞積的位錯數(shù)n為：n=[KL(τ-τi)]/Gb在塞積群頭部將產(chǎn)生一個應(yīng)力集中，其值為τ1=n(τ-τi)

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理由于位錯塞積，這相當(dāng)于將有效應(yīng)力放大了n倍，n為位錯塞積數(shù)目。由上述兩個式子得到：τ1=[KL(τ-τi)2]/Gb若晶粒Ⅱ內(nèi)位錯源S2在晶界附近，則開動這個位錯源的臨界切應(yīng)力為τρ由位錯塞積群的應(yīng)力集中τ1提供。若位錯S2開動并放出位錯，則τ1≥τρ，即τ1=[KL(τs-τi)2]/Gb≥τρ，則τs=τi+Kyd-1/2如用拉伸時屈服用應(yīng)力表示，兩邊同乘取向因子m(多晶體中取向因子m有時稱Taylor因子m。則式可寫成：σs=σ0+Kyd-1/2

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶韌化細(xì)晶強(qiáng)化最大特點(diǎn)就是細(xì)化晶粒在使材料強(qiáng)化的同時，不會使材料的塑性降低；相反，會使材料的塑性與韌性同時提高。金屬中的夾雜物多在晶界處出現(xiàn)，特別是低熔點(diǎn)金屬形成的夾雜物更易在晶界析出，從而顯著降低材料的塑性。合金經(jīng)細(xì)化晶粒后，則單位體積內(nèi)的晶界面積增加，在夾雜物相同的情況下，經(jīng)細(xì)化晶粒合金晶界上偏析的夾雜物相對減少，從而使晶界結(jié)合力提高，故材料的塑性提高了。晶界既是位錯運(yùn)動的阻力，又是裂紋擴(kuò)展的障礙，因此，細(xì)化晶粒在提高強(qiáng)度的同時，也提高了合金的韌性。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.3細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)化晶粒的方法細(xì)化鑄態(tài)結(jié)晶組織：改善結(jié)晶凝固條件、加入變質(zhì)劑、外加磁場等細(xì)化奧氏體：形變熱處理、再結(jié)晶細(xì)化鐵素體：細(xì)化奧氏體、控軋控冷

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化第二相的類型冶煉過程產(chǎn)生的：氧化物、硫化物、硅酸鹽等；一般是有害的，降低強(qiáng)度和韌性。軋制過程（或熱處理）過程：碳化物、馬氏體、貝氏體等；有強(qiáng)化作用。粉末冶金方法：外加第二相

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化從過飽和固溶體中析出第二相（沉淀相）或形成溶質(zhì)原子富集的亞穩(wěn)區(qū)等過渡相的過程稱為沉淀，或稱為脫溶。首先在基體中形成第二相的溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚，稱GP(Ⅰ)區(qū)，使局部產(chǎn)生畸變，硬度高于固溶體基體的硬度；隨著時效的進(jìn)行，GP(Ⅰ)區(qū)擴(kuò)大，并且銅原子進(jìn)一步有序化，形成GP(Ⅱ)區(qū)或θ″相，硬度進(jìn)一步提高；緊接著是GP(Ⅱ)區(qū)向與基體共格的Cu2Al2，θ′相過渡，隨時效進(jìn)行，由過渡點(diǎn)陣θ′相形成平衡相θ相(CuAl2)。θ相不再與基體共格，此階段合金硬度比共格的θ′存在的階段的低。超過這個階段進(jìn)一步時效，第二相粒子不斷長大，硬度不斷降低，這種現(xiàn)象稱為過時效。Al－Cu合金的沉淀硬化

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化低碳鋼的相間沉淀

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化鐵素體晶內(nèi)的一般沉淀

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化彌散強(qiáng)化為形成高溫穩(wěn)定的第二相，采用粉末冶金的方法向基體金屬中加入惰性氧化物之類粒子，以提高高溫強(qiáng)度。彌散強(qiáng)化合金的強(qiáng)化除了與第二相的數(shù)量、大小、分布有關(guān)以外，還與基體和第二相本身性質(zhì)有關(guān)。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論共格應(yīng)變強(qiáng)化理論：基本思想是將合金的屈服應(yīng)力看成由于第二相在基體中使晶格錯配而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，對位錯運(yùn)動所施加的阻力。對于具體的時效硬化型合金，由于第二相與基體的比容不可能完全一樣，由此比容差而引起彈性應(yīng)力場。使基體中在某一區(qū)域內(nèi)，每個質(zhì)點(diǎn)都可能發(fā)生位移，愈靠近析出粒子，位移量愈大。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化Orowan(繞過)強(qiáng)化機(jī)制：當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ娱g距比較大時，或者第二相粒子本身很硬，位錯切過第二相粒子很困難，只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動。各階段分別為：①直線位錯靠近粒子。②位錯運(yùn)動受到第二相阻礙，位錯線開始彎曲；之后，位錯線彎曲到臨界曲率半徑，并在不減少其曲率半徑下運(yùn)動。③在第二相粒子間相遇的位錯線段符號相反，因此會相互抵消一部分，結(jié)果在第二粗粒子周圍留下一個位錯環(huán)。④位錯線在線張力作用下變直，繼續(xù)向前運(yùn)動。每個位錯滑過滑移面后，都在第二相粒子周圍留下一個位錯環(huán)。這些位錯環(huán)對位錯源施加反向作用力，阻止位錯源放出位錯。若放出位錯，則必須克服這個阻力，即增加應(yīng)力。結(jié)果彌散的非共格的第二相使基體強(qiáng)化了。3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化當(dāng)析出物體積分?jǐn)?shù)f一定時，r愈小，強(qiáng)化效果愈好。對于沉淀強(qiáng)化型合金，r很小時，這些又小又密的第二相粒子在位錯線上產(chǎn)生的應(yīng)力場有相互抵消的現(xiàn)象，若位錯要繞過這些小粒子，位錯線必須彎曲到很小的曲率半徑才可能，這需要很大外力。這時第二相粒子強(qiáng)度并不太高，因此位錯彎曲還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于質(zhì)點(diǎn)間距一半，第二相粒子已經(jīng)屈服了，即位錯切過第二相的阻力比繞過第二相阻力小，因此發(fā)生切過第二相，所以對沉淀強(qiáng)化合金在時效初期，位錯只能切過第二相而運(yùn)動。在過時效時，則位錯線只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動。沉淀硬化型合金第二相質(zhì)點(diǎn)很硬，根本不允許位錯切過，所以第二相粒子愈小，粒子間距愈小，則強(qiáng)化效果愈大，服從Orowan機(jī)制。

3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化位錯切過第二相機(jī)制：位錯切過第二相需要一定的條件：①基體與第二相有公共的滑移面。只有第二相與基體保持共格或半共格時，才能滿足此條件。②基體與析出相中柏氏矢量相差很小，或基體中的全位錯為析出相的半位錯。③第二相強(qiáng)度不能太高，即第二相可與基體一起變形。

3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化切過機(jī)制產(chǎn)生強(qiáng)化的原因：

①當(dāng)一個柏氏矢量為b的位錯切過第二相之后，兩邊各形成一個寬度為b的新表面，顯然要增加表面能。因此需要增加外力位錯才能切過第二相。②如果第二相是有序的(如γ′相)，位錯切過第二相粒子時，則增加反相疇界和反相疇界能。因此需要提高外力，才能切過第二相。③若第二相質(zhì)點(diǎn)彈性模量與基體的彈性模量不同，這種模量差會使位錯進(jìn)入第二相質(zhì)點(diǎn)前后線張力發(fā)生變化，因而需要增加能量。④若第二相與基體之間比容不同，則在第二相界面附近形成彈性應(yīng)力場，這也是位錯運(yùn)動的阻力。3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化由于第二相不同，產(chǎn)生強(qiáng)化的原因也不同。對于Al－Mg合金，沉淀相與基體的點(diǎn)陣常數(shù)相差很小，切過第二相的阻力主要來自表面能的增加。對于鎳基高溫合金，析出的γ′強(qiáng)化相是有序相，有相當(dāng)大的疇界能，相對來講，表面能的增加是次要的，疇界能的增加是引起強(qiáng)化的主要原因。對于Al－Cu合金，析出相使其周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的共格畸變，其點(diǎn)陣常數(shù)相差12%，則析出相產(chǎn)生彈性應(yīng)力場是位錯運(yùn)動的主要障礙，3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論當(dāng)?shù)诙鄤倧幕w中析出時，粒子半徑r和第二相體積百分?jǐn)?shù)f都在增加，屈服強(qiáng)度增量按B曲線變化;第二相粒子長大到某一尺寸后，其粒子間距也會增大到某一尺寸，位錯能繞過第二相粒子而運(yùn)動。由此看來，當(dāng)?shù)诙喑叽缭谀骋慌R界值或粒子間距達(dá)到一定值時，強(qiáng)化效果最佳?？梢?，兩條曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的半徑稱為臨界半徑。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映^臨界半徑之后，隨粒子的長大，則強(qiáng)度降低，即所謂過時效。A曲線是由Orowan機(jī)制推測出的屈服強(qiáng)度。B曲線是由于析出相析出時，第二相質(zhì)點(diǎn)由剛剛形成(r＝0)和不斷長大時屈服強(qiáng)度的增量?；蛘哒f，由位錯切過第二相質(zhì)點(diǎn)推測的屈服強(qiáng)度增量。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化對塑性和韌性的影響：

多相合金中含有與基體不同的第二相，即使單相合金，在冶煉過程中，也不可避免帶入一些非金屬夾雜物，這些夾雜物也屬于第二相。此類第二相的性質(zhì)、含量、大小、分布及與基體結(jié)合強(qiáng)弱等都影響合金的性能，特別是塑性和韌性。通常，將較脆的第二相稱為脆性相，如鋼中氧化物、硫化物、鋁酸鹽、氰化物、碳化物、氮化物和金屬間化合物等。還有一些第二相較基體韌性好，稱為韌性相。如合金結(jié)構(gòu)鋼中殘余奧氏體或β－TiAl合金中少量α相都屬于韌性相。這些韌性相與基體結(jié)合比較強(qiáng)，能提高合金的塑性和韌性。這主要因?yàn)榛w中裂紋遇到韌性相時，韌性相容易發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生脆斷，同時塑性變形消耗大量的彈性能。換言之，韌性相有阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因此對基體的塑性和韌性是有利的。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論當(dāng)?shù)诙酁榇嘈韵嗟那闆r下：

研究發(fā)現(xiàn)，隨脆性相含量增加，材料的塑性和韌性均降低，隨脆性第二相含量增加，均使塑性降低。但降低趨勢并不盡同

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化(a)強(qiáng)結(jié)合的脆性相；(b)強(qiáng)結(jié)合的韌性相；(c)弱結(jié)合的脆性相脆性相隨其含量增加，塑性降低迅速，而韌性相則基本上不降低塑性或略有降低。與基體結(jié)合強(qiáng)的脆性相多是在熱處理過程中沉淀出來的。如鋼中Fe3C；馬氏體時效鋼中的Ni3Mo，Ni3Ti；高溫合金中γ′(Ni3(Al，Ti))。雖然這些相均由過飽和的基體中析出，但因析出相又可能與基體共格或非共格，其對性能影響也是不同的。3.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化理論

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化第二相形狀的影響：球形第二相比片狀第二相塑性高。夾雜物降低奧氏體塑性較大，通過金相觀察，則發(fā)現(xiàn)奧氏體中氮化物呈尖角狀，當(dāng)鋼件受力時，在尖角處，應(yīng)力集中和應(yīng)變集中較大，則容易形成空洞并長大，從而降低奧氏體鋼的塑性和韌性。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.5其它強(qiáng)化方法纖維強(qiáng)化將高強(qiáng)度材料（如SiC，Al2O3，C，W等）與合金制成纖維，使硬的纖維束合理的分布在較軟的基體金屬中，達(dá)到強(qiáng)化基體金屬的目的，這種材料稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理不像第二相強(qiáng)化那樣，靠堅(jiān)硬第二相阻礙位錯運(yùn)動，而是用纖維束來承受較大載荷，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。基體與纖維之間必須有一定的結(jié)合強(qiáng)度。

RAL3.1金屬與合金的強(qiáng)化與韌化3.1.5其它強(qiáng)化方法相變強(qiáng)化馬氏體強(qiáng)化：①晶體缺陷密度對強(qiáng)度的影響馬氏體是合金從高溫奧氏體區(qū)經(jīng)淬火而得到的組織，決定馬氏體強(qiáng)化因素是多方面共同起作用。由金屬學(xué)理論知道，馬氏體含有較多的位錯，如每個條狀馬氏體內(nèi)位錯密度