金屬強(qiáng)化機(jī)制

金屬強(qiáng)化(qiánghuà)機(jī)制共二十八頁金屬強(qiáng)化(qiánghuà)機(jī)制固溶強(qiáng)化第二(dìèr)相粒子強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化加工硬化共二十八頁固溶強(qiáng)化(qiánghuà)固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格類型不發(fā)生變化，但點(diǎn)陣常數(shù)都會發(fā)生變化；其硬度、強(qiáng)度(qiángdù)升高，而塑性、韌性相對下降，但綜合力學(xué)性能優(yōu)于純金屬。共二十八頁根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑(róngjì)點(diǎn)陣中所處的位置分為：置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙共二十八頁固溶強(qiáng)化(qiánghuà)溶質(zhì)原子(yuánzǐ)的存在及其固溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之提高。如圖表示Cu-Ni固溶體的強(qiáng)度和塑性隨溶質(zhì)含量的增加，合金強(qiáng)度、硬度提高，而塑性有所下降，即產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化效果。共二十八頁固溶強(qiáng)化的主要機(jī)制：柯氏氣團(tuán)(qìtuán)：在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)。共二十八頁低碳鋼退火(tuìhuǒ)狀態(tài)的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象低碳鋼在上屈服點(diǎn)開始(kāishǐ)塑性變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)之后開始(kāishǐ)應(yīng)力降落，在下屈服點(diǎn)發(fā)生連續(xù)變形而應(yīng)力并不升高，即出現(xiàn)水平臺，這就是屈服平臺。共二十八頁低碳鋼屈服(qūfú)現(xiàn)象的柯氏氣團(tuán)理論所謂的柯氏氣團(tuán)，就是指碳原子偏聚于刃位錯的下方，碳原子有釘扎位錯，使位錯不易運(yùn)動。位錯要運(yùn)動，只要從氣團(tuán)中掙脫出來，擺脫碳原子的釘扎。位錯要從氣團(tuán)中掙脫出來，需要較大的力，這就形成了上屈服點(diǎn)。而一旦掙脫之后，位錯的運(yùn)動就比較容易，因此(yīncǐ)有了應(yīng)力降落，出現(xiàn)下屈服點(diǎn)和水平臺。共二十八頁低碳鋼的應(yīng)變(yìngbiàn)時效a---預(yù)塑性變形b---卸載后立即(lìjí)加載c---卸載后放置一段時間或在200攝氏度加熱后在加載共二十八頁當(dāng)卸載后立即重新加載，由于位錯已經(jīng)掙脫柯氏氣團(tuán)的釘扎，所以沒有出現(xiàn)屈服點(diǎn)，如果卸載后放置很長時間或經(jīng)時效則溶質(zhì)原子已經(jīng)通過擴(kuò)散而重新聚集到位錯周圍形成(xíngchéng)柯氏氣團(tuán)，屈服現(xiàn)象又重復(fù)出現(xiàn)。共二十八頁第二相粒子(lìzǐ)強(qiáng)化根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分為：聚合型合金：兩相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級，較強(qiáng)相數(shù)量較少時，塑性變形基本上都發(fā)生在較弱相中，只有較強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)大于30%時，才能起到明顯(míngxiǎn)的強(qiáng)化作用。彌散分布型合金：彌散地分布于基體中的第二相粒子會阻礙位錯運(yùn)動而起到強(qiáng)化作用。通過第二相粒子是否可變形可分為兩類強(qiáng)化機(jī)制：沉淀強(qiáng)化（時效強(qiáng)化）彌散強(qiáng)化共二十八頁沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化是可變形粒子強(qiáng)化：位錯且過第二(dìèr)項(xiàng)粒子所引起的強(qiáng)化作用。第二(dìèr)相粒子與基體共格，能被位錯切過，位錯切過粒子時，粒子產(chǎn)生寬度為b的表面臺階，增加表面能，通過共格應(yīng)變場等因素使合金強(qiáng)化。共二十八頁彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化型合金中不可變形的第二相粒子的強(qiáng)化作用是通過粒子對位錯的阻礙作用實(shí)現(xiàn)的，如圖為奧羅萬（E.Orowan）機(jī)制。根據(jù)位錯理論，迫使位錯線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力：

G為切變彈性模量，b為柏氏矢量，λ為兩粒子間距離。由此可見，不可變形粒子的強(qiáng)化作用與粒子間距λ成反比，粒子越多，粒子間距越小，強(qiáng)化作用明顯，因此，減小粒子尺寸（在同樣的體積分?jǐn)?shù)時，粒子越小，則粒子間距也越?。┗蛱岣吡Ｗ拥捏w積分?jǐn)?shù)都會導(dǎo)致(dǎozhì)合金強(qiáng)度的提高。共二十八頁細(xì)晶強(qiáng)化(qiánghuà)多晶體中晶體各項(xiàng)異性，不同位向晶粒的滑移系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中；晶界處原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重。

因此，在室溫下晶界將會阻礙

位錯的滑移，使每個晶粒中的滑移

帶終止在晶界附近，并發(fā)生位錯堵

塞現(xiàn)象，如圖所示，位錯塞積群又

會對位錯源產(chǎn)生(chǎnshēng)一反作用力，這個

力增大到某一數(shù)值時，使位錯源停止開動。則要使第二晶粒產(chǎn)生滑移，必須增大外加應(yīng)力，以啟動第二晶粒中的位錯源動作。即對于多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。共二十八頁晶界對多晶體塑性變形的影響主要取決于晶界數(shù)量，晶粒大小又決定了晶界數(shù)量。圖為低碳鋼的晶粒大小與屈服點(diǎn)的關(guān)系曲線，由圖可見(kějiàn)，鋼的屈服點(diǎn)與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系。晶粒越小，晶粒數(shù)量越多，屈服點(diǎn)越大。共二十八頁霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d與屈服(qūfú)強(qiáng)度σs的關(guān)系：

σs=σ0+kd-1/2

σ0——晶內(nèi)對變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強(qiáng)度；k——晶界對變形的影響系數(shù)。共二十八頁細(xì)晶強(qiáng)化是唯一不以降低材料(cáiliào)的塑性來增加強(qiáng)度的強(qiáng)化方法晶粒強(qiáng)化的原因：晶粒細(xì)化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過，即阻礙塑性變形，也就實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度。塑性，韌性好的原因：晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力(yìnglì)集中引起的開裂機(jī)會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，既表現(xiàn)出較高的塑性。細(xì)晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應(yīng)力(yìnglì)集中少），也不宜傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。共二十八頁加工硬化金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強(qiáng)度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。加工硬化的實(shí)質(zhì)是金屬經(jīng)過冷加工產(chǎn)生大量(dàliàng)的位錯，位錯發(fā)生積塞和纏結(jié)等交互作用，部分成為不可動位錯，起到了“釘扎”作用，對塑性變形起到阻礙作用，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。共二十八頁什么是金屬(jīnshǔ)納米材料？

金屬納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度或由它們作為基本單元構(gòu)成的金屬材料。金屬納米材料具有許多其本體普通材料所沒有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性能,在光、電、磁、催化劑、傳感、生物醫(yī)藥等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。這些獨(dú)特性能與納米材料的尺寸、形狀密切相關(guān),因而(yīnér)形貌可控地制備納米材料非常重要。共二十八頁金屬納米材料(nàmǐcáiliào)的制備工藝零維金屬納米材料的制備方法

氣相法液相法水熱法溶膠-凝膠法高能球磨法一維金屬納米材料的制備方法

晶體的氣-固生長法選擇電沉積法

二維金屬納米材料的制備方法溶膠-凝膠法高速超微粒子(lìzǐ)沉積法濺射法惰性氣體蒸發(fā)法三維金屬納米材料的制備方法惰性氣體蒸發(fā)、原位加壓制備法非晶晶化法高能球磨法結(jié)合加壓成塊法共二十八頁

金屬(jīnshǔ)納米材料的力學(xué)性能

關(guān)于納米材料(cáiliào)的力學(xué)性能的研究總結(jié)出四條與常規(guī)晶粒材料(cáiliào)不同的結(jié)論

共二十八頁金屬納米材料自誕生以來對各個領(lǐng)域的影響令人矚目，這主要是因?yàn)榧{米材料往往“身懷絕技”，有特殊的用途?，F(xiàn)列出一些(yīxiē)金屬納米材料在實(shí)際中的主要用途：(1)鈷(Co)高密度磁記錄材料(cáiliào)。利用納米鈷粉記錄密度高、矯頑力高(可達(dá)119.4kA／m)、信噪比高和抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度改善磁帶和大容量軟硬磁盤的性能。。(2)金屬納米粉體對電磁波有特殊的吸收作用?？勺鳛槲ú牧希哂蓄l帶寬、兼容性好、質(zhì)量小、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)。美國新近開發(fā)的含“超黑粉”的納米復(fù)合材料，吸波率達(dá)99％。法國研究者采用真空沉積法把NiCo合金及SiC沉積在基體上形成超薄電磁吸收納米結(jié)構(gòu)，再粉碎成微屑并制成納米材料，吸波頻率達(dá)50MHz～50GHz。鐵、鈷、氧化鋅粉末及碳包金屬粉末可作為軍事用高性能毫米波隱形材料、可見光一紅外線隱形材料和結(jié)構(gòu)式隱形材料，以及手機(jī)輻射屏蔽材料。共二十八頁(3)表面涂層材料。納米鋁、銅、鎳粉體有高活化表面，在無氧條件下可以在低于粉體熔點(diǎn)的溫度實(shí)施涂層。此技術(shù)可應(yīng)用(yìngyòng)于微電子器件的生產(chǎn)。(4)高效催化劑。銅及其合金納米粉體用作催化劑，效率高、選擇性強(qiáng)，可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應(yīng)過程中的催化劑。通常的金屬催化劑鐵、銅、鎳、鈀、鉑等制成納米微?？纱蟠蟾纳拼呋Ч?。由于比表面巨大和高活性，納米鎳粉具有極強(qiáng)的催化效果，可用于有機(jī)物氫化反應(yīng)、汽車尾氣處理等。粒徑為30nm的鎳可將有機(jī)化學(xué)加氫及脫氫的反應(yīng)速度提高15倍。共二十八頁5)導(dǎo)電漿料。用納米銅粉替代貴金屬粉末制備性能優(yōu)越的電子漿料，可大大降低成本。此技術(shù)可促進(jìn)微電子工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。(6)高性能磁記錄材料一鐵。利用納米鐵粉的矯頑力高、飽和磁化強(qiáng)度大、信噪比高和抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度改善磁帶和大容量軟硬磁盤的性能。(7)磁流體。用鐵、鈷、鎳及其合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于密封(mìfēng)減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示等領(lǐng)域。用永久磁鐵將磁流體固定在回轉(zhuǎn)軸的周圍，因回轉(zhuǎn)軸與周圍固定件間的空隙很小，其磁場強(qiáng)度特別大，從而能承受較大的沿軸線方向的推力，達(dá)到密封(mìfēng)效果。共二十八頁(8)導(dǎo)磁漿料。利用納米鐵粉的高飽和磁化強(qiáng)度和高磁導(dǎo)率的特性，可制成導(dǎo)磁漿料，用于精細(xì)磁頭的粘結(jié)結(jié)構(gòu)等。(9)高效助燃劑。將納米鎳粉添加到火箭的固體燃料(ránliào)推進(jìn)劑中可大幅度提高燃料(ránliào)的燃燒熱、燃燒效率，改善燃燒的穩(wěn)定性。(10)高硬度、耐磨WC-Co納米復(fù)合材料。納米結(jié)構(gòu)的WC-Co已經(jīng)用作保護(hù)涂層和切削工具。這是因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)的WC-Co在硬度、耐磨性和韌性等方面明顯優(yōu)于普通的粗晶材料。其中，力學(xué)性能提高約一個量級，還可能進(jìn)一步提高。高能球磨或者化學(xué)合成WC-Co納米合金已經(jīng)工業(yè)化。共二十八頁(11)Al基納米復(fù)合材料。Al基納米復(fù)合材料具有超高強(qiáng)度(可達(dá)到1．6GPa)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在非晶基體上彌散(mísàn)分布著納米尺度的a—Al粒子，合金元素包括稀土(如Y、Ce)和過渡族金屬(如Fe、Ni)。通常用快速凝固技術(shù)獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種材料具有很好的強(qiáng)度與模量的結(jié)合以及疲勞強(qiáng)度。溫?cái)DA1基納米復(fù)合材料已經(jīng)商業(yè)化，在高溫下表現(xiàn)出很好的超塑性行為：在1s?