03 材料的强化与韧化

1、第三章第三章 材料的强化与韧化材料的强化与韧化 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化 3.2 陶瓷材料的强化与韧化陶瓷材料的强化与韧化 强韧化意义强韧化意义 提高材料的强度和韧性；提高材料的强度和韧性； 节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可 靠性和延长服役寿命；靠性和延长服役寿命； 希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧 性，通常的材料二者不可兼得；性，通常的材料二者不可兼得； 理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理 本质，是合

2、理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘 材料性能潜力的基础。材料性能潜力的基础。 强度：材料抵抗变形和断裂的能力强度：材料抵抗变形和断裂的能力 材材 料料 强强 度度 缺陷数量缺陷数量 冷加工冷加工 状态状态 退火状态退火状态 无缺陷的无缺陷的 理论强度理论强度 材料强度与缺陷数量的关系材料强度与缺陷数量的关系 增加材料内部的缺陷，提增加材料内部的缺陷，提 高强度，如形变，固溶，高强度，如形变，固溶， 细化晶粒，第二相粒子。细化晶粒，第二相粒子。 提高强度的方法：提高强度的方法： 完全消除内部的缺陷，使完全消除内部的缺陷，使 它的强度接近于理论强度；它的

3、强度接近于理论强度； 3.1 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化 纯纯 金金 属属 合合 金金 细晶强化细晶强化 细晶强化细晶强化 形变强化形变强化 形变强化形变强化 固溶强化固溶强化 弥散强化弥散强化 沉淀强化沉淀强化 第二相强化第二相强化 纤维强化纤维强化 界面强化界面强化 形变热处理强化、相变强化形变热处理强化、相变强化 它不是工业上广泛应用的强化方法，它受到它不是工业上广泛应用的强化方法，它受到 两个限制：两个限制： 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会 软化；软化； 由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金由于硬化会

4、引起金属脆化，对于本来就很脆的金 属，一般不宜利用形变强化来提高强度性能。属，一般不宜利用形变强化来提高强度性能。 一、形变强化一、形变强化 二、固溶强化二、固溶强化 固溶方式：间隙固溶、置换固溶固溶方式：间隙固溶、置换固溶 固溶强化：在纯金属中加入溶质元素，形成固溶合金或多固溶强化：在纯金属中加入溶质元素，形成固溶合金或多 相合金，将显著提高屈服强度。相合金，将显著提高屈服强度。 固溶强化的影响因素：固溶强化的影响因素： 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好；（但固溶是有限（但固溶是有限 的）的） 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强

5、化效果越好； 溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好； 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。 固溶强化机制固溶强化机制 固溶造成晶格的畸变，固溶强化的微观机理是溶质原子和位固溶造成晶格的畸变，固溶强化的微观机理是溶质原子和位 错交互作用的结果。错交互作用的结果。 弹性交互作用弹性交互作用、化学作用、电化学作用、有序化作用、化学作用、电化学作用、有序化作用 溶质原子可以是溶质原子可以是均匀不规则地分布在基体均匀不规则地分布在基体中，也可以中，也可以偏聚到偏聚到 位错周围形成各种气团位错周围形成各种

6、气团，这两种情况都可以使金属材料的基，这两种情况都可以使金属材料的基 体造成强化。体造成强化。 均匀强化均匀强化 非均匀强化非均匀强化 由于固溶度有限或由于合金原子与基体原子的半径差较小，由于固溶度有限或由于合金原子与基体原子的半径差较小， 均匀分布的合金元素的固溶强化效果较小，当溶质原子发生偏均匀分布的合金元素的固溶强化效果较小，当溶质原子发生偏 聚时，合金元素与位错会发生强的交互作用。聚时，合金元素与位错会发生强的交互作用。 非均匀固溶强化理论非均匀固溶强化理论 浓度梯度强化浓度梯度强化 Cottrell气团强化气团强化 Snoek气团强化气团强化 Suzuki气团强化气团强化 静电相互作

7、用强化静电相互作用强化 有序强化有序强化 Cottrell（柯氏）气团强化（柯氏）气团强化: 原因：合金元素与位错之间是弹性交互作用原因：合金元素与位错之间是弹性交互作用 3 sin 4UGbR r 错配度错配度 交互能：交互能： 位错位错 合金元素合金元素 在稳定状态（在稳定状态（U0 0 正刃型位错正刃型位错 屈服现象、应变时效与屈服现象、应变时效与Cottrell气团气团 屈服现象：上下屈服点、吕德斯屈服现象：上下屈服点、吕德斯 带扩展。带扩展。 应变时效：去载后立即加载不出应变时效：去载后立即加载不出 现屈服现象；去载后放置一段时现屈服现象；去载后放置一段时 间或间或200200加热后

8、（人工时效）再加热后（人工时效）再 加载出现屈服。加载出现屈服。 原因：柯氏气团的存在、破坏和原因：柯氏气团的存在、破坏和 重新形成。重新形成。 思考：吕德斯带会使低碳钢在冲压成型时使工件思考：吕德斯带会使低碳钢在冲压成型时使工件 表面粗糙不平，怎么解决？表面粗糙不平，怎么解决？ 根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷 轧（约轧（约12的压下量）工序，被溶质原子钉扎的位错的压下量）工序，被溶质原子钉扎的位错 大部分基本摆脱气团包围，使屈服点消除，然后进行冲压大部分基本摆脱气团包围，使屈服点消除，然后进行冲压 成型；也可向钢中加入少量

9、成型；也可向钢中加入少量Ti，Al与与C，N等形成化合物，等形成化合物， 使之不能有效的钉扎住位错，消除屈服点。使之不能有效的钉扎住位错，消除屈服点。 马氏体钢：当间隙固溶碳量增至马氏体钢：当间隙固溶碳量增至0.4%时，硬度为时，硬度为 60HRC，约为约为10%；提高碳含量，；提高碳含量，wt(C)=1.2%， 硬度为硬度为68HRC，5%。可见随着固溶。可见随着固溶C原子的增加，原子的增加， 在提高强度的同时塑性损失较大。在提高强度的同时塑性损失较大。 一般情况下，固溶强化降低塑性，材料韧性下降。一般情况下，固溶强化降低塑性，材料韧性下降。 固溶强化举例固溶强化举例 三、三、 细晶强化与韧

10、化细晶强化与韧化 晶界对位错滑移的阻滞效应，晶界对位错滑移的阻滞效应， 导致一侧晶粒中的滑移带不能导致一侧晶粒中的滑移带不能 直接进入第二个晶粒；直接进入第二个晶粒； 晶界附近产生的位错塞积群晶界附近产生的位错塞积群 会对晶内的位错源产生一反作会对晶内的位错源产生一反作 用力，此反作用力随位错塞积用力，此反作用力随位错塞积 的数目的数目n而增大。而增大。 1 1）细晶强化）细晶强化 晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多， 多晶体的强度就越高。多晶体的强度就越高。 1 2 0sy K d 大量实验和理论的研究工作证实了晶界处位错源的大量实验和

11、理论的研究工作证实了晶界处位错源的 存在。存在。 Hall-Petch关系式关系式 0和和Ky是两个和材料有关的常数（需试验测定），是两个和材料有关的常数（需试验测定），d为晶为晶 粒直径粒直径 。 低碳钢晶粒与屈服强度的关系低碳钢晶粒与屈服强度的关系 2 2）细晶韧化）细晶韧化 合金经细化晶粒后，单位体积内的晶界面积上偏析合金经细化晶粒后，单位体积内的晶界面积上偏析 的夹杂物减少，晶界结合力提高；的夹杂物减少，晶界结合力提高； 晶界既是位错运动的阻力，也是裂纹扩展的障碍。晶界既是位错运动的阻力，也是裂纹扩展的障碍。 塑性代表的是断裂（由裂纹扩展引起）时的伸长率，塑性代表的是断裂（由裂纹扩展引

12、起）时的伸长率， 韧性是强度和塑性的综合表现。韧性是强度和塑性的综合表现。 在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以 做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。 细化晶粒降低材料的韧脆转变温度。细化晶粒降低材料的韧脆转变温度。 思考：高温下使用的材料，能否用细化晶粒来达到增强增韧的目的？思考：高温下使用的材料，能否用细化晶粒来达到增强增韧的目的？ 3）细化晶粒的方法）细化晶粒的方法 改善结晶及凝固条件；改善结晶及凝固条件； 调整合金成分，加细化晶粒的调整合金成分，加细化晶粒的 元素，如元素，如B，Mg，稀土元

13、素等；，稀土元素等； 控制热处理工艺；控制热处理工艺； 采用形变热处理方法；采用形变热处理方法； 往复相变细化方法；往复相变细化方法； 四、第二相强化四、第二相强化 组成：基体第二相组成：基体第二相 位错和第二相交互作用形成第二相强化，其强化效位错和第二相交互作用形成第二相强化，其强化效 果比固溶强化更为显著：果比固溶强化更为显著： 通过相变热处理（如时效）获得的，称为沉淀强化、通过相变热处理（如时效）获得的，称为沉淀强化、 析出硬化或时效强化；析出硬化或时效强化； 通过粉末烧结或内氧化获得的，称为弥散强化。通过粉末烧结或内氧化获得的，称为弥散强化。 强化效果与第二相粒子的强度、体积分数、间距

14、、强化效果与第二相粒子的强度、体积分数、间距、 粒子形状和分布等有关，按粒子的大小和形变特性粒子形状和分布等有关，按粒子的大小和形变特性 分成：分成： 不易形变的粒子，包括弥散强化的粒子以及沉淀强不易形变的粒子，包括弥散强化的粒子以及沉淀强 化的大尺寸粒子；化的大尺寸粒子； 易形变的粒子，如沉淀强化的小尺寸粒子。易形变的粒子，如沉淀强化的小尺寸粒子。 1 1）沉淀强化）沉淀强化 沉淀强化：金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏沉淀强化：金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏 聚和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产聚和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产 生的一种强化。生的一种强化。 要求：溶

15、质原子在基体中的溶解度随温度而变化，要求：溶质原子在基体中的溶解度随温度而变化， 高温时第二相溶于基体中，低温时则析出第二相。高温时第二相溶于基体中，低温时则析出第二相。 获得方法：先高温固溶，再急冷形成过饱和固溶体，获得方法：先高温固溶，再急冷形成过饱和固溶体， 最后时效析出第二相；最后时效析出第二相； 第二相与基体结合较牢固，强化效果与第二相的形第二相与基体结合较牢固，强化效果与第二相的形 状、数量、大小及分布等有关；状、数量、大小及分布等有关； 沉淀强化受温度影响。沉淀强化受温度影响。 2） 弥散强化弥散强化 用粉末冶金法，向基体金属中加入金属氧化物、氮用粉末冶金法，向基体金属中加入金属

16、氧化物、氮 化物、碳化物等强化相粒子（第二相），并使这类化物、碳化物等强化相粒子（第二相），并使这类 粒子在基体中高度弥散分布来强化合金；粒子在基体中高度弥散分布来强化合金； 特点：低温下与基体结合力较弱，强化效果不高；特点：低温下与基体结合力较弱，强化效果不高； 高温下第二相稳定，高温强化效果好；高温下第二相稳定，高温强化效果好； 第二相弥散强化常用物质：第二相弥散强化常用物质：Y2O3，Al2O3，ThO2 3）第二相强化理论）第二相强化理论 第二相成分、性质及大小不同，强化理论不同。第二相成分、性质及大小不同，强化理论不同。 强化理论：共格应变强化理论、强化理论：共格应变强化理论、 Or

17、owan绕过强化绕过强化 机制、位错切过第二相强化理论、机制、位错切过第二相强化理论、间接强化机制。间接强化机制。 对具体合金，含有一种或几种强化理论。对具体合金，含有一种或几种强化理论。 Orowan（奥罗万）强化机制（奥罗万）强化机制 定义：位错线定义：位错线绕过绕过不易形变的粒子不易形变的粒子 沉淀强化合金中当析出相到沉淀强化合金中当析出相到一定尺寸一定尺寸的时候，运动位的时候，运动位 错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化 物一般都是不可变形的。物一般都是不可变形的。 弥散强化合金中的第二相粒子硬度高，采用绕过机制。弥散强化合金

18、中的第二相粒子硬度高，采用绕过机制。 Orowan公式：公式： 使位错线继续运动的临界切应力的大小为使位错线继续运动的临界切应力的大小为 1 1 2 aGbf r f越大，粒子半径越大，粒子半径r减小，强化效应越好减小，强化效应越好 常数常数对刃型位错是对刃型位错是0.093，对螺型位错是，对螺型位错是0.14；f是粒子的体积是粒子的体积 分数，分数，r为第二相粒子半径。为第二相粒子半径。 位错切过第二相强度理论位错切过第二相强度理论 条件：条件： 第二相粒子与基体有公共的滑移第二相粒子与基体有公共的滑移 面，与基体保持共格或半共格；面，与基体保持共格或半共格； 第二相与基体的柏氏矢量相差很第

19、二相与基体的柏氏矢量相差很 小，或基体中的全位错为析出相小，或基体中的全位错为析出相 的半位错；的半位错； 第二相强度不能太高，可与基体第二相强度不能太高，可与基体 一起变形一起变形 Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过合金中位错切过 Ni3Al粒子的粒子的TEM 照片照片 沉淀强化型合金符合以上条件沉淀强化型合金符合以上条件 位错切过第二相的位错切过第二相的强化作用主要强化作用主要 决定于粒子本身的性质以及其与决定于粒子本身的性质以及其与 基体的联系，主要有以下几方面基体的联系，主要有以下几方面 的作用：的作用： 位错切过粒子后产生新的界面，位错切过粒子后产生新的界面， 提高了提高了

20、界面能界面能。 若共格的粒子是一种有序结构，若共格的粒子是一种有序结构， 位错切过之后，沿滑移面产生位错切过之后，沿滑移面产生反反 相畴相畴（位错扫过有序结构时形成位错扫过有序结构时形成 的错排面）的错排面），使位错切过粒子时，使位错切过粒子时 需要附加应力。需要附加应力。 粒子点阵常数与基体不一样，粒子点阵常数与基体不一样， 粒子周围产生共格畸变，存在粒子周围产生共格畸变，存在弹弹 性应变场性应变场，阻碍位错运动。，阻碍位错运动。 在在Ni()Al()基体中，全位错切基体中，全位错切 割有序割有序Ni3Al粒子产生反相畴界粒子产生反相畴界 3 11 2 22 2 fr a G b 为克服界面

21、能，应增加的临为克服界面能，应增加的临 界切应力为：界切应力为： 是界面能是界面能 ，f为第二相体积分数，为第二相体积分数，r为第二相平均半径；为第二相平均半径； 对共格析出物，一般共格界面能为（对共格析出物，一般共格界面能为（1030）10-7J/cm2；反；反 相畴界面能相畴界面能 约为（约为（100300）10-7J/cm2，远大于共格界，远大于共格界 面能，增加的临界切应力为：面能，增加的临界切应力为： 3 11 2 32 2 0.28 A f r Gb A 共格畸变，由长程交互作用引起的临界切应力的增量为：共格畸变，由长程交互作用引起的临界切应力的增量为： 15133 222 3 2

22、7.4 (1) Eb fr Tv 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化 的最佳粒子半径的最佳粒子半径（对沉淀强化型合金）：（对沉淀强化型合金）： 热处理工艺！热处理工艺！ 4 4）第二相强化对合金塑性和韧性的影响）第二相强化对合金塑性和韧性的影响 第二相的性质（如脆性相或韧性相）、含量、大小、第二相的性质（如脆性相或韧性相）、含量、大小、 分布、形状及与基体结合强弱等都影响材料的塑性分布、形状及与基体结合强弱等都影响材料的塑性 和韧性。和韧性。 强化作用的叠加（综合强化）强化作用的叠加（综合强化） 叠加模型：叠加模型： s= 1 +

23、固溶 固溶+ 沉淀（弥散） 沉淀（弥散）+ Ky d-1/2 如：提高钢强度最重要的工艺是淬火和随后的如：提高钢强度最重要的工艺是淬火和随后的 回火，其中包括四种强化机制。回火，其中包括四种强化机制。 要在提高强度的同时，又能改善韧性，降低脆性，可要在提高强度的同时，又能改善韧性，降低脆性，可 从三方面着手：从三方面着手： 一、改善合金的化学成分和冶炼生产方法，去除或固定一、改善合金的化学成分和冶炼生产方法，去除或固定 对韧性不利的有害因素；对韧性不利的有害因素； 二、获得可达到最佳韧性的显微组织和相分布；二、获得可达到最佳韧性的显微组织和相分布； 三、细化显微组织，细化晶粒。三、细化显微组织

24、，细化晶粒。 3.2 3.2 陶瓷材料的强化与韧化陶瓷材料的强化与韧化 1 1、陶瓷材料的力学性能特点：、陶瓷材料的力学性能特点： 陶瓷材料强化研究不如金属材料深入；陶瓷材料强化研究不如金属材料深入； 通常金属材料强度提高，塑性往往下降，韧性也随通常金属材料强度提高，塑性往往下降，韧性也随 之降低；而陶瓷材料强度提高，断裂韧性也随之增大，之降低；而陶瓷材料强度提高，断裂韧性也随之增大， 所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。 强度（断裂强度）高，硬度大，强度（断裂强度）高，硬度大，E大，共价键具有方大，共价键具有方 向性，难以发生位错的运动与增殖，易发

25、生脆性断裂，向性，难以发生位错的运动与增殖，易发生脆性断裂， 即强度较高、韧性差即强度较高、韧性差。 （1 1）组织缺陷）组织缺陷 先在的缺陷、裂纹等先在的缺陷、裂纹等 （2 2）微观组织结构）微观组织结构 气孔率、晶粒尺寸、晶粒形状、晶界相、第二相、气孔率、晶粒尺寸、晶粒形状、晶界相、第二相、 不同相的热膨胀系数差异等。不同相的热膨胀系数差异等。 （3 3）温度）温度 较低温度下，温度对陶瓷材料的强度影响不大，仍较低温度下，温度对陶瓷材料的强度影响不大，仍 然是脆性断裂；在较高温度下，材料在发生断裂前出现然是脆性断裂；在较高温度下，材料在发生断裂前出现 少量的微塑性变形。少量的微塑性变形。

26、2 2、影响强度的因素、影响强度的因素 3、陶瓷材料的韧化、陶瓷材料的韧化 (1) (1) 相变增韧相变增韧 Garvie应力诱导相变增韧过程：四方应力诱导相变增韧过程：四方t-ZrO2单斜单斜m-ZrO2 ，产，产 生体积膨胀形成相变区。产生的相变应力反作用于裂纹尖端，减生体积膨胀形成相变区。产生的相变应力反作用于裂纹尖端，减 缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。 Al2O3/ZrO2是典型是典型 的相变增韧陶瓷的相变增韧陶瓷 t-ZrO2 m- ZrO2 裂纹裂纹 相变区相变区 在陶瓷基体相和分散相之间，温在陶瓷基体相和分散相之间，温 度变化引起的热膨胀差或相变引度变化引起的热膨胀差或相变引 起的体积差产生弥散均布的微裂起的体积差产生弥散均布的微裂 纹，当导致断裂的主裂纹扩展时，纹，当导致断裂的主裂纹扩展时， 这些均匀分布的微裂纹会促使主这些均匀分布的微裂纹会促使主