材料的强化与韧化

关于材料的强化与韧化强韧化意义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。第2页,共35页，2024年2月25日，星期天强度：材料抵抗变形和断裂的能力材料强度缺陷数量冷加工状态退火状态无缺陷的理论强度材料强度与缺陷数量的关系增加材料内部的缺陷，提高强度，如形变，固溶，细化晶粒，第二相粒子。提高强度的方法：完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度；第3页,共35页，2024年2月25日，星期天3.1金属及合金的强化与韧化纯金属合金细晶强化细晶强化形变强化形变强化固溶强化弥散强化沉淀强化第二相强化纤维强化界面强化形变热处理强化、相变强化第4页,共35页，2024年2月25日，星期天

它不是工业上广泛应用的强化方法，它受到两个限制：使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化；由于硬化会引起金属脆化，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。一、形变强化第5页,共35页，2024年2月25日，星期天二、固溶强化固溶方式：间隙固溶、置换固溶固溶强化：在纯金属中加入溶质元素，形成固溶合金或多相合金，将显著提高屈服强度。固溶强化的影响因素：溶质原子含量越多，强化效果越好；（但固溶是有限的）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。第6页,共35页，2024年2月25日，星期天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错交互作用的结果。

弹性交互作用、化学作用、电化学作用、有序化作用溶质原子可以是均匀不规则地分布在基体中，也可以偏聚到位错周围形成各种气团，这两种情况都可以使金属材料的基体造成强化。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，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。第7页,共35页，2024年2月25日，星期天非均匀固溶强化理论浓度梯度强化Cottrell气团强化Snoek气团强化Suzuki气团强化静电相互作用强化有序强化第8页,共35页，2024年2月25日，星期天Cottrell（柯氏）气团强化:原因：合金元素与位错之间是弹性交互作用－错配度交互能：位错合金元素第9页,共35页，2024年2月25日，星期天在稳定状态（U<0）时，位错周围合金元素的浓度与其他地方有所不同。围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“柯氏气团”；若破坏这种状态使位错运动，要增加外力，即提高金属强度。柯氏气团也称为合金元素对位错钉扎作用，气团的形成不需要很多的溶质原子。ε>0ε<0正刃型位错第10页,共35页，2024年2月25日，星期天屈服现象、应变时效与Cottrell气团屈服现象：上下屈服点、吕德斯带扩展。应变时效：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200℃加热后（人工时效）再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。第11页,共35页，2024年2月25日，星期天思考：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？

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1％～2％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，然后进行冲压成型；也可向钢中加入少量Ti，Al与C，N等形成化合物，使之不能有效的钉扎住位错，消除屈服点。第12页,共35页，2024年2月25日，星期天马氏体钢：当间隙固溶碳量增至0.4%时，硬度为60HRC，ψ约为10%；提高碳含量，wt(C)=1.2%，硬度为68HRC，ψ<5%。可见随着固溶C原子的增加，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。固溶强化举例第13页,共35页，2024年2月25日，星期天三、细晶强化与韧化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直接进入第二个晶粒；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用力，此反作用力随位错塞积的数目n而增大。1）细晶强化晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高。第14页,共35页，2024年2月25日，星期天大量实验和理论的研究工作证实了晶界处位错源的存在。Hall-Petch关系式σ0和Ky是两个和材料有关的常数（需试验测定），d为晶粒直径。第15页,共35页，2024年2月25日，星期天低碳钢晶粒与屈服强度的关系第16页,共35页，2024年2月25日，星期天2）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。塑性代表的是断裂（由裂纹扩展引起）时的伸长率，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。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？第17页,共35页，2024年2月25日，星期天3）细化晶粒的方法改善结晶及凝固条件；调整合金成分，加细化晶粒的元素，如B，Mg，稀土元素等；控制热处理工艺；采用形变热处理方法；往复相变细化方法；第18页,共35页，2024年2月25日，星期天四、第二相强化组成：基体＋第二相位错和第二相交互作用形成第二相强化，其强化效果比固溶强化更为显著：①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；②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、粒子形状和分布等有关，按粒子的大小和形变特性分成：①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；②易形变的粒子，如沉淀强化的小尺寸粒子。第19页,共35页，2024年2月25日，星期天1）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。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。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；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；沉淀强化受温度影响。第20页,共35页，2024年2月25日，星期天2）弥散强化用粉末冶金法，向基体金属中加入金属氧化物、氮化物、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；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；第二相弥散强化常用物质：Y2O3，Al2O3，ThO2第21页,共35页，2024年2月25日，星期天3）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。强化理论：共格应变强化理论、Orowan绕过强化机制、位错切过第二相强化理论、间接强化机制。对具体合金，含有一种或几种强化理论。第22页,共35页，2024年2月25日，星期天Orowan（奥罗万）强化机制定义：位错线绕过不易形变的粒子沉淀强化合金中当析出相到一定尺寸的时候，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。第23页,共35页，2024年2月25日，星期天Orowan公式：使位错线继续运动的临界切应力的大小为f越大，粒子半径r减小，强化效应越好常数α对刃型位错是0.093，对螺型位错是0.14；f是粒子的体积分数，r为第二相粒子半径。第24页,共35页，2024年2月25日，星期天位错切过第二相强度理论条件：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；第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的半位错；第二相强度不能太高，可与基体一起变形Ni-19%Cr-6%Al合金中位错切过Ni3Al粒子的TEM照片沉淀强化型合金符合以上条件第25页,共35页，2024年2月25日，星期天位错切过第二相的强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系，主要有以下几方面的作用：位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴（位错扫过有序结构时形成的错排面），使位错切过粒子时需要附加应力。粒子点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。在Ni(○)Al(●)基体中，全位错切割有序Ni3Al粒子产生反相畴界第26页,共35页，2024年2月25日，星期天为克服界面能，应增加的临界切应力为：是界面能，f为第二相体积分数，r为第二相平均半径；对共格析出物，一般共格界面能为（10～30）×10-7J/cm2；反相畴界面能约为（100～300）×10-7J/cm2，远大于共格界面能，增加的临界切应力为：共格畸变，由长程交互作用引起的临界切应力的增量为：第27页,共35页，2024年2月25日，星期天综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径（对沉淀强化型合金）：热处理工艺！！！第28页,共35页，2024年2月25日，星期天4）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、分布、形状及与基体结合强弱等都影响材料的塑性和韧性。第29页,共35页，2024年2月25日，星期天强化作用的叠加（综合强化）叠加模型：

s=

1+固溶+沉淀（弥散）+Kyd-1/2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。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：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；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。第30页,共35页，2024年2月25日，星期天3.2陶瓷材料的强化与韧化1、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；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，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，E大，共价键具有方向性，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。第31页,共35页，2024年2月25日，星期天（1）组织缺陷先在的缺陷、裂纹等（2）微观组织结构气孔率、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。（3）温度较低温度下，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少量的微塑性变形。2、影响强度的因素第32页,共35页，2024年2月25日，星期天3、陶瓷材料的韧化(1)相变增韧Garvie应力诱导相变增韧过程：四方t-ZrO2→单斜m-ZrO2

，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是典型的相变增韧陶瓷t-ZrO2m-ZrO2裂纹相变区第33页,共35页，2024年2月25日，星期天