《金属的强化机制》课件

《金属的强化机制》

强度Strength

强化Strengthening

汽车工业的要求：safer,lighter,stronger3因素：新设计/材料选择/新制造方法强度高、成形性好

“减重/节能/降低排放/提高安全性”

10%weightreduction/6%increaseinefficiencySlipsystemsarefreewaysfordislocations

滑移系－位错运动的高速公路滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogyThreereasonsfortraffic交通阻塞的3种原因：BlockedFreeways(construction)TooManyCarsPedestrians,StoppedCars

TrafficBroken/BlockedFreeways-ConstructionSlip滑移GrainBoundaries晶界滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogyTrafficTooManyCarsSlip滑移

DislocationDensity位错密度

滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogy位错网格晶体中F-R源形态变化过程TrafficPedestrians,StoppedCarsSlip滑移

Solute

溶质原子Impurities杂质Secondphaseparticles第二相粒子滑移与高速公路

Slip:TheHighwayAnalogy置换固溶体间隙固溶体Al合金第二相主要强化机制

Strengtheningmechanisms晶界强化应变强化－加工硬化固溶强化弥散强化SoluteatomsPrecipitates&dispersedparticlesInteractingdislocationsGBstrengthening

1.晶界强化

Grainboundarystrengthening1）晶界—畸变—晶界能—向低能量状态转化—

晶粒长大、晶界变直—晶界面积减小；

2）阻碍位错运动—流变应力↑—细晶强化；

3）位错、空位等缺陷多—晶界扩散速度高；

4）晶界能量高、结构复杂—容易满足固态相变

的条件—固态相变首先发生地；

5）化学稳定性差—晶界容易受腐蚀；

6）微量元素、杂质富集。MostMetalsarePolycrystalline

多晶体

NeighborsInterfere!强度Polycrystals（多晶体）>Monocrystals（单晶体）ActualYield3grains8grainsWhichismoredifficultfordislocationmovements?GrainBoundaries晶界晶粒大小的影响霍尔－配奇（Hall-Petch）公式

0－晶内变形阻力，相当于单晶体的屈服强度；

Ky－

晶界性质影响的阻力系数；

d－晶粒直径。

限制：纳米材料不适用YieldStrengthvs.GrainSize细晶强化通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、韧性提高的现象。晶界原子排列不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越高。※※晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中；晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。均质纯净超细形变热处理(Thermomechanicalprocessing,TMCP)超细晶(ultrafinegrain,UFG)百炼钢2.形变强化

Work/Strainhardening形变位错受到阻碍/相互作用Interaction

加工硬化——古老又普遍的现象

加工硬化WorkhardeningYieldStrengthvs.DislocationDensity

位错密度与应力的关系

:flowstress

:measureddislocationdensity=>加工硬化与位错有直接关系

½-cmStress

0k=b加工硬化与位错的关系

3.固溶强化

Solutionhardening固溶体强度>基体金属 固溶体solution溶质 solute溶剂 solvent固溶度solubility 固溶强化：合金元素固溶到基体金属（溶剂）中形成固溶体时，合金的强度、硬度提高。固溶强化机制晶格畸变合金元素与基体金属的原子尺寸差越大，固溶强化效果越大。钉扎位错－可运动的溶质原子钉扎位错而造成强化（开始屈服时）。位错在溶质原子的应力场中运动σ－合金的流变应力；σ

0－纯金属的流变应力；c－溶质的原子浓度；K,m－常数。流变应力随溶质浓度的变化HardnessofSteelvs.InterstitialCarbonContent4.弥散强化dispersedhardening

基体+第二相（金属的氧化物、碳化物或其他化合物）方法：1)过饱和固溶体-时效

2)粉末冶金、内氧化第二相弥散质点（尺寸/分布/体积分数）

DispersedsecondphaseparticleMicrostructureofAluminumAlloyafterPrecipitationHardening7150-T651aluminumalloy(6.2Zn-2.3Cu-2.3Mg-0.12Zr-balancedAl)⑴位错切过第二相质点－形成新的界面；－交界处原子排列不同；－滑移面不同。⑵位错绕过第二相质点Orowan机制质点尺寸↑铝合金分类和强化分类:变形铝合金、铸造铝合金强化方法固溶、冷变形、时效强化，变质处理。

单纯的固溶体强化有限，配合有效的沉淀强化处理。沉淀强化：在固溶度随温度降低而减小的合金中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体；对过饱和固溶体在较低的温度下加热使之发生分解，析出弥散相，并引起合金强化的热处理过程。1:将合金在340to451ºC固溶，形成过饱和固溶体；2:快速淬火，防止形成第二相；3:低于340ºC时效，形成细小弥散的

相。451ºC340ºCAl-8%Mg合金晶体微观缺陷的变化（工业纯铁和钢类似）塑性变形原子排列发生畸变晶格扭曲晶体缺陷增多择优取向（织构）渗碳体对碳钢变形的影响(阻碍铁素体的变形）数量尺寸形态渗碳体含量增加，阻碍作用增大层片越细，阻碍作用增大片状的比球状的阻碍作用大，网状的比片状的更大。阻碍变形取决于空位、位错、晶界、亚晶界各晶粒内原子排列位向趋于一致马氏体析出硬化淬冷－马氏体相碳浓度过饱和时效－析出效应TypicalPrecipitationHardenedAlloys

典型沉淀硬化合金Al2014ForgedAircraftFittings,

AlStructures2024Highstrengthforgings,

Rivets7075

AircraftStructuresCuBerylliumBronze:

SurgicalInstruments,

Nonsparkingtools,

GearsMg AM100A

SandCastings AZ80A

ExtrudedproductsNi

HighTemperatureAlloy Inconel700 upto1800FFe

HighStrengthStainlessTypicalPrecipitationHardenedAlloys

典型沉淀硬化合金铝合金形变热处理提高铝合金的强度和韧性－脱溶沉淀

根据相变与形变发生的顺序，调整热处理工艺：

1.加工始态－是固溶还是时效；

2.加工温度－形变过程是否伴随相变；

3.加工后时效－形变后相变。(d)位错及析出物;(e)铁素体晶粒(a)亚晶;(b)铁素体再结晶晶粒;(c)位错及析出物

低碳Nb钢的TEM照片

碳钢的形变热处理铁素体：强化机制：细晶、固溶、析出、亚晶扩展：其它强化机制组织强化microstructurehardening相变强化

multi-phasestrengthening应变诱发转变

动态Hall-Petch效应

straininduced

transformation/twinning组织强化－高强度金属丝

High–strengthsteelwireThestrongestknownmetal(disregardingwhiskerfilament)isdrawnpearlitic（珠光体）wire.Notonlywithextremelyhighstrength,butalsowithanamazing

ductilityatthisstrengthlevel.

珠光体钢丝－超高强度、高塑性

Limitation:onlybeingproducedbydrawingwiretoareductioninareaofover90%

finewires细丝DescriptionofUTSRange(MPa)Pianowire1790~2400Mandolinwire2000~2760Wirecables2210Galvanizedsuspensioncablewire1380~1590Mechanicalspringwires2960Heattreatment:toachievethefinestpossiblepearlitespacingpriortodrawing热处理:在拉拔前获得细的珠光体

变形→位错密度增加→位错缠结高位错密度区将位错密度低的区域隔开→晶粒内部出现“小晶粒”，取向差不大→胞状亚结构透射电镜（TEM）