2-钢铁材料的组织与性能-复习2

二、钢铁材料组织与性能
1.7 位错的相互作用
在实际晶体中，一般同时含有多种晶体缺陷(如除位错外，还有空位、间隙原子、溶质原子等)，它们之间不可避免地要发生相互作用，甚至相互转化。

了解位错与其它晶体缺陷间的相互作用，是理解晶体塑性变形的物理本质的必要基础。

点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场可与位错产生交互作用
种类：弹性的、化学的、电学的。

弹性作用最为重要。

弹性相互作用
溶质原子会使周围晶体产生弹性畸变，而产生应力场，它与位错的应力场相互作用从而升高或降低晶体中的弹性应变能。

分科垂耳型(cottrell)和斯诺克型(snoek)两种作用。

模型：在弹性介质中挖一个球形空洞，再在其中放入刚性球，当球的半径与孔的半径不同时，便需要给晶体做功，以使二者保持相对平衡。

在完整晶体中，溶质原子分布是随机的， 但有其他缺陷（位错）产生应力场时，溶质原子产生的应变能就要发生改变，即产生相互作用。

Cottrell气团的作用
科氏气团是体心立方金属出现明显屈服效应的根本原因，但是其他金属及合金中由于其他原因也可能出现明显屈服效应。

科氏气团形成温度不能太低也不能太高。

Snoek 弹性相互作用
这种四方畸变应力场不仅与刃位错产生相互作用，还能与螺位错的剪切应力场产生相互作用，这些相互作用使间隙原子在位错线附近产生局部择优有序排列，使系统的能量降低。

这种有序排列称斯诺克（Snoek）气团。

和科垂耳气团相比，形成这种气团不需要原子长程扩散，也不需要引起溶质原子的聚集。

化学相互作用—Suzuki气团
在热平衡下， 晶体中扩散位错的层错区与溶质原子间将产生相互作用，被称为化学相互作用。

作用使溶质原子在层错区的浓度与基体不同，它阻碍扩展位错运动，使溶质原子富集于层错区。

层错区富集的溶质原子称为铃木（Suzuki）气团。

1.8 缺陷对材料性能的影响
¾缺陷对材料物理性能的影响¾缺陷对材料力学性能的影响
材料的力学性能：材料在外力作用下，强度和变形方面所表现出的性能。

1 强度
材料在外力(荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。

当材料承受外力作用时，内部就产生应力。

随着外力逐渐增加，应力也相应增大。

直至材料内部质点间的作用力不能再抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力值就是材料的强度。

2 弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，若除去外力后变形随即消失，这种性质称为弹性。

这种可恢复的变形称为弹性变形。

材料在外力作用下产生变形，若除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。

不能恢复的变形称为塑性变形(范性形变)。

材料在受力时弹性变形和塑性变形同时产生
3 脆性与韧性
材料受力破坏时，无显著的变形而突然断裂的性质称为脆性。

在常温、静荷载下具有脆性的材料称为脆性材料。

在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质称为韧性或冲击韧性。

材料的韧性是用冲击试验来测试的，以试件破坏时单位面积所消耗的功表示。

韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。

强度是在外力作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。

塑性则表示材料断裂时总的塑变程度。

4 硬度
金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力　
称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。

材料的硬度越高，其耐磨性越好。

1.8 缺陷对材料性能的影响
¾缺陷对材料力学性能（强度）的影响
实际中，获得较高的强度方法：
1）尽量减小位错密度
如：将晶体拉得很细（晶须），得到丝状单晶体，因直径很小，基本上不含位错等缺陷，故强度常比普通材料高很多。

2）尽量增大位错密度
如：非晶态材料，其位错密度很大，强度也非常高。

材料的强化
材料强化基本原理----金属材料的强化原理
1、固溶强化纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象，即在金属中加入其他元素，通过形成固溶体来提高合金的强度。

固溶强化机制主要考虑的是固溶原子与位错之间的相互作用，溶质原子聚集在静止位错附近，阻止位错运动，引起明显的屈服现象。

根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体。

1、固溶强化
均匀强化
非均匀强化
1）Mott-Nabarro理论
2）Fleischer理论
3）Fleltham理论
Fleischer理论
理论特点：除了尺寸因素外，还考虑了弹性模量的不同
临界分切应力与溶质浓度平方根成正比
－临界分切应力
τ
c
G－切变模量
ε
－失配度
s
c－溶质浓度
非均匀强化
Cottrell气团强化
Snoek气团强化
Suzuki气团强化
有序强化
静电相互作用强化
浓度梯度强化
1） Cottrell气团强化
合金元素与位错之间的弹性交互作用能为
置换式溶质：
ε>0 位于刃位错下方
ε<0 位于刃位错上方
间隙式溶质：
位于刃位错下方
钉扎作用：位错周围合金元素阻碍或限制位错运动
2）Snoek气团强化
Snoek效应：在螺位错的切应力作用下，位错附近的溶质原子都会跳到交互作用能最低的位置上，使溶质原子呈有序分布
Snoek气团强化：位错周围溶质原子的有序分布形成气团，钉扎位错
Snoek气团的特点：
强化作用与温度无关，与溶质浓度成正比
形成速度快（仅需要跳动 ）
常温下对位错的钉扎与Cottrell气团相当，但高温和形变速度过大时，有序化程度太快，作用不显著。

3）Suzuki气团强化（化学相互作用强化）
Suzuki气团：
溶质原子在层错区和基体两部
分浓度不同
浓度差对位错有钉扎作用
Suzuki气团特点：
对位错的钉扎力比Cottrell气团小，但受温度影响小
对刃型位错和螺型位错都有阻碍作用
举例：高温合金中加Co：Co降低Ni层错能，使位错容易扩展，形成Suzuki气团
固溶强化的特点
(1) 溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大
(2) 溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大
(3) 间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用
(4) 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。

细晶强化原因：晶界两侧晶粒取向不一致，一个晶粒内的滑
移带不能穿过晶界直接传播到相邻晶粒
Hall-Petch 关系式
σ0：位错摩擦阻力
Ky ：Petch 斜率
2、细晶强化
3、第二相强化
第二相的分类
a）冶炼过程中产生（夹杂物） 氧化物、硫化物等
夹杂物对合金性能有害
夹杂物与基体结合强度低
夹杂物往往呈尖角状，产生应力集中，促进裂纹形成
第二相强化不包含此类型
b）热处理过程中产生
时效强化（沉淀强化）：依靠过饱和固溶体脱溶产生的强化γ′、γ″等
c）人为添加到合金中
弥散强化：采用粉末冶金方法造成强化 Y 2O 3、Al 2O 3等氧化物颗粒
弥散强化合金使用温度比时效强化合金高
第二相强化理论
a）直接强化
第二相的存在使位错运动受阻
共格应变强化机制
化学强化（位错切过）机制
Orowan位错绕过强化机制
b）间接强化
第二相的存在影响了显微结构
钢中的TiC－细化晶粒；TD-Ni中的ThO2－阻止晶粒长大
共格强化理论
ε↑τ↑
f ↑τ↑
τ－屈服应力
ε－失配度
f－第二相体积百分数
第二相使晶格错配而产生弹性应力场，对位错运动施加阻力直接强化
位错切过机制（化学强化）
产生条件：
基体与第二相有公共的滑移面，即第二相与基体保持共格或半共格
基体与析出相中柏氏矢量相差很小，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，即第二相可与基体一起变形
位错切过第二相的阻力（强化原因）
¾新增表面能：
位错切过后，第二相两边各出现新的表面
¾反相畴界能：
第二相为有序相时
¾弹性模量差：
第二相与基体的弹性模量不同，位错线张力发生变化¾弹性应力场：
第二相的共格畸变在界面附近形成弹性应力场
Orowan
（绕过）强化（不可变形微粒的强化作用）
Orowan 公式α－常数
f－体积百分数
r－粒子半径
位错靠近粒子
位错线弯曲
反号位错抵消，
形成位错环
位错继续运动
条件：第二相粒子间距较大；粒子本身很硬，位错切过困难
Ni合金中位错绕过Ni3Al相的电镜照片
模量强化
如果析出相的剪切模量与基体不同，则位错线进入该析出相时，其线张力会发生改变，由此产生的强化作用称为模量强化。

材料的断裂
材料的断裂是指材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。

材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。

材料的断裂行为包括裂纹的成核、长大与扩展三个过程。

这与材料内部的微观结构以及缺陷有密不可分的关系，其中位错的作用占有重要的地位。

2.1 马氏体组织与性能。