金属强化机制专题培训课件
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第4章金属变形与强化
脆性 材料
使在断裂前发生较
塑性材料
大的塑性变形。强
度和塑性同时增加,
金属在断裂前消耗
的功也大，因而其
应变
韧性也比较好。
第4章金属变形与强化
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化。
多晶体金属的屈服点 与其晶粒直径的关系 符合霍尔-佩奇公式
d——晶粒的平均直径，单位为cm
第四章 金属的变形与强化
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
第4章金属变形与强化
5万吨水压机
第一节 纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。
面和晶向相对于另一部分发生相对 滑动的现象。
1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力.
⑵ 滑移常沿晶体中原子密 度最大的晶面和晶向发生。
因原子密度最大的晶面和 晶向之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑移所 需切应力最小（如右图）
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
第二节 合金的塑性变形与强化 机制
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
第4章金奥属氏变体形与强化珠光体
实际工程材料中，一切阻碍位错运动的因素 都会使金属的强度提高，造成强化。
阻碍位错运动的障碍有四种： 溶质原子——固溶强化 第二相粒子——沉淀强化 晶界————晶界强化 位错本身——位错强化
金属强化机制
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感、 生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
金属纳米材料的制备工艺
零维金属纳米材料的制备方法 气相法 液相法 水热法 溶胶-凝胶法 高能球磨法 一维金属纳米材料的制备方法 晶体的气-固生长法 选择电沉积法 二维金属纳米材料的制备方法 溶胶-凝胶法 高速超微粒子沉积法 溅射法 惰性气体蒸
霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d 与屈服强度σs的关系：
-1/2
σs = σ0+kd
σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强 度； k——晶界对变形的影响系数。
细晶强化是唯一不以降低材料的塑性来增加 强度的强化方法
晶粒强化的原因 ：晶粒细化后，晶界增多，而晶界 上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高 强度。
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移 系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从 一个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排 列不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
(3)表面涂层材料。纳米铝、铜、镍粉体有高活化表 面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施 涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。
(4)高效催化剂。铜及其合金纳米粉体用作催化剂， 效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇 等反应过程中的催化剂。通常的金属催化剂铁、铜、 镍、钯、铂等制成纳米微粒可大大改善催化效果。 由于比表面巨大和高活性，纳米镍粉具有极强的催 化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。 粒径为30nm的镍可将有机化学加氢及脱氢的反应速 度提高15倍。
金属纳米材料的制备工艺
零维金属纳米材料的制备方法 气相法 液相法 水热法 溶胶-凝胶法 高能球磨法 一维金属纳米材料的制备方法 晶体的气-固生长法 选择电沉积法 二维金属纳米材料的制备方法 溶胶-凝胶法 高速超微粒子沉积法 溅射法 惰性气体蒸
霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d 与屈服强度σs的关系：
-1/2
σs = σ0+kd
σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强 度； k——晶界对变形的影响系数。
细晶强化是唯一不以降低材料的塑性来增加 强度的强化方法
晶粒强化的原因 ：晶粒细化后，晶界增多，而晶界 上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高 强度。
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移 系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从 一个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排 列不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
(3)表面涂层材料。纳米铝、铜、镍粉体有高活化表 面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施 涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。
(4)高效催化剂。铜及其合金纳米粉体用作催化剂， 效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇 等反应过程中的催化剂。通常的金属催化剂铁、铜、 镍、钯、铂等制成纳米微粒可大大改善催化效果。 由于比表面巨大和高活性，纳米镍粉具有极强的催 化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。 粒径为30nm的镍可将有机化学加氢及脱氢的反应速 度提高15倍。
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si 和Fe的结合力 >Fe和C的结合力 ,↑ac
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
金属_强化机制 (1)
金属的强化通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。
一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。
影响强度的因素中最重要的是材料本身的成分、组织结构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降。
强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。
应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。
直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。
在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。
而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。
可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
8金属材料的强化途径及其概念
措施：固溶（加热熔融)→急冷至室温（获得非平衡组织结构）
粉末冶金，又称弥散强化
措施：互不相容的弥散颗粒（如氧化物 ）和金属粉末均匀混合后压实再高温烧结
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理 二、金属材料的强化途径
实际中，大多数金属多是几种强化共同作用。
金属材料工程第八讲
胡燕燕
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理
金属的屈服强度可在很大范围内变化，它对金属的纯度、 成分以及热处理状态的变化很敏感。而金属的强化一般通 过增大位错阻力实现。
位错
金属材料工义：金属材料在再结晶温度以下塑性变形（冷塑性变形）时强度和硬度升高，
小资料：钢板轧制过程中，越炸越硬，以致轧制开裂。可按中间退火工序，通过 加热消除加工硬化现象——称为“再结晶退火”，使钢件内部回到变形前状态，塑 性得到复原，进行继续轧制。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
2、固溶强化： 定义：合金元素溶于金属基体中形成固溶体使其强度、硬度升高，塑性、韧性
下降的现象。
原理：溶质原子的溶入使金属的晶格发生畸变，从而产生附加应力场，阻碍位错运动
溶质原子常常被吸附在位错线的附近，降低位错的能量，阻碍其运动。
强化效果影响因素：
溶质原子和溶剂原子的直径，电化学特征差异。 固溶体的类型，间隙固溶体合金效果比置换式固溶体合金好 溶质的加入量，溶解度范围内，越多越好。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
金属强化中最受重视， 在生产被广泛应用
3、细晶强化：
定义：通过减小材料的晶粒度来提高金属强度的方法
原理：源于晶界是位错运动的最大阻碍
优点：不仅能量显著的提高材料的强度，而且能提高塑性和韧性。
粉末冶金，又称弥散强化
措施：互不相容的弥散颗粒（如氧化物 ）和金属粉末均匀混合后压实再高温烧结
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理 二、金属材料的强化途径
实际中，大多数金属多是几种强化共同作用。
金属材料工程第八讲
胡燕燕
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理
金属的屈服强度可在很大范围内变化，它对金属的纯度、 成分以及热处理状态的变化很敏感。而金属的强化一般通 过增大位错阻力实现。
位错
金属材料工义：金属材料在再结晶温度以下塑性变形（冷塑性变形）时强度和硬度升高，
小资料：钢板轧制过程中，越炸越硬，以致轧制开裂。可按中间退火工序，通过 加热消除加工硬化现象——称为“再结晶退火”，使钢件内部回到变形前状态，塑 性得到复原，进行继续轧制。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
2、固溶强化： 定义：合金元素溶于金属基体中形成固溶体使其强度、硬度升高，塑性、韧性
下降的现象。
原理：溶质原子的溶入使金属的晶格发生畸变，从而产生附加应力场，阻碍位错运动
溶质原子常常被吸附在位错线的附近，降低位错的能量，阻碍其运动。
强化效果影响因素：
溶质原子和溶剂原子的直径，电化学特征差异。 固溶体的类型，间隙固溶体合金效果比置换式固溶体合金好 溶质的加入量，溶解度范围内，越多越好。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
金属强化中最受重视， 在生产被广泛应用
3、细晶强化：
定义：通过减小材料的晶粒度来提高金属强度的方法
原理：源于晶界是位错运动的最大阻碍
优点：不仅能量显著的提高材料的强度，而且能提高塑性和韧性。
强化机制-1
课程内容
1. 钢的强化与韧化； 2. 钢的热加工金属学基础； 3. 变形条件下的相变； 4. 微合金元素在控制轧制中的作用； 5. 中、高碳钢控制轧制特点； 6. 控轧条件下钢的变形抗力； 7. 钢材的控制冷却； 8. 控制轧制和控制冷却的应用；
1.钢的强化与韧化
1.1 钢的强化机制； 1.2 钢的韧性；
晶界强化
根据位错理论计算可得到屈服度与晶粒尺寸的 关系为：Hall-Petch公式
s i K1D1/ 2
式中σi是常数，大体相当于单晶体时的屈服强度。 K1它是表征晶界对强度影响程度的常数，它和晶界 结构有关，而和温度关系不大。
Hall-Petch公式 s i K1D1/2
根据计算和实验，一般的质点间距最佳值在20一50个原子间距， 体积数的最佳值在2％左右。
材料的组织与力学性能的关系
沉淀相的部位、形状对强度都有影响。其一般规律是：沉 淀颗粒分布在整个基体上比晶界沉淀的效果好；颗粒形状球 状和片状相比，球状有利于强化。
因为片状颗粒对于在与其平行的原子面上运动的位错的阻 力很小，而球状颗粒对于任何原子面上运动的位错有相同的 阻力。
再结晶区轧制是通过再结晶使晶粒细化，从这个 意义上说，它实际上是控制轧制的准备阶段。再结 晶区域通常是在约950℃以上的温度范围。
(2) 奥氏体未再结晶区控制轧制
（又称为Ⅱ型控制轧制或常化轧制）
在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，晶粒沿轧 制方向伸长，在晶粒内部产生形变带。由于晶界面 积的增加，提高了的形核密度，在形变带上出现大 量的晶核。这样进一步促进了晶粒的细化。
1.1 钢的强化机制
❖ 固溶强化 ❖ 位错强化 ❖ 沉淀强化 ❖ 晶界强化 ❖ 亚晶强化 ❖ 相变强化
金属的强化方法及机理优秀课件
非晶态金属 位错密度
实验证明，金属强度 与位错密度有左图所 示的关系。退火态金 属的位错密度为 106~108/cm2 ，强度最 低，在此基础上增加 或降低位错密度，都 可有效提高金属强 度。加工硬化态金属 的位错密度为 1011~1012/cm2 。
冷加工过程中，除了力学性能的变化， 金属材料的物理化学性能也有所改变。
例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大， 给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使 电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高 能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使 抗腐蚀性能降低。
（四）第二相强化
第二相粒子可以有效地阻碍位错运动，运动着 的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过， 或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过 程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所 以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小， 粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。 这种有第二相粒子引起的强化作用称之为第二 相强化。根据两者相互作用的方式有两种强化 机制：弥散强化和沉淀强化。
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以上，在某一温度保持一定 时间，使得B组元充分溶入α固溶体中，然后迅速冷却，抑制B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
新的界面
Mg17Al12
Mg3Sb2
弹性交互作用
化学交互作用
电学交互作用
（属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。
晶粒大小对纯铁力学性能的影响
金属的强化机制
各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。20世 纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。金属材料滑 移（塑性变形）的微观机理是存在位错运动
（1）位错是实际晶体中 存在的真实缺陷，现在 可以直接利用高分辨透 射电镜观察，如下图所 示。
位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于 只需沿滑移面改变近邻原子的位臵即可实现滑移，因此，所需 的力很小，上述过程很易进行。
2014-8-22
10
位错的观测
利用透射电子显微镜可直接观察到材料微结构中的位错 。 TEM 观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以 穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间 距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、 晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律。而在位错 存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦 将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围 区域形成衬度（黑白对比度）反差，这就是用 TEM 观 察位错的基本原理，
而在位错存在的区域附近晶格发生了畸变因此衍射强度亦将随之变化于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度黑白对比度反差这就是用tem观察位错的基本原理位错的观测各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差34个数量级
7.1 金属的强化机制
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的 强度，称为金属的强化。
2014-8-22
49
霍尔—培奇(Hall—Petch)公式 1） 晶界是位错运动的障碍，因而晶粒愈细小，晶 界的总面积愈大，位错的运动愈困难，材料的强度 也就愈高。 2）Hall—Petch根据这一观点总结出金属屈服强度 （流变强度、疲劳强度等）与晶粒大小的关系式：
s i kyd
第5章 金属材料强化的途径
的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出；
5、流变应力
流变应力的组成 对流变应力有贡献的阻力主要是两类： 1）抑制位错源开动的应力，称之源硬化。 2）前面谈到的阻力是位错开始运动之后才起作用的，对位
错的运动起着妨碍的作用，称为摩擦阻力。
提高流变应力的方法 为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种种努力不 外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
第二节 形变强化
举例2：下图为冷变形对工业纯铜性能的影响，随变形量增 大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。
σs
工 程 应 力
σs
工 程 力 学
强度提高 Δ σs
纯铜材料（Cu)
工程应变
工程应变
第二节 形变强化
上述的现象说明形变可以强化金属。 金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量 很大时，晶粒难以分辨。
第三节 固溶强化
（5）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体， 在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。 引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作 为代价的。
5、流变应力
(2) 其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中 d 应变硬化速率 d 和塑性变形量 f l 来决定。所以，在断 裂前的最大强度大致可按下式计算：
max l
f
l
d ( )d d
工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件
第二节 形变强化
形变强化是金属材料强化常用的方法。
适用对象是不再经受热处理并且使用温度远低于再结 晶温度的金属材料；
塑性变形对金属物理、化学性能的影响： 经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性能也将发生明显 的变化。通常使金属的导电性、电阻温度系数和导热性下降。 塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但矫顽力增加。塑性变 形提高金属的内能，使化学活性提高，耐腐蚀性下降。
6第四章金属强化理论和钢的热处理1ppt课件
实际使用的金属材料，往往是上述几种强化机理同时在起作用，以获得尽 可能好的强化效果强化：如低碳低合金高强度钢，此钢系统是利用V、Ti、B、Nb、RE 及Mn、Si等建立起来的。材料强化特点是：加入少量Si、Mn、Cu、P等元素强 化铁素体(固溶强化)，加入微量Al、Cu、V、Ti、Nb等元素使晶粒细化并产生 细小析出物NbC、VC等(细晶强化和第二相强化)，达到综合强化的效果。
2.马氏体强化：是通过热处理获得马氏体组织使钢得以强化的方法，是钢 铁材料强化的重要手段。马氏体强化主要是通过碳在α-Fe中的过饱和溶解造 成固溶强化，但同时也伴有其它强化作用，如目前已得到广泛应用的低碳马 氏体，除固溶强化外，由于组织转变中的容积变化和滑移过程、使其组织中 的每个板条都存在着很高密度的位错，即位错强化效果十分显著，同时板条 之间存在着小角度晶界以及马氏体转变时伴有细小碳化物的析出，所以还有 细晶强化和第二相强化的因素存在，因而热处理对材料的强化作用也是综合 性的。
(亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同 )
6 第四章
二、奥氏体晶粒度及其影响因素
奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有着重要的影响。热处理加热时获 得细小均匀的奥氏体晶粒，冷却后钢的力学性能就好。奥氏体晶粒大小是评 定加热质量的主要指标之一。
（1）晶粒度（定义）是表示晶粒大小的尺度。1-4级为粗晶粒，5-8级细晶粒。
图4-4 共析钢中奥氏体形成过程示意图
6 第四章
（(共析钢)奥氏体的形成四个阶段）
(1)奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这
是因为在相界处，原子排列紊乱，能量较高，能满足晶核形成的结构、能 量和浓度条件。 (2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，另一面和渗 碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度 高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在着碳 的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的 铁素体界面扩散，为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不 断向铁索体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。 (3)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方向成长的速度 远大于渗碳体的溶解．因此在奥氏体形成之后，还残留一定量的未溶渗碳 体。这部分渗碳体只能在随后的保温过程中，逐渐溶入奥氏体中，直至完 全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀， 原来属于渗碳体的地方含碳较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必须继 续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。
2.马氏体强化：是通过热处理获得马氏体组织使钢得以强化的方法，是钢 铁材料强化的重要手段。马氏体强化主要是通过碳在α-Fe中的过饱和溶解造 成固溶强化，但同时也伴有其它强化作用，如目前已得到广泛应用的低碳马 氏体，除固溶强化外，由于组织转变中的容积变化和滑移过程、使其组织中 的每个板条都存在着很高密度的位错，即位错强化效果十分显著，同时板条 之间存在着小角度晶界以及马氏体转变时伴有细小碳化物的析出，所以还有 细晶强化和第二相强化的因素存在，因而热处理对材料的强化作用也是综合 性的。
(亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同 )
6 第四章
二、奥氏体晶粒度及其影响因素
奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有着重要的影响。热处理加热时获 得细小均匀的奥氏体晶粒，冷却后钢的力学性能就好。奥氏体晶粒大小是评 定加热质量的主要指标之一。
（1）晶粒度（定义）是表示晶粒大小的尺度。1-4级为粗晶粒，5-8级细晶粒。
图4-4 共析钢中奥氏体形成过程示意图
6 第四章
（(共析钢)奥氏体的形成四个阶段）
(1)奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这
是因为在相界处，原子排列紊乱，能量较高，能满足晶核形成的结构、能 量和浓度条件。 (2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，另一面和渗 碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度 高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在着碳 的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的 铁素体界面扩散，为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不 断向铁索体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。 (3)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方向成长的速度 远大于渗碳体的溶解．因此在奥氏体形成之后，还残留一定量的未溶渗碳 体。这部分渗碳体只能在随后的保温过程中，逐渐溶入奥氏体中，直至完 全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀， 原来属于渗碳体的地方含碳较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必须继 续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。
金属的四种强化机制
典型的金属材料拉伸曲线
M⑻2
间隙固溶悻置换固溶体
O—溶剂限予•一/质K4于J时科基
3、第二相强化
位错线
(a)(b)(c)⑷
奥罗万机制示意
C〕位错线通过前Mb〕位错线弯曲；“〕形成位错环Md〕
位错线通过七诟福
4、细品强化
细晶强化：随晶粒尺寸的减小,材料的强度硬度升高,塑性、韧性得到改善的现象称为细晶强化.细化晶粒可以同时提升强度,改善钢的韧塑性,是一种较好的强化材料的方法.
合金的晶粒越细小,内部晶粒和晶界的数目就越多.细晶强化利用晶界上原子排列的不规那么性、原子能量高的这一特点,对材料进行强化.根据霍尔-配奇关系式,晶粒的平均直径越小,材料的屈服强度越高.
反霍尔-佩奇现象。
纯金属的变形强化PPT课件
变形强化的重要性
提高金属材料的强度和硬度， 使其能够承受更高的载荷和更 恶劣的环境条件。
增强金属材料的耐磨性和耐腐 蚀性，延长其使用寿命。
降低金属材料的成本，因为可 以通过优化加工工艺来减少材 料浪费和降低生产成本。
变形强化的历史与发展
早期发展
早在古代，人们就已经开始通过锻造、锤打等手段对金属进行变形强化。随着工 业革命的兴起，人们对金属的强度和性能要求越来越高，变形强化逐渐成为一种 重要的金属加工技术。
离子注入工艺
将金属置于真空状态下，利用离子束将特定元素注入到金 属表面，使表面形成一层具有特殊性能的合金层，从而提 高金属的耐腐蚀性和耐磨性。
04
纯金属的变形强化应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
航空航天领域应用
航空发动机叶片
通过变形强化技术提高叶片的强 度和耐高温性能，确保发动机在 高温、高压和高转速的极端条件 下稳定运行。
ERA
位错强化机制
位错强化机制是纯金属变形强化中最常见的机制之一。
当金属受到外力作用时，位错会沿滑移面运动，导致晶体内部位错密度增加，形成 位错缠结和塞积。
位错强化机制通过阻碍位错运动来提高金属的强度和硬度，从而提高金属的变形抗 力。
孪晶强化机制
孪晶强化机制是通过孪晶界面的 形成来阻碍位错运动，从而提高
总结
通过引入先进的工艺技术， 可以有效地提高纯金属的 加工质量和效率，降低生 产成本。
应用领域的挑战与解决方案
挑战
纯金属在不同应用领域中面临不同的挑战，如高 温、腐蚀、辐射等环境因素。
解决方案
针对具体应用领域，选择适合的纯金属材料和表 面处理技术，以提高其耐久性和稳定性。
金属强化机制1
然而，当变形温度高于0.5Tm （熔点）以上时，由于原子活 动能力的增大，以及原子沿晶 界的扩散速率加快，使高温下 的晶界具有一定的黏滞性特点， 它对变形的阻力大为减弱，即 使施加很小的应力，只要作用 时间足够长，也会发生晶粒沿晶界的相对滑动，此外，在 高温时细晶粒的多晶体还可能会出现扩散性蠕变的变形机 制，晶粒越细，扩散蠕变速度就越大，对高温强度越不利。 如图，当温度低于“等强温度TE”晶界强度高于晶粒内部， 高于TE时则晶内强度高于晶界强度。
由于第二相粒子与基体的晶体点阵不同或至少是点阵常数不同故当位错切过粒子时必然在滑移面上造成原子的错排需额外做功给位错运动带来困由于粒子与基体的比体积的差别沉淀粒子与母相之间保持共格或半共格结合故在粒子周围产生弹性应力场与位错产生交互作用对位错运动有阻基体与粒子中的滑移面取向不相一致则位错切过后会产生一割阶割阶的存在会阻碍整个位错线的运动
金属强化机制
刘文萍 2012年10月30日
金属强化机制
固溶强化 第二相粒子强化 细晶强化 加工硬化 有序强化
固溶强化
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中
溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀 混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类 型。 与组成固溶体的纯组元相比，固溶体的晶格类 型不发生变化，但点阵常数都会发生变化；其 硬度、强度升高，而塑性、韧性相对下降，但 综合力学性能优于纯金属。
晶界对多晶体塑性变形的影响
主要取决于晶界数量，晶粒大 小又决定了晶界数量。图为低 碳钢的晶粒大小与屈服点的关 系曲线，由图可见，钢的屈服 点与晶粒直径平方根的倒数呈 线性关系。晶粒越小，晶粒数量越多，屈服点越大。 霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d与 屈服点σs的关系： -1/2 σs = σ0+kd σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度； k——晶界对变形的影响系数。
金属的强化机制及强韧性能的控制
金属的强化机制及强韧性能的控制强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。
应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。
一、强化机制强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。
直到1934年，奥罗万、波拉尼和泰勒分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度低于理论切变强度的本质。
在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。
而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性。
可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
可惜当晶须的直径较大时，强度会急剧下降。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的。
固溶强化结构用的金属材料很少是纯金属，一般都要合金化。
合金化的主要目的之一是产生固溶强化，另外，也可能产生沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化和复相强化等，这要看合金元素的作用和热处理条件而定。
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第二相粒子强化
根据第二相粒子的尺寸大பைடு நூலகம்分为：
聚合型合金：两相晶粒尺寸属于同一数量级，较
强相数量较少时，塑性变形基本上都发生在较弱 相中，只有较强相的体积分数大于30%时，才能 起到明显的强化作用。
弥散分布型合金：弥散地分布于基体中的第二相
粒子会阻碍位错运动而起到强化作用。通过第二 相粒子是否可变形可分为两类强化机制： 沉淀强化（时效强化） 弥散强化
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移系 取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从一 个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排列 不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
金属强化机制PPT讲 座
金属强化机制
固溶强化 第二相粒子强化 细晶强化 加工硬化
固溶强化
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中 溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀 混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类 型。
与组成固溶体的纯组元相比，固溶体的晶格类 型不发生变化，但点阵常数都会发生变化；其 硬度、强度升高，而塑性、韧性相对下降，但 综合力学性能优于纯金属。
加工硬化
金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提 高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。
加工硬化的实质是金属经过冷加工产生大量的位 错，位错发生积塞和缠结等交互作用，部分成为 不可动位错，起到了“钉扎”作用，对塑性变形 起到阻碍作用，从而达到强化基体的目的。
什么是金属纳米材料？
金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳 米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。
根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置分 为：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂点阵的阵点 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙
固溶强化
溶质原子的存在及其 固溶度的增加，使基 体金属的变形抗力随 之提高。如图表示CuNi固溶体的强度和塑 性随溶质含量的增加， 合金强度、硬度提高， 而塑性有所下降，即 产生了固溶强化效果。
根据位错理论，迫使位错线弯曲到该状态所需的切应力： G为切变弹性模量，b为柏氏矢量，λ为两粒子间距离。 由此可见，不可变形粒子的强化作用与粒子间距λ成反比， 粒子越多，粒子间距越小，强化作用明显，因此，减小粒子 尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小，则粒子间距也越小） 或提高粒子的体积分数都会导致合金强度的提高。
霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d 与屈服强度σs的关系：
-1/2
σs = σ0+kd
σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强 度； k——晶界对变形的影响系数。
细晶强化是唯一不以降低材料的塑性来增加 强度的强化方法
晶粒强化的原因 ：晶粒细化后，晶界增多，而晶界 上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高 强度。
低碳钢屈服现象的柯氏气团理论
所谓的柯氏气团，就是指碳原子偏聚于刃位 错的下方，碳原子有钉扎位错，使位错不易 运动。位错要运动，只要从气团中挣脱出来， 摆脱碳原子的钉扎。位错要从气团中挣脱出 来，需要较大的力，这就形成了上屈服点。 而一旦挣脱之后，位错的运动就比较容易， 因此有了应力降落，出现下屈服点和水平台。
固溶强化的主要机制：
柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原
子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
低碳钢在上屈服点 开始塑性变形，当 应力达到上屈服点 之后开始应力降落， 在下屈服点发生连 续变形而应力并不 升高，即出现水平 台，这就是屈服平 台。
低碳钢退火状态的工程应力—应变曲线及屈服现象
低碳钢的应变时效
a---预塑性变形 b---卸载后立即加载 c---卸载后放置一段时间或在200摄氏度加热后在加载
当卸载后立即重新加载，由于位错已经挣脱柯氏 气团的钉扎，所以没有出现屈服点，如果卸载后 放置很长时间或经时效则溶质原子已经通过扩散 而重新聚集到位错周围形成柯氏气团，屈服现象 又重复出现。
力增大到某一数值时，使位错源停止开动。则要使 第二晶粒产生滑移，必须增大外加应力，以启动第 二晶粒中的位错源动作。即对于多晶体而言，外加 应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作产 生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。
晶界对多晶体塑性变形的影响主要取决于晶界数量，晶 粒大小又决定了晶界数量。图为低碳钢的晶粒大小与屈 服点的关系曲线，由图可见，钢的屈服点与晶粒直径平 方根的倒数呈线性关系。晶粒越小，晶粒数量越多，屈 服点越大。
塑性，韧性好的原因： 晶粒越细，在一定体积内的 晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在 更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞 积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有 可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高 的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中 少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过 程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感、 生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
金属纳米材料的制备工艺
零维金属纳米材料的制备方法 气相法 液相法 水热法 溶胶-凝胶法 高能球磨法 一维金属纳米材料的制备方法 晶体的气-固生长法 选择电沉积法 二维金属纳米材料的制备方法 溶胶-凝胶法 高速超微粒子沉积法 溅射法 惰性气体蒸
沉淀强化
沉淀强化是可变形粒子强化：位错且过第二项粒子 所引起的强化作用。第二相粒子与基体共格，能被 位错切过，位错切过粒子时，粒子产生宽度为b的 表面台阶，增加表面能，通过共格应变场等因素使 合金强化。
弥散强化
弥散强化型合金中不可变形的第二相粒子的强化作用是通过粒 子对位错的阻碍作用实现的，如图为奥罗万（E.Orowan）机制。