第二相强化原理及其应用

第二相强化原理及其应用
正文
1、第二相强化
通常，工程中使用的合金主要是两相或多相合金，第二相的存在无疑会对基体相产生不同的影响。

第二相的大小与基体相的大小相同时，两相合金为聚合型合金。

Rao等人通过原位透射电子显微镜研究了热锻后的Al x CoCr-FeNi（x=0.3,0.5,0.7）高熵合金第二相对力学性能的影响，当x=0.3时，FCC相的体积分数为99.9%，BCC的体积分数为得分为0.1%；当x=0.5时，FCC的体积分数为98%，BCC的体积分数为2%；当x=0.7时，BCC的体积分数达34%。

第二相体积增大的直接后果是晶粒尺寸在600μm时迅速降低到26.6μm。

此外，合金内部由于塑性变形而产生大量变形孪晶也会使合金强韧化。

然而当第二相的体积分数超过30%时，对合金的力学性能产生的影响非常明显，使合金强度高而韧性低，Li等人研究了有trip效应的双相
Fe50Mn30Ni10Cr10。

热机械处理由于退火时间的不同，合金将获得不同的晶粒尺寸和第二相。

在晶粒尺寸差异不大的情况下，初生HCP相的体积分数尺寸越大，合金的强度和韧性越好。

第二相尺寸远小于基体并均匀分布于基体中时的两相合金为弥
散分布型合金。

特别地,根据这些细小的第二相是由于固溶体饱和析出还是人为机械添加进合金可以细分为析出强化和弥散强化。

He等411研究了( FeCoNiCr)。

Ti2Al,经过两种不同的热机械处理之后微观结构的变化及其对力学性能的影响。

结果表明，经过P1(冷轧30%+1
273 K退火2 h+1 073 K时效18 h)处理后的合金除了FCC基体之外，还包含了两类析出相,一类是不到40 nm的球形纳米析出相,另一类是尺寸大于100 nm的条形析出相,它们都是Ni,(Ti,AI)型的L12相。

经过P2(70%冷轧+923 K时效4 h)后合金基体中均匀分布着细小的L12纳米析出相。

根据第二相的尺寸确定这些析出相与位锆是以切过机制进行强化的,计算公式如下:
合金的拉伸和压缩性能都是最好的,由此证明了第二相形貌上的差异
会直接影响合金的力学性能。

Jia等通过机械合金化和放电等离子烧结的方法将5% (质量分数)的纳米级Y,O3颗粒加入CoCrFeNi高熵合金中实现弥散强化。

强化后的合金压缩屈服强度从654 MPa提升到了1 754 MPa。

Y2O3颗粒的加人不仅能够阻碍位错的运动时还细化了晶粒,引起细晶强化。

尽管如此,合金压缩塑性还是从50%以上降低到了5.8%,这种大幅降低也源
于硬质颗粒对合金的影响。

可见该纳米级颗粒的添加不能使CoCrFeNi 合金的综合力学性能达到最佳。

Hadraba等利用3% (质量分数)的Y2O3纳米颗粒来增强CoCrFeMnNi高熵合金,结果发现无论是室温还是800℃条件下,纳米颗粒强化的CoCrFeMnNi的拉伸屈服强度都比无添加的
单相合金要高至少300MPa,但塑性至少降低50%,而压缩屈服强度大
约比无添加的单相合金高200MPa,仍能保持良好的塑性。

目前,通过
添加硬质颗粒的方法来强韧化高熵合金还需要对硬质颗粒的大小、数量、硬度等属性对力学性能的影响进行进一步研究。

第二相强化，是通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法，第二相一般指各种化合物质点。

第二相强化按强化机理分为沉淀相强化和弥散相强化，而沉淀相强化（可变形粒子强化机制）又分为共格应变强化、化学强化、有序强化、模量强化、层错强化和派-纳（P-N）力强化六种，弥散强化是对于不可变形粒子的强化机制。

获取第二相的途径:(1)
生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布的第二相;(2)
也可通过共晶化合物进行热压力加工获得;(3)还可通过共析反应获得;(4)另外还可通过粉末冶金方法获得。

弥散型两相合金强化的主要影响因素:(1)颗粒直径;(2)第二相含量(体积分数);(3)第二相的分布状态。

2、应用
第二相粒子对铝合金再结晶的各个阶段都有明显的影响。

在形核阶段，小的第二相粒子会钉扎亚晶界和位错的运动，从而一直再结晶的形核;当第二相粒子尺寸长到1~3μm以上，就会成为再结晶的形核点，从而促进再结晶过程。

在长大阶段，小而弥散的第二相粒子会阻碍大角晶界的移动，减慢晶核长大的速度，从而抑制再结晶过程。

为了取得细化的再结晶晶粒,一般要求再结晶过程形核点较多而晶核长大速度较慢。

因此,可以通过引人大颗粒第二相粒子提高形核率,同时通过引入小而弥散的第二相粒子来降低晶粒长大速度。

另一方面第二相粒子的分布也对再结晶过程有明显的影响。

由于显微偏析作用,凝固组织的成分分布往往是不均匀的,因此会造成第二相粒子的不均匀分布。

不均匀的第二相粒子分布会造成密度小的区域发生再结晶,不能实现完全抑制再结晶的目的。

因此需要在合金设计时,通过合理加人不同偏析倾向的合金元素,避免第二相粒子分布的不均匀。

钛合全因具有比强度高、抗腐蚀性优两大突出优点。

在航空、航天、航海、交通运输等领域具有广泛的应用，为进一步提高其耐热温度、弹性模量.耐磨性、强度以扩大应用范围，采用合全化、复合化引人第二相来实现强化目的。

合全化可以实现固溶强化、纳米第二相
强化及其带来的组织细化强韧化，通过变形还可以实现位错强化。

复合化可以在钛合全中引人微米增强相，有效提高强化效果，但塑性大幅降低，通过调控增强相分布设计则可以有效解决塑性大幅降低的问题。

如单一-级准连续网状结构、两级网状-网状结构、两级层状-网状结构都表现出优异的室温与高温综合性能，在航空航天等领域具有广泛的应用前景,对飞行器减重设计提供重要支撑。

第二相强化广泛应用与各种材料当中，除了铝合金和钛合金，还应用于TZM合金、铜合金、钼基材料、钢铁材料、复合材料等中。

第二相强化作为强化材料不可缺少的步骤，它有着非常重要的意义。

不论是从古代造房所用的麻、泥土混合物还是现在的铝合金、航空、航天所用的材料，均和第二相强化脱离不了关系。