第六章第二相强化方案

外
外
反
反
外
外
硬粒子与基体弹性变形不协调性模型：
在外力作用下，无颗粒时，孔将发生变形；

有硬粒子时，基体产生变形，维持界面的连续性；
变形不协调性的结果：引起与外力应力相反的切应力 反

＝
eff
外 － 反 ＝
Gb l 1.2D
外＝ 反 + Gb
l 1.2D
第三节 弥散强化机制
第三章 （1）位错增殖机制； （2）位错运动的阻力及流变应力表达式的推导； （3）Orawan公式及屈服现象分析； （4）孪生及位错强化的特点。
第四章 （1）晶界的结构及特点； （2）晶界强化模型及Hall-Petch公式推导； （3）晶界强化的特点及利用。
第五章 （1）错配球模型应力-应变场的特点及其适用性； （2）Cottrell、Snoek、Suzuki气团的形成机制和特点； （3）有序强化的特点及其流变应力反常温度现象产生的机制； （4）固溶强化的特点及形变时效（锯齿流变现象）机制分析。
2b
)(
4
rS
T

f
1
)2
Байду номын сангаас

f

第二节 沉淀强化机制
—反向畴界能；
b —位错柏氏矢量；
rS —沉淀相粒子半径；
f —沉淀相体积份数；
T —位错的线张力。
四、模量强化
第二相粒子的弹性模量与基体的弹性模量不同，使位错切过粒子时自身 的能量发生了变化，从而引起的强化效应，称之为模量强化。
第五节 第二相粒子强化的特点
复习要点
第一章 （1）位错的概念、分类及特点； （2）位错应力-应变场特点及弹性能计算； （3）作用在位错线上的力的特点及典型位错交互作用； （4）了解位错与界面交互作用的特点及镜像位错的概念。
第二章 （1）P-N模型和P-N力； （2）全位错、部分为错、层错、扩展为错的概念及Thompson记号； （3）位错锁、压杆位错、面角位错形成机制； （4）层错四面体形成机制。
小结
总体上来说，以上六种强化为可变形粒子有可能引起的基本强化机 制。对于不同体系而言，可能是其中的一种或两种起作用。而且体积份 数越大，尺寸越大，强化效果越明显。
一般来说，共格应变强化起主要作用。但是，也有一些例外的情况。
例如，Al-Li合金中，由于δ ＇相非常细小，共格应变强化效果很小。
此时，有序强化和模量强化占主导地位。
从而造成加工硬化率下降。 上述两个特点造成均匀延伸率下降；
由于粒子很细小，且与基体共格； 所以，可变形粒子强化对局部延伸率影响不大。 总体来说，使材料塑性迅速下降。
第五节 第二相粒子强化的特点
一、第二相粒子强化对材料塑性的影响
2、不可变形粒子强化对材料塑性的影响
位错绕过阻力逐渐升高； 第二相粒子使位错平面塞积的可能性增大。
P-N力强化所产生的临界切应力（增量）为：
21
C

5.2
f
1
3
r2
( P
m)
G2 b2
f —沉淀相粒子的体积份数；
r —沉淀相粒子的直径；
P —沉淀相粒子的强度；
m —基体相的强度；
G —基体剪切模量； b —位错柏氏矢量。
强化效果正比于沉淀相与基体的强度差。 第二节 沉淀强化机制
第三节 弥散强化机制
R—位错绕过起始颈部距离； r0—位错中心尺寸，取r0＝b； k—与位错性质有关的系数，取K＝1。
三、Orawan公式的进一步修正
粒子与基体切变不协调对强化的影响：
由于临界切应力仅仅与起始塑性变形有关，可以考虑两相在弹性变形阶段的不协调性。 而弹性阶段的不协调性只产生力，并不产生错配位错。
位错线进入硬粒子时，能量升高；位错线进入软粒子时，能量降低。 模量强化所导致的临界切应力（增量）为：
C

0.8Gb (1 L
E12 E22
)
1 2
E1 —软相（基体相）弹性模量； E2 —硬相（强化相）弹性模量；
G —基体剪切模量；
L —粒子的平均间距。
这种强化机制在Al-Li合金中起着重要作用。 第二节 沉淀强化机制
可变形粒子：位错可切过的粒子（欠时效和峰时效析出的粒子）； 不可变形粒子：位错不可切过的粒子（过时效析出的粒子，弥散相粒子）；
三、强化机制
沉淀相强化：指析出相引起的强化，主要指欠时效和峰时效引起的强化； 弥散相强化：弥散相粒子产生的强化；
可变形粒子强化：位错切过第二相粒子所引起的强化作用（切过机制）， 与粒子特性有关；
第六章 第二相强化
目录
第一节 第二相强化机制的分类 第二节 沉淀强化机制 第三节 弥散强化机制 第四节 第二相粒子强化的特点
第一节 第二相强化机制的分类
一、第二相强化的概念
第二相强化：由于弥散分布于基体中的第二相粒子阻碍位错运动而引起的强化。
例如，Al合金时效硬化过程： 固溶+水淬+时效——
化学强化机制对于薄片状析出相比较重要，因为位错切过会引起较大的 表面积增量。
第二节 沉淀强化机制
三、有序强化
位错切过有序相粒子，产生APB（反向畴界），使系统能量升高而造成的强化。
APB
沉淀相为金属间化合物时，呈现有序点阵结构，且与基体保持共格关系。
有序强化所引起的临界切应力（增量）为：
C

(

五、层错强化
层错强化：第二相粒子的层错能与基体的层错能不同时，会引起扩展位错能量的改变， 产生运动的阻碍。
当沉淀相粒子中层错能远小于基体时，产生的临界切应力（增量）为：
1
C

0.59( m
P
b
)
3k
(
)

ln(

m P
T
)

3


C
f
2 3


其中：
k( )
F * 2T cos * * b L
2
*
2T
*
cos
bL
2
又
T Gb2 ln R
4k r0
*

Gb
ln
R *
cos
2L r0
2
又，取R＝3D时与实际测量值符合得很好，
*

Gb
3D *
ln cos
2L r0
2
第六章 （1）沉淀强化和弥散强化的机制和特点； （2）结合Al合金时效行为分析第二相强化机制的特点。
谢谢！
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—共格切应变；
f —体积份数；
—沉淀相粒子间距；
r —沉淀相粒子直径。
第二节 沉淀强化机制
二、化学强化作用
化学强化作用着眼于位错切过第二相粒子后形成新界面所引起的强化。
化学强化所引起的临界切应力（增量）可以表达为：
C

26


f
S
r
f —沉淀相体积份数；
r —沉淀相粒子半径。
S —界面能；

Gb 2
，为
4

角与
bP
有关的系数；
bP —扩展位错中部分位错的柏氏矢量；
(1 3 )
C
32 rS2
； —扩展位错的平均宽度。
层错强化主要适用于：密排点阵，以形成扩展位错； 沉淀相粒子与基体之间的层错能差异较大。
第二节 沉淀强化机制
六、派—纳（P-N）力强化
P-N力强化：第二相粒子的P-N力大于与基体的P-N力时引起位错运动阻力增大。
2、不可变形粒子强化（弥散强化）
（1）强化效果好 相同体积分数时，比可变形粒子强化率高得多； 体积份数小于1％时，细小弥散的硬粒子也能达到强化效果。 总会导致材料的早期失效：主要原因在于粒子太大，分布不均匀。
（2）改善方法是细化粒子，分散粒子： 提高过饱和度，以便析出大量的金属间化合物； 粉末冶金＋变形； 采用纳米颗粒
（1）提高固溶温度，增加淬火速度； （2）快速凝固（从液相）； （3）利用同类异构转变（奥氏体淬火为过饱和马氏体）。
例如，马氏体时效钢是目前强度最高的金属（～4GPa），其原因何在？
成分：Fe－18Ni－10Mo－Co合金，C<0.02%（越少越好）； 基本组织：板条马氏体（尺寸细小的板条，内部为高密度的位错）；
为高过饱和度的固溶体，时效析出Ni3Mo沉淀相； 综合了细晶强化、位错强化和沉淀强化三种机制，使材料强度极高。
选应合适的时效工艺
（1）形变时效——形成高密度位错，使析出相在位错处形核； （2）分级时效——低温下形成高密度的晶核，高温下再生长。
第五节 第二相粒子强化的特点
二、第二相粒子强化机制的利用
2.有效粒子尺寸的确定
一、Orawan公式
Leff L D 2x L 1.2D
（一般取x＝0.1D）
C

Gb Leff

Gb ( l 1.2D
Gb )
L
L
x
D
但计算结果仍然比实际测量值低。还要修正。 第三节 弥散强化机制
二、Orawan公式的修正
位错绕过粒子的临界条件是：
Al-Cu合金中的GP区
GP区-圆盘状 在{100}面上Cu原子富集
Cu原子比Al原子尺寸小， 基体点阵在三个方向上都受拉。
相当于一个错配球模型
临界切应力（增量）：
C
3
G 2

f
2 3

(

)
1 2
b
或者：
C


G
3 2

f
1 2

(
r
)
1 2
b
—常数； —常数，对于刃型位错=3，对于螺形位错=1；
第四节 第二相粒子强化的特点
一、第二相粒子强化对材料塑性的影响
1、可变形粒子强化对材料塑性的影响
（1）屈服强度明显提高
析出相沉淀于位错线上，给位错启动造成阻力，从而使位错临界切应力 提高，即切过机制造成的临界切应力提高。
d （2）d 下降
位错切过阻力逐渐降低； 沉淀相粒子使位错平面塞积的可能性降低。
从而使均匀延伸率升高； 由于粒子与基体结合性不好，使局部延伸率下降； 总体来说，使材料塑性比固溶体下降，但比欠时效和峰时效态塑性高。


0.2
d
第五节 第二相粒子强化的特点


二、第二相粒子强化机制的利用
1、可变形粒子强化（沉淀强化）
最主要的就是增加析出相的体积份数。
增加溶质原子的过饱和度
1.欠时效：

欠峰
过
时时
时
效效
效
2.峰时效：

3.过时效：
第二相强化机制就是要解释：为什么随着组织的变化，会产生性能的变化？ 第一节 第二相强化机制的分类
Al-Mg-Si 合金中的析出相和晶界无析出带
Al-Mg-Si合金性能随时效时间的变化
二、第二相粒子
沉淀相粒子：合金时效析出的粒子； 弥散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，内氧化法）；
屈服强度升高 加工硬化率下降
延伸率下降
？问题：如何知道一个相的共格应变是大还是小呢？ 第二节 沉淀强化机制
第三节 弥散强化机制
（不可变形粒子强化机制）
不可变形粒子的特点： （1）弹性模量远高于基体的弹性模量； （2）与基体非共格。
这种特点决定了位错只能绕过第二相，且阻力主要来源于： 位错线弓弯所需的力； 加工硬化率的明显升高； 第二相粒子与基体变形的不协调（辅助作用）。
不可变形粒子强化：位错绕过第二相粒子所引起的强化作用（绕过机制）， 与粒子特性无关；
第一节 第二相强化机制的分类
第二节 沉淀强化机制
（可变形粒子强化机制） 可变形粒子的特点：（ （12） ）与 位基 错体 可共 以格 切；过。
一、共格应变强化
把第二相粒子视作一个错配球，其应力应变场与位错的弹性交互作用。
一、Orawan公式
1. 弥散强化模型(Orawan模型)：
C

Gb L
C —临界切应力；
L —硬粒子间距； G —基体剪切模量。
起初，人们利用这个公式的计算值作为第二相粒的临界切应力。 但后来发现，它比实际值小得多。 有两个因素没有考虑： 粒子尺寸；
界面对位错线的排斥作用。 第三节 弥散强化机制