材料强化和韧化
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❖强化机理
第二相粒子强化
➢不易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反 位错线绕过
的A、B相遇抵 粒子，恢复
消，留下位错环， 原态，继续
两种方法
➢ 完全消除内部 的缺陷，使它
无缺陷的 材 理论强度 料 强 度
的强度接近于 理论强度
退火状态
冷加工 状态
➢ 增加材料内部 的缺陷，提高 强度
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
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提高金属材料强度途径
增加材料内部的缺陷，提高强度
即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动
❖固溶强化 ❖细晶强化 ❖第二相粒子强化 ❖形变强化
➢ 金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的 冷加工需要消耗更多的功率
➢ 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
❖限制
➢ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化
➢ 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性 能
第14页/共17页
金属材料的韧化
位错增殖
向前滑移
第9页/共17页
❖强化机理
第二相粒子强化
➢易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
ห้องสมุดไป่ตู้位错切割机制
位错切过粒子的示意图
Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过 Ni3Al粒子的透射电子显微像
第10页/共17页
切过粒子引起强化的机制
➢短程交互作用
✓ 位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能 ✓ 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产
第4页/共17页
细晶强化
❖定义 ❖强化机理
➢晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之 这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
第3页/共17页
固溶强化
❖ 定义 ❖ 本质
利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化
❖ 强化机理
➢ 间隙固溶体
碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙 中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应
间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交 互作用，使金属获得强化。
➢ 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球 面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小
生反相畴界能 ✓ 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的派
-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
➢长程交互作用（作用距离大于10b）
✓ 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同）， 导致共格界面失配，从而造成应力场
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第二相粒子强化的最佳粒子半径
• 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的 最佳粒子半径rc=(G·b2)/(2·σs)
➢基体韧性相 ➢纤维、晶须等
韧化工艺
➢熔炼铸造（减少缺陷） ➢热处理韧化 ➢压力加工
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形变强化（加工硬化） ❖定义 ❖强化机理
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力 场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错
的运动越来越困难—位错强化 ❖作用
➢提高材料的强度 ➢使变形更均匀 ➢防止材料偶然过载引起破坏
第13页/共17页
❖不利方面
形变强化（加工硬化）
第5页/共17页
❖定义
细晶强化
❖强化机理
➢晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之 这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 综合表现
当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展。通常 以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料 韧性。
材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的 运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相 的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和 晶界的作用等
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间 反Hall-Petch效应
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第二相粒子强化 ❖分类
➢通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化
➢通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
❖强化效果
➢相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响
➢第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
强韧化意义
提高材料的强度和韧性 节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的
可靠性和延长服役寿命
注意
希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性， 通常的材料二者不可兼得
理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质 合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料 性能潜力
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提高金属材料强度途径
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力
第6页/共17页
霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式 ❖σy ＝ σi＋ky·d-1/2
σi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径
➢ 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm） ➢ 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，
✓在纳米晶粒，晶界核心 区原子所占的比例可高 达50%
✓理论模拟的结果显示存 在一个临界尺寸dc
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金属材料韧性表征及韧化原理
金属材料韧性表征
材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸 收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧 性愈高 ➢断裂韧性 ➢冲击韧性
韧化原理
增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂 韧性
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金属材料韧化途径
细化组织韧化 韧性相与脆性相的比例、分布
❖强化机理
第二相粒子强化
➢不易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反 位错线绕过
的A、B相遇抵 粒子，恢复
消，留下位错环， 原态，继续
两种方法
➢ 完全消除内部 的缺陷，使它
无缺陷的 材 理论强度 料 强 度
的强度接近于 理论强度
退火状态
冷加工 状态
➢ 增加材料内部 的缺陷，提高 强度
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
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提高金属材料强度途径
增加材料内部的缺陷，提高强度
即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动
❖固溶强化 ❖细晶强化 ❖第二相粒子强化 ❖形变强化
➢ 金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的 冷加工需要消耗更多的功率
➢ 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
❖限制
➢ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化
➢ 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性 能
第14页/共17页
金属材料的韧化
位错增殖
向前滑移
第9页/共17页
❖强化机理
第二相粒子强化
➢易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
ห้องสมุดไป่ตู้位错切割机制
位错切过粒子的示意图
Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过 Ni3Al粒子的透射电子显微像
第10页/共17页
切过粒子引起强化的机制
➢短程交互作用
✓ 位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能 ✓ 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产
第4页/共17页
细晶强化
❖定义 ❖强化机理
➢晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之 这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
第3页/共17页
固溶强化
❖ 定义 ❖ 本质
利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化
❖ 强化机理
➢ 间隙固溶体
碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙 中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应
间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交 互作用，使金属获得强化。
➢ 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球 面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小
生反相畴界能 ✓ 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的派
-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
➢长程交互作用（作用距离大于10b）
✓ 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同）， 导致共格界面失配，从而造成应力场
第11页/共17页
第二相粒子强化的最佳粒子半径
• 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的 最佳粒子半径rc=(G·b2)/(2·σs)
➢基体韧性相 ➢纤维、晶须等
韧化工艺
➢熔炼铸造（减少缺陷） ➢热处理韧化 ➢压力加工
第17页/共17页
第12页/共17页
形变强化（加工硬化） ❖定义 ❖强化机理
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力 场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错
的运动越来越困难—位错强化 ❖作用
➢提高材料的强度 ➢使变形更均匀 ➢防止材料偶然过载引起破坏
第13页/共17页
❖不利方面
形变强化（加工硬化）
第5页/共17页
❖定义
细晶强化
❖强化机理
➢晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之 这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 综合表现
当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展。通常 以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料 韧性。
材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的 运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相 的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和 晶界的作用等
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间 反Hall-Petch效应
第7页/共17页
第二相粒子强化 ❖分类
➢通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化
➢通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
❖强化效果
➢相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响
➢第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
强韧化意义
提高材料的强度和韧性 节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的
可靠性和延长服役寿命
注意
希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性， 通常的材料二者不可兼得
理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质 合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料 性能潜力
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提高金属材料强度途径
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力
第6页/共17页
霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式 ❖σy ＝ σi＋ky·d-1/2
σi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径
➢ 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm） ➢ 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，
✓在纳米晶粒，晶界核心 区原子所占的比例可高 达50%
✓理论模拟的结果显示存 在一个临界尺寸dc
第15页/共17页
金属材料韧性表征及韧化原理
金属材料韧性表征
材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸 收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧 性愈高 ➢断裂韧性 ➢冲击韧性
韧化原理
增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂 韧性
第16页/共17页
金属材料韧化途径
细化组织韧化 韧性相与脆性相的比例、分布