材料的强化与韧化
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Hall-Petch关系式： ss=so+Kyd-1/2
利用位错塞积模型推导Hall-Petch关系式：
运动位错的有效应力是外力作用到滑移方向的分切应力(τ)减去位错 运动时克服的摩擦阻力(τi)， 即τ-τi。根据位错塞积群理论，塞积的位错 数n为： n=[KL(τ-τi)]/Gb 在塞积群头部将产生一个应力集中，其值为 τ1=n(τ-τi)
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
形成Cottrell气团不需要很多的溶质原子。
浓气团：这种在位错线张应力区（如正刃型位错，垂直于纸面一条位错)下边有
一条间隙原子线，称为Cottrell气团的浓气团，即Cottrell气团变成饱和状态。这 种浓气团强化效果大，并且受温度影响比较小。
稀气团：当间隙原子(如C，N)在位错张应力区(如正刃型位错下边)呈Maxwell－
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
强化方法 按实现工艺：
加工硬化、热处理、TMCP、合金化 按强化机制：
固溶强化、细晶强化、沉淀强化、相变强化等
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.1 均匀强化
由于溶质原子与位错线的相互作用 不同，位错线的运动方式有两种： (a)相互作用强时，位错线便“感 到”溶质原子分布较密； (b)为相互作用弱时，位错线便 “感到”溶质原子分布较疏。
Boltzmann分布时，换言之，位错线张应力区间隙原子浓度比较小，但比平均浓 度高，这种状态称为稀气团。这种状态强化效果比浓气团强化效果差，并且受温 度影响比较大。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
• 应变时效
• 动态应变时效 为应变时效的一种特殊情况，这种锯齿形曲线系因试样在
试验中重复的屈服和时效引起。换言之，此种条件下作为形成Cottrell气团的 C，N原子的扩散速度与位错线的运动速度相近，从而使得Cottrell气团在应 变中不断形成与位错线挣脱C，N原子的钉扎，故在应力－应变曲线上表现出 锯齿形。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Snoek气团强化
体心立方金属中，间隙原子分布在八面体间隙位置。当有外力作 用时，应变能较大的间隙原子将到应变能较小的位置上，以降低 系统能量——局部有序化。
强化作用与温度无关，而与溶质浓度成正比。 常温下，对位错的钉扎虽然不亚于Cottrell气团，但溶质原子这 种短程的动态有序，当形变温度较高时，由于有序化太快，其作 用也就不显著了。形变速度过大时，亦如此。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化
✓ 浓度梯度强化
晶格常数相互作用：
溶质元素分布存在梯度→晶格常数存在梯度→提高位错运动阻力;
弹性模量相互作用：
溶质元素分布存在梯度→弹性模量不是常数→提高位错运动阻力;合
金元素与位错间的弹性交互作用: 存在合金元素分布梯度时的Cottrell气团强化.
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
晶界是位错运动的障碍， 晶界越多，则位错运动阻力 越大，屈服应力越高。
晶界对屈服强度的影响不 只来自晶界本身，而与晶界 是连接两个晶粒的过渡区有 关——位错运动的障碍。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
RAL
材料的强化与韧化
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
金属材料的主要失效形式： 过量弹性变形；过量塑性变形；断裂；磨损；腐蚀。
强度和韧性： 是衡量结构材料的最重要的力学性能指标。 为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的整 体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、界 面性能和材料制备工艺等。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
由于位错塞积，这相当于将有效应力放大了n倍，n为位错塞积数目。 由上述两个式子得到： τ1=[KL(τ-τi)2]/Gb 若晶粒Ⅱ内位错源S2在晶界附近，则开动这个位错源的临界切应力为τρ 由位错塞积群的应力集中τ1提供。若位错S2开动并放出位错，则τ1≥τρ， 即 τ1=[KL(τs-τi)2]/Gb≥τρ ，则
面心立方金属中，一个滑移的全位错可以分解为两个不全位错， 形成层错。为保持热平衡，层错区和基体部分溶质原子浓度不同， 起着阻碍位错运动的作用。
已滑移区
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓有序强化
分为短程有序和长程有序两种； 一般长程有序化后，合金总是变得较硬，有时产生明显的屈 服现象，随着有序度的增加，其屈服应力在某一中等有序度时出 现一极大值。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓静电相互作用强化
刃型位错的静电作用如同一串电偶极子，溶质原子 与刃型位错存在静电交互作用；
螺型位错中心带有负电荷，溶质原子与螺型位错也 存在静电交互作用.
ห้องสมุดไป่ตู้
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Suzuki气团强化
若以l和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度，F为溶质原子沿 滑移方向作用在位错线上的阻力，则使位错运动所需的切应力可表示为 τ=F/bl 或 τ=F/bL 从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性低，属于 (a)；置换式固溶所引起的晶格畸变小，对称性高，属于(b)。但事实上，间隙 式溶质原子在晶格中，一般总是优先与缺陷相结合，所以已不属于均匀强化的 范畴。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
合金元素与位错之间存在交互作 用-移至位错线附近-形成气团。 位错周围合金元素的浓度与其他 地方有所不同。 由于这是一种稳定状态，若破坏 这种状态，即位错运动时，只有 增加外力才可能，故可以提高金 属强度。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2非均匀强化
由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体 生长过程中位错密度大大提高，使之结构与纯金属不 同——非均匀强化的部分原因。非均匀强化类型：
浓度梯度强化 Cottrell气团强化 Snoek气团强化 静电相互作用强化 Suzuki气团强化 有序强化
利用位错塞积模型推导Hall-Petch关系式：
运动位错的有效应力是外力作用到滑移方向的分切应力(τ)减去位错 运动时克服的摩擦阻力(τi)， 即τ-τi。根据位错塞积群理论，塞积的位错 数n为： n=[KL(τ-τi)]/Gb 在塞积群头部将产生一个应力集中，其值为 τ1=n(τ-τi)
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
形成Cottrell气团不需要很多的溶质原子。
浓气团：这种在位错线张应力区（如正刃型位错，垂直于纸面一条位错)下边有
一条间隙原子线，称为Cottrell气团的浓气团，即Cottrell气团变成饱和状态。这 种浓气团强化效果大，并且受温度影响比较小。
稀气团：当间隙原子(如C，N)在位错张应力区(如正刃型位错下边)呈Maxwell－
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
强化方法 按实现工艺：
加工硬化、热处理、TMCP、合金化 按强化机制：
固溶强化、细晶强化、沉淀强化、相变强化等
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.1 均匀强化
由于溶质原子与位错线的相互作用 不同，位错线的运动方式有两种： (a)相互作用强时，位错线便“感 到”溶质原子分布较密； (b)为相互作用弱时，位错线便 “感到”溶质原子分布较疏。
Boltzmann分布时，换言之，位错线张应力区间隙原子浓度比较小，但比平均浓 度高，这种状态称为稀气团。这种状态强化效果比浓气团强化效果差，并且受温 度影响比较大。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
• 应变时效
• 动态应变时效 为应变时效的一种特殊情况，这种锯齿形曲线系因试样在
试验中重复的屈服和时效引起。换言之，此种条件下作为形成Cottrell气团的 C，N原子的扩散速度与位错线的运动速度相近，从而使得Cottrell气团在应 变中不断形成与位错线挣脱C，N原子的钉扎，故在应力－应变曲线上表现出 锯齿形。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Snoek气团强化
体心立方金属中，间隙原子分布在八面体间隙位置。当有外力作 用时，应变能较大的间隙原子将到应变能较小的位置上，以降低 系统能量——局部有序化。
强化作用与温度无关，而与溶质浓度成正比。 常温下，对位错的钉扎虽然不亚于Cottrell气团，但溶质原子这 种短程的动态有序，当形变温度较高时，由于有序化太快，其作 用也就不显著了。形变速度过大时，亦如此。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化
✓ 浓度梯度强化
晶格常数相互作用：
溶质元素分布存在梯度→晶格常数存在梯度→提高位错运动阻力;
弹性模量相互作用：
溶质元素分布存在梯度→弹性模量不是常数→提高位错运动阻力;合
金元素与位错间的弹性交互作用: 存在合金元素分布梯度时的Cottrell气团强化.
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
晶界是位错运动的障碍， 晶界越多，则位错运动阻力 越大，屈服应力越高。
晶界对屈服强度的影响不 只来自晶界本身，而与晶界 是连接两个晶粒的过渡区有 关——位错运动的障碍。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
RAL
材料的强化与韧化
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
金属材料的主要失效形式： 过量弹性变形；过量塑性变形；断裂；磨损；腐蚀。
强度和韧性： 是衡量结构材料的最重要的力学性能指标。 为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的整 体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、界 面性能和材料制备工艺等。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.3 细晶强化 ✓细晶强化机理
由于位错塞积，这相当于将有效应力放大了n倍，n为位错塞积数目。 由上述两个式子得到： τ1=[KL(τ-τi)2]/Gb 若晶粒Ⅱ内位错源S2在晶界附近，则开动这个位错源的临界切应力为τρ 由位错塞积群的应力集中τ1提供。若位错S2开动并放出位错，则τ1≥τρ， 即 τ1=[KL(τs-τi)2]/Gb≥τρ ，则
面心立方金属中，一个滑移的全位错可以分解为两个不全位错， 形成层错。为保持热平衡，层错区和基体部分溶质原子浓度不同， 起着阻碍位错运动的作用。
已滑移区
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓有序强化
分为短程有序和长程有序两种； 一般长程有序化后，合金总是变得较硬，有时产生明显的屈 服现象，随着有序度的增加，其屈服应力在某一中等有序度时出 现一极大值。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓静电相互作用强化
刃型位错的静电作用如同一串电偶极子，溶质原子 与刃型位错存在静电交互作用；
螺型位错中心带有负电荷，溶质原子与螺型位错也 存在静电交互作用.
ห้องสมุดไป่ตู้
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Suzuki气团强化
若以l和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度，F为溶质原子沿 滑移方向作用在位错线上的阻力，则使位错运动所需的切应力可表示为 τ=F/bl 或 τ=F/bL 从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性低，属于 (a)；置换式固溶所引起的晶格畸变小，对称性高，属于(b)。但事实上，间隙 式溶质原子在晶格中，一般总是优先与缺陷相结合，所以已不属于均匀强化的 范畴。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化 ✓Cottrell气团强化
合金元素与位错之间存在交互作 用-移至位错线附近-形成气团。 位错周围合金元素的浓度与其他 地方有所不同。 由于这是一种稳定状态，若破坏 这种状态，即位错运动时，只有 增加外力才可能，故可以提高金 属强度。
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
RAL 3.1 金属与合金的强化与韧化
3.1.2非均匀强化
由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体 生长过程中位错密度大大提高，使之结构与纯金属不 同——非均匀强化的部分原因。非均匀强化类型：
浓度梯度强化 Cottrell气团强化 Snoek气团强化 静电相互作用强化 Suzuki气团强化 有序强化