11.第二相强化机制

各位错吸纳规划作用缠结在粒子周围，位错密度增大。
19
6.4 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
20
6.4 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
二、硬粒子与基体塑性变形不协调对加工硬化的影响 塑性变形时，为了使界面不开裂也需要在硬粒子附近基体中
形成反向塑性切变，这一过程会产生大量位错（几何必须 位错），相应产生加工硬化。
(1)强化效果好，体积份数相同时具有比可变形粒子高的强化 率
(2)会导致早期失效——粒子太大，分布不均匀 改善途径：细化颗粒、分散粒子 a. 提高过饱和度，以析出大量金属间化合物 b. 粉末冶金+变形 c. 采用纳米颗粒
26
课程报告 1.全面比较材料强化的微观机制。 2.你的课题方向及研究重点是什么？分析材料中的结构因
f : 体积份数
: 沉淀相粒子间距
r : 沉淀相粒子半径
5
6.2 沉淀强化机制
二、化学强化 该机制着眼于位错切过第二相粒子会形成新的界面，引起能
量增加。由化学强化引起的临界切应力增量可以表达为：
化学强化机制对于薄片状的析出 相比较重要。
c
2 6
f s
r
f :沉 淀 相 体 积份 数
s : 界面能
E2 : 硬相的弹性模量
G : 基体的剪切模量
L : 粒子的平均间距
8
6.2 沉淀强化机制
五、层错强化
第二相粒子的层错能与基体相不同时，会引起扩展位错能 量的改变，产生位错运动的阻碍，这种强化效果为层错强化。
当沉淀相粒子中层错能远小与基体的层错能时，产生的临
界切应力增量为;
c
0.59 m
b
p
4
6.1 沉淀强化机制
由错配球与位错的弹性交互作用，得到的临界切应力增量
可见：随共格应变和体 积分数的增大。沉淀相 强化效果增加。
c
G 3/2
f
2 / 3 ( )1/ 2
b
或 c
G 3/2
f 1/ 2 ( r )1/ 2 b
: 常数
: 常数，刃位错 3，螺位错 1
: 共格应变
一般而言，当共格应变量足够大时，共格应变强化其主要 作用。
11
6.3 弥散强化机制
弥散强化是不可变形粒子的强化，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 因此位错只能够绕过第二相，其阻力主要来源于： (1)位错线弓弯所需的力 (2)加工硬化率的明显提高 (3)第二相粒子与基体变形不协调性
考虑硬粒子的界面对位错线的排斥力以及粒子本身的直径， 实际的有效粒子间距为
Le L D 2 x 一 般 取x 0.1D
Le L 1.2D
c
Gb Le
Gb L 1.2D
Gb L
该值仍低于实测பைடு நூலகம்。
14
6.3 弥散强化机制
二、Orowan公式的修正 进一步分析表明，绕过后弯曲的颈部的异号位错能吸引及互
毁才能实现强化。颈部的尺寸很重要。
15
6.3 弥散强化机制
位错能绕过粒子的临界条件：
F
2T cos
b L
2
2T
cos
b L
2
线 张 力T Gb2 ln R
4K
r0
R : 位 错 绕 过 后 的 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 常 数 ， 取K 1
第六章 固溶强化机制
哈工大（威海）材料学院 吴欣
1
第六章 第二相强化机制
概述： 第二相强化，指由于弥散地分布于基体中的第二相
粒子阻碍位错运动造成的强化。 第二相粒子包括沉淀相粒子与弥散相粒子。前者通
过固溶时效脱溶而形成，后者则是人工加入的粒子。 从强化机制分分为可变形粒子的强化与不可变形粒
子的强化。前者位错切过粒子，后者位错绕过粒子。 本章重要内容：建立第二相强化的模型
r : 粒子半径
6
6.2 沉淀强化机制
三、有序强化
位错切过有序相粒子将产生APB，使系统能量增加。主要
指析出相为有序点阵的情况。沉淀相一般为金属间化合物，称
有序点阵结构，与基体保持共格关系。由有序强化引起的临界
切应力增量为：
c
4 rs 2b T
f
1/ 2
f
: 反相畴界能
rs : 沉淀相粒子的平均半径 f : 沉淀相粒子的体积份数
素（晶体缺陷、第二相等）如何影响你研究材料的制备 及性能。如何强化或消除这种影响？ 要求：A4纸打印，标题三号幼圆，正文小四号宋体。
27
作业： 1、结合实例分析一种强化机制在金属材料组织设计中的
应用。 2、试结合你的课题，讨论位错及与其相关的材料结构因
素对你所研究的材料的制备及性能方面的影响？如何强 化或消除这种影响？ 要求：A4纸打印，标题三号幼圆，正文小四号宋体。
T : 位错线的线张力
7
6.2 沉淀强化机制
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，使位错线切 割粒子时自身能量发生变化从而引起强化。
一般位错线进入硬相粒子时能量升高，进入软相时能量降低。
由模量强化导致的临界切应力增量为：
c
0.8Gb (1 L
E12
E
2 2
)
E1 : 软 相 的 弹 性 模 量
为：
c
5.2 f r 2 / 3 1 / 2 G1/ 2 b2
p m
f : 沉淀相粒子的体积份数
即强化效果正比于沉淀 相与基体的强度差
r : 沉淀相粒子的平均半径
p : 沉淀相粒子强度 m : 基体相的强度
G : 基体的剪切模量
10
6.2 沉淀强化机制
总结：
以上六种强化均为可变形粒子的强化，对不同系统而言， 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。
延伸率影响不大。 故使材料的总体塑性迅速下降。
23
6.5 第二相粒子强化的特点
2.不可变形粒子强化对材料塑性的影响 (1)强度升高 (2)加工硬化率升高 这两者使均匀延伸率升高。 但粒子与基体结合不好会使局部延伸率下降。
总体结果：材料塑性比固溶体下降，但高于沉淀强化的欠时 效与峰时效状态。
24
6.5 第二相粒子强化的特点
21
6.4 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
22
6.5 第二相粒子强化的特点
一、第二相粒子对材料塑性的影响 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 析出相的富集位位错线的启动造成阻力，临界切应力提高。 (2)加工硬化率下降 a.位错切过后阻力即下降。 b.不容易实现位错塞积 因此，材料的均匀延伸率下降。同时可变形粒子强化对局部
Gb
ln
R
cos
2L
r0
2
通 常 取R 3 D时 与 实 际 测 量 值 符 合 很 好
Gb ln 3 D cos
2L
b
2
16
6.3 弥散强化机制
三、Orowan公式的进一步修正 还需考虑粒子与基体间由于变形不协调而造成的附加应力：
达到临界切应力时塑性变形刚开始，可以只考虑弹性变形 的不协调，它会产生附加应力：
2
6.1 沉淀强化机制
沉淀强化是可变形粒子的强化 可变形粒子的特点：
(1)与基体共格 (2)位错可以切过
与基体间产生的共格应变场 可以同位错产生强烈的弹性交互作用。
3
6.1 沉淀强化机制
一、共格应变强化 强化的原因：基体中的第二相粒子相当于错配球，其共格应
力应变场与位错产生交互作用。在Al的（100）面上的Cu 原子富集是基体点阵受拉。
12
6.3 弥散强化机制
一、Orowan模型
1.弥散强化的Orowan模型
c
Gb L
c : 位错线绕过第二相的临界切应力
G : 基体的剪切模量
L : 硬粒子的间距
由此公式确定的计算值小
于实际值。被忽略的因素：
(1)粒子的尺寸
(2)界面对位错线的排斥力
13
6.3 弥散强化机制
2.有效粒子间距的确定
17
6.3 弥散强化机制
(1)无粒子时，孔在外力下产生变形
(2)有硬粒子时，为维持界面连续，基体产生附加变形力图回 到圆球形。
(3)相当于产生一个与外应力相反的附加切应力
e
外
反
Gb L 1.2D
外
反
Gb L 1.2D
计 算 结 果 与 实 测 值 符 合很 好
18
6.4 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
修正后的Orowan模型中计算得到的外加应力只代表屈服强度， 第二相粒子还会对塑性变形产生加工硬化。
一、位错绕过粒子对加工硬化的影响 随变形进行，弥散相粒子周围位错环的一圈圈增多（称随机
存储位错） (1)相当于位错塞积，会对位错源产生反作用力 (2) 粒子有效间距减小，位错绕过阻力加大 (3)塞积引起的应力集中可以使领先位错产生交滑移或攀移，
3
K
ln
T
m p
1/3 C f 2/3
K Gbp2 , K与（ 位 错 线 与b的 夹 角 ） 及b有 关
4
C 1 3 / 32r 2
: 扩展位错的平均宽度
9
6.2 沉淀强化机制
六、派纳力强化
第二相粒子的P-N力大于基体的P-N力时会增大位错运动的阻
力，称为P-N力强化。P-N力强化引起的临界切应力增量
28
二、第二相粒子强化机制的利用 1.可变形粒子的强化（沉淀强化）——增加共格应变及沉淀