金属强化机制精选PPT
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《金属与合金强化》第3章-细晶强化PPT课件
1. 缠结中的位错重新组合 2.异号位错互相抵消 3.亚晶粒长大
1.位错攀移 2.亚晶粒合并 3.多边化
.
14
.
15
4.再结晶
再结晶过程是通过形核长大来进行的。不 过，再结晶的晶粒不是新相，而是无畸变的 新晶粒。其晶体结构并未改变，这是再结晶 与其他固态转变不同的地方。
.
16
。
N
4.1 形核 再结晶核心往往在变形金属中的局部高能区域（如晶界、
.
21
二、常规的晶粒细化方法
1、 添加微量合金元素 如7×××系高强铝合金中常添加微量元素Cr、Mn、Zr 铝锂合金中常添加Zr、Sc等形成第二相粒子：Al3Sc、 Al3Zr、Al3(ZrxSc1-x) 富含Sc、Cr、Mn、Zr的第二相粒子容易在熔铸或均匀化
过程中析出，而且热稳定性较好，阻止晶界迁移，因而细化 了晶粒。
为了进一步减小晶粒尺寸，在再结晶区变形后继续在非 再结晶区变形。在无再结晶区形变比在再结晶区形变能更有效 地细化晶粒。这是因为形变使γ（奥氏体）成为拉长的但未再 结晶的晶粒和变形带。而α（铁素体）的转变不仅在形变带和γ 晶界上形核，而且在晶内也能形核。随着总变，从而更有效的细化α晶粒。
形核速率和长大速率提高，降低再
结晶温度。但通过冷变形而储存在
金属中的能量有个上限，故降低也
有个极限。
.
20
2）杂质及合金元素 偏聚的溶质杂质和弥散的第二相会阻止位错、亚晶界和 晶界移动，从而提高T再
3）原始晶粒大小 原始晶粒细小，T再↓
4）变形温度 变形温度高，容易产生回复，使储能降低，形核长大速 率变慢，T再↑
但它在形变功中所占的百分比却随 形变功的增加而减小。
储能是促使冷变形金属在加
1.位错攀移 2.亚晶粒合并 3.多边化
.
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15
4.再结晶
再结晶过程是通过形核长大来进行的。不 过，再结晶的晶粒不是新相，而是无畸变的 新晶粒。其晶体结构并未改变，这是再结晶 与其他固态转变不同的地方。
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N
4.1 形核 再结晶核心往往在变形金属中的局部高能区域（如晶界、
.
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二、常规的晶粒细化方法
1、 添加微量合金元素 如7×××系高强铝合金中常添加微量元素Cr、Mn、Zr 铝锂合金中常添加Zr、Sc等形成第二相粒子：Al3Sc、 Al3Zr、Al3(ZrxSc1-x) 富含Sc、Cr、Mn、Zr的第二相粒子容易在熔铸或均匀化
过程中析出，而且热稳定性较好，阻止晶界迁移，因而细化 了晶粒。
为了进一步减小晶粒尺寸，在再结晶区变形后继续在非 再结晶区变形。在无再结晶区形变比在再结晶区形变能更有效 地细化晶粒。这是因为形变使γ（奥氏体）成为拉长的但未再 结晶的晶粒和变形带。而α（铁素体）的转变不仅在形变带和γ 晶界上形核，而且在晶内也能形核。随着总变，从而更有效的细化α晶粒。
形核速率和长大速率提高，降低再
结晶温度。但通过冷变形而储存在
金属中的能量有个上限，故降低也
有个极限。
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20
2）杂质及合金元素 偏聚的溶质杂质和弥散的第二相会阻止位错、亚晶界和 晶界移动，从而提高T再
3）原始晶粒大小 原始晶粒细小，T再↓
4）变形温度 变形温度高，容易产生回复，使储能降低，形核长大速 率变慢，T再↑
但它在形变功中所占的百分比却随 形变功的增加而减小。
储能是促使冷变形金属在加
第3讲 位错强化机制 PPT课件
hcp晶体中位错的运动及塑性变形特点ca1633zncd层错能低加工硬化明显ca1633tizr层错能高加工硬化率较低31二金属单晶体的加工硬化行为面心立方单晶体的应力应变曲线易滑移阶段单滑移ii线性硬化阶段双滑移101112iii抛物线硬化阶段交滑移10121331总结
第三章 位错强化机制
哈工大（威海）材料学院 吴欣
第三章 位错强化机制
金属与合金的强化途径
形变、合金化、热处理
强化机制
位错强化、晶界强化、固溶强化、第二相强化
第三章 位错强化机制
位错强化的基本思路
合金变形量增加 ——位错密度增加 ——强度提高
这一强化过程与金属的塑性变形密切相关
3.1 金属单晶体塑性变形的一般特点
一.FCC晶体中位错的运动及塑性变形特点
面心立方单晶体的应力应变曲线 I 易滑移阶段
单滑移 ρ =108 /cm2 II 线性硬化阶段
双滑移 ρ =1011-12 /cm2 III 抛物线硬化阶段
交滑移 ρ =1012-13 /cm2
3.1 金属单晶体塑性变形的一般特点
总结： 金属变形时 位错密度ρ 低，切应力低 位错密度ρ 急剧增大，切应力也急剧增大
Gb / l
3.3 位错强化的数学表达
会合位错
会合位错的产生
可以证明，会 合位错产生的阻力 与林位错间距成反 比：
h Gb / l
会合位错的运动
3.3 位错强化的数学表达
位错对流变应力的作用
综合考虑位错以及位错以外的因素，流变应力可以表示为
下式的形式， 0 可以粗略的考虑为P-N力。
三.HCP晶体中位错的运动及塑性变形特点
c/a>1.633 Zn, Cd
第三章 位错强化机制
哈工大（威海）材料学院 吴欣
第三章 位错强化机制
金属与合金的强化途径
形变、合金化、热处理
强化机制
位错强化、晶界强化、固溶强化、第二相强化
第三章 位错强化机制
位错强化的基本思路
合金变形量增加 ——位错密度增加 ——强度提高
这一强化过程与金属的塑性变形密切相关
3.1 金属单晶体塑性变形的一般特点
一.FCC晶体中位错的运动及塑性变形特点
面心立方单晶体的应力应变曲线 I 易滑移阶段
单滑移 ρ =108 /cm2 II 线性硬化阶段
双滑移 ρ =1011-12 /cm2 III 抛物线硬化阶段
交滑移 ρ =1012-13 /cm2
3.1 金属单晶体塑性变形的一般特点
总结： 金属变形时 位错密度ρ 低，切应力低 位错密度ρ 急剧增大，切应力也急剧增大
Gb / l
3.3 位错强化的数学表达
会合位错
会合位错的产生
可以证明，会 合位错产生的阻力 与林位错间距成反 比：
h Gb / l
会合位错的运动
3.3 位错强化的数学表达
位错对流变应力的作用
综合考虑位错以及位错以外的因素，流变应力可以表示为
下式的形式， 0 可以粗略的考虑为P-N力。
三.HCP晶体中位错的运动及塑性变形特点
c/a>1.633 Zn, Cd
五工程材料的强化理论精品PPT课件
3.位错滑移机制
• 通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距；
所以通过位错实现滑移时，需要的力较小； • 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是
通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就 可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使 强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、 加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过 这种机理实现的。
《机械工程材料》
办 公 室：一校区9号楼307 电 话：
第五章 工程材料的强化理论
第五章 工程材料的强化理论 5.1形变强化 5.2固溶强化
5.3 第二相强化 5.4细晶强化
5.1 形变强化
金属的塑性变形与再结晶
• 塑性是金属材料的重要特性； • 金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的
5.1 形变强化
2.滑移系
金属三种常见晶格的滑移系
晶格类型 滑移面
体心立方 晶格
{110} 6个
面心立方 晶格
{111} 4个
密排六方 晶格
{0001} 1个
滑移方向 <111> 2个 <110> 3个 <1120> 3个
滑移系数目强化
3.位错滑移机制
响，是金属材料重要的强化手段。
包 • 单晶体的塑性变形 括 • 多晶体的塑性变形
• 这一节的主要内容就是从原子的角度看，金属的 塑性变形是如何发生的？
5.1 形变强化
金属的塑性变形
• 当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大 ，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还 能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了 塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复 了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到 一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
• 通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距；
所以通过位错实现滑移时，需要的力较小； • 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是
通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就 可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使 强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、 加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过 这种机理实现的。
《机械工程材料》
办 公 室：一校区9号楼307 电 话：
第五章 工程材料的强化理论
第五章 工程材料的强化理论 5.1形变强化 5.2固溶强化
5.3 第二相强化 5.4细晶强化
5.1 形变强化
金属的塑性变形与再结晶
• 塑性是金属材料的重要特性； • 金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的
5.1 形变强化
2.滑移系
金属三种常见晶格的滑移系
晶格类型 滑移面
体心立方 晶格
{110} 6个
面心立方 晶格
{111} 4个
密排六方 晶格
{0001} 1个
滑移方向 <111> 2个 <110> 3个 <1120> 3个
滑移系数目强化
3.位错滑移机制
响，是金属材料重要的强化手段。
包 • 单晶体的塑性变形 括 • 多晶体的塑性变形
• 这一节的主要内容就是从原子的角度看，金属的 塑性变形是如何发生的？
5.1 形变强化
金属的塑性变形
• 当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大 ，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还 能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就达到了 塑性阶段了，当外力去除之后，有一部分变化就不能恢复 了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到 一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。
纯金属的变形强化PPT课件
变形强化的重要性
提高金属材料的强度和硬度， 使其能够承受更高的载荷和更 恶劣的环境条件。
增强金属材料的耐磨性和耐腐 蚀性，延长其使用寿命。
降低金属材料的成本，因为可 以通过优化加工工艺来减少材 料浪费和降低生产成本。
变形强化的历史与发展
早期发展
早在古代，人们就已经开始通过锻造、锤打等手段对金属进行变形强化。随着工 业革命的兴起，人们对金属的强度和性能要求越来越高，变形强化逐渐成为一种 重要的金属加工技术。
离子注入工艺
将金属置于真空状态下，利用离子束将特定元素注入到金 属表面，使表面形成一层具有特殊性能的合金层，从而提 高金属的耐腐蚀性和耐磨性。
04
纯金属的变形强化应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
航空航天领域应用
航空发动机叶片
通过变形强化技术提高叶片的强 度和耐高温性能，确保发动机在 高温、高压和高转速的极端条件 下稳定运行。
ERA
位错强化机制
位错强化机制是纯金属变形强化中最常见的机制之一。
当金属受到外力作用时，位错会沿滑移面运动，导致晶体内部位错密度增加，形成 位错缠结和塞积。
位错强化机制通过阻碍位错运动来提高金属的强度和硬度，从而提高金属的变形抗 力。
孪晶强化机制
孪晶强化机制是通过孪晶界面的 形成来阻碍位错运动，从而提高
总结
通过引入先进的工艺技术， 可以有效地提高纯金属的 加工质量和效率，降低生 产成本。
应用领域的挑战与解决方案
挑战
纯金属在不同应用领域中面临不同的挑战，如高 温、腐蚀、辐射等环境因素。
解决方案
针对具体应用领域，选择适合的纯金属材料和表 面处理技术，以提高其耐久性和稳定性。
第3章 金属的结构与固溶强化优秀PPT
正刃型
负刃型
螺型位错
螺型位错的形成
原子模型
❖ 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。
= L/V(cm/cm3或1/cm2)
❖ 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
① 减少缺陷进行强化：将 金属做成晶须，晶体几 乎没有缺陷，强度接近 理论值，但因尺寸有限， 应用受到限制。
Z
(221)
[221]
Y
X
§3.2 纯金属的实际晶体结构
一、单晶体与多晶体的基本概念
1. 单晶体：晶体内部晶格位向（即原子排 列方向）完全一致的晶体。
2. 多晶体 实际使用的金属材料是由许多彼此方 位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。
多晶体：由许多晶格排列方位不同的晶 粒组成的晶体
举例
K2Cr3O7 -S，CaSO42H2O -S，Ga，Fe3C Zn，Cd，Mg，NiAs As，Sb，Bi -Sn，TiO2 Fe，Cu，Ag，Au
四方 菱方 正交 单斜
三斜
90%以上的纯金属金属晶体都具有排列紧密、对称 性高的简单结构。 常见纯金属的晶格类型有三类： 体心立方(bcc，body-centered cubic) 面心立方(fcc， face-centered cubic) 密排六方(hcp， hexagonal close-packed )
100:[10]、 0 [01]、 0 [00]1
110:[11]、 0 [10]、 1 [01]、 1 [11]0、 [10]1、 [011]
111:[11]、 1 [11]1、 [111]、 [11]
<111>
[111] Z
负刃型
螺型位错
螺型位错的形成
原子模型
❖ 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。
= L/V(cm/cm3或1/cm2)
❖ 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
① 减少缺陷进行强化：将 金属做成晶须，晶体几 乎没有缺陷，强度接近 理论值，但因尺寸有限， 应用受到限制。
Z
(221)
[221]
Y
X
§3.2 纯金属的实际晶体结构
一、单晶体与多晶体的基本概念
1. 单晶体：晶体内部晶格位向（即原子排 列方向）完全一致的晶体。
2. 多晶体 实际使用的金属材料是由许多彼此方 位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。
多晶体：由许多晶格排列方位不同的晶 粒组成的晶体
举例
K2Cr3O7 -S，CaSO42H2O -S，Ga，Fe3C Zn，Cd，Mg，NiAs As，Sb，Bi -Sn，TiO2 Fe，Cu，Ag，Au
四方 菱方 正交 单斜
三斜
90%以上的纯金属金属晶体都具有排列紧密、对称 性高的简单结构。 常见纯金属的晶格类型有三类： 体心立方(bcc，body-centered cubic) 面心立方(fcc， face-centered cubic) 密排六方(hcp， hexagonal close-packed )
100:[10]、 0 [01]、 0 [00]1
110:[11]、 0 [10]、 1 [01]、 1 [11]0、 [10]1、 [011]
111:[11]、 1 [11]1、 [111]、 [11]
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[111] Z
6第四章金属强化理论和钢的热处理1ppt课件
实际使用的金属材料，往往是上述几种强化机理同时在起作用，以获得尽 可能好的强化效果强化：如低碳低合金高强度钢，此钢系统是利用V、Ti、B、Nb、RE 及Mn、Si等建立起来的。材料强化特点是：加入少量Si、Mn、Cu、P等元素强 化铁素体(固溶强化)，加入微量Al、Cu、V、Ti、Nb等元素使晶粒细化并产生 细小析出物NbC、VC等(细晶强化和第二相强化)，达到综合强化的效果。
2.马氏体强化：是通过热处理获得马氏体组织使钢得以强化的方法，是钢 铁材料强化的重要手段。马氏体强化主要是通过碳在α-Fe中的过饱和溶解造 成固溶强化，但同时也伴有其它强化作用，如目前已得到广泛应用的低碳马 氏体，除固溶强化外，由于组织转变中的容积变化和滑移过程、使其组织中 的每个板条都存在着很高密度的位错，即位错强化效果十分显著，同时板条 之间存在着小角度晶界以及马氏体转变时伴有细小碳化物的析出，所以还有 细晶强化和第二相强化的因素存在，因而热处理对材料的强化作用也是综合 性的。
(亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同 )
6 第四章
二、奥氏体晶粒度及其影响因素
奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有着重要的影响。热处理加热时获 得细小均匀的奥氏体晶粒，冷却后钢的力学性能就好。奥氏体晶粒大小是评 定加热质量的主要指标之一。
（1）晶粒度（定义）是表示晶粒大小的尺度。1-4级为粗晶粒，5-8级细晶粒。
图4-4 共析钢中奥氏体形成过程示意图
6 第四章
（(共析钢)奥氏体的形成四个阶段）
(1)奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这
是因为在相界处，原子排列紊乱，能量较高，能满足晶核形成的结构、能 量和浓度条件。 (2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，另一面和渗 碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度 高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在着碳 的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的 铁素体界面扩散，为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不 断向铁索体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。 (3)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方向成长的速度 远大于渗碳体的溶解．因此在奥氏体形成之后，还残留一定量的未溶渗碳 体。这部分渗碳体只能在随后的保温过程中，逐渐溶入奥氏体中，直至完 全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀， 原来属于渗碳体的地方含碳较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必须继 续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。
2.马氏体强化：是通过热处理获得马氏体组织使钢得以强化的方法，是钢 铁材料强化的重要手段。马氏体强化主要是通过碳在α-Fe中的过饱和溶解造 成固溶强化，但同时也伴有其它强化作用，如目前已得到广泛应用的低碳马 氏体，除固溶强化外，由于组织转变中的容积变化和滑移过程、使其组织中 的每个板条都存在着很高密度的位错，即位错强化效果十分显著，同时板条 之间存在着小角度晶界以及马氏体转变时伴有细小碳化物的析出，所以还有 细晶强化和第二相强化的因素存在，因而热处理对材料的强化作用也是综合 性的。
(亚共析钢和过共析钢中奥氏体的形成过程与共析钢基本相同 )
6 第四章
二、奥氏体晶粒度及其影响因素
奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的性能有着重要的影响。热处理加热时获 得细小均匀的奥氏体晶粒，冷却后钢的力学性能就好。奥氏体晶粒大小是评 定加热质量的主要指标之一。
（1）晶粒度（定义）是表示晶粒大小的尺度。1-4级为粗晶粒，5-8级细晶粒。
图4-4 共析钢中奥氏体形成过程示意图
6 第四章
（(共析钢)奥氏体的形成四个阶段）
(1)奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核一般优先在铁素体和渗碳体相界处形成。这
是因为在相界处，原子排列紊乱，能量较高，能满足晶核形成的结构、能 量和浓度条件。 (2)奥氏体晶核的长大 奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，另一面和渗 碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度 高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在着碳 的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的 铁素体界面扩散，为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不 断向铁索体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。 (3)残余渗碳体的溶解 在奥氏体形成过程中，奥氏体向铁素体方向成长的速度 远大于渗碳体的溶解．因此在奥氏体形成之后，还残留一定量的未溶渗碳 体。这部分渗碳体只能在随后的保温过程中，逐渐溶入奥氏体中，直至完 全消失。 (4)奥氏体成分的均匀化 渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度的分布并不均匀， 原来属于渗碳体的地方含碳较多，而属于铁素体的地方含碳较少，必须继 续保温，通过碳的扩散，使奥氏体成分均匀化。
金属的四种强化机制
典型的金属材料拉伸曲线
M⑻2
间隙固溶悻置换固溶体
O—溶剂限予•一/质K4于J时科基
3、第二相强化
位错线
(a)(b)(c)⑷
奥罗万机制示意
C〕位错线通过前Mb〕位错线弯曲；“〕形成位错环Md〕
位错线通过七诟福
4、细品强化
细晶强化：随晶粒尺寸的减小,材料的强度硬度升高,塑性、韧性得到改善的现象称为细晶强化.细化晶粒可以同时提升强度,改善钢的韧塑性,是一种较好的强化材料的方法.
合金的晶粒越细小,内部晶粒和晶界的数目就越多.细晶强化利用晶界上原子排列的不规那么性、原子能量高的这一特点,对材料进行强化.根据霍尔-配奇关系式,晶粒的平均直径越小,材料的屈服强度越高.
反霍尔-佩奇现象。
金属强化机制ppt课件
26
27
20
关于纳米材料的力学性能的研究总结出四条与 常规晶粒材料不同的结论
21
金属纳米材料自诞生以来对各个领域的影 响令人瞩目，这主要是因为纳米材料往往“ 身怀绝技”，有特殊的用途。现列出一些金
(1)钴属(C纳o)高米密材度料磁记在录实材际料中。利的用主纳要米钴用粉途记：录密度高
、矫顽力高(可达119.4kA／m)、信噪比高和抗氧化性好等 优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。。
13
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移系 取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从一 个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排列 不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳 米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感 、生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
5
固溶强化的主要机制：
柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原
子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
6
低碳钢在上屈服点 开始塑性变形，当 应力达到上屈服点 之后开始应力降落， 在下屈服点发生连 续变形而应力并不 升高，即出现水平 台，这就是屈服平 台。
Hale Waihona Puke 低碳钢退火状态的工程应力—7
低碳钢屈服现象的柯氏气团理论
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关于纳米材料的力学性能的研究总结出四条与 常规晶粒材料不同的结论
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金属纳米材料自诞生以来对各个领域的影 响令人瞩目，这主要是因为纳米材料往往“ 身怀绝技”，有特殊的用途。现列出一些金
(1)钴属(C纳o)高米密材度料磁记在录实材际料中。利的用主纳要米钴用粉途记：录密度高
、矫顽力高(可达119.4kA／m)、信噪比高和抗氧化性好等 优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。。
13
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移系 取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从一 个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排列 不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳 米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感 、生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
5
固溶强化的主要机制：
柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原
子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
6
低碳钢在上屈服点 开始塑性变形，当 应力达到上屈服点 之后开始应力降落， 在下屈服点发生连 续变形而应力并不 升高，即出现水平 台，这就是屈服平 台。
Hale Waihona Puke 低碳钢退火状态的工程应力—7
低碳钢屈服现象的柯氏气团理论
金属的强化方法及机理20页PPT
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 ຫໍສະໝຸດ 0、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
金属的强化方法及机理
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 ຫໍສະໝຸດ 0、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
金属的强化方法及机理
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
低合金高强钢的强化方法PPT课件
低合金高强钢的强化方法
钢的屈服主要是由于位错的滑移和增殖，影响位错运动的主要有固溶强化、细晶强化 和析出弥散强化
• 固溶强化
固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力， 使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
• 细晶强化
通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
• 析出弥散强化
在材料中析出弥散分布的硬质微粒，利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高 材料强度。
第1页/共9页
固溶强化
• 固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻 力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
碳能产生大的固溶强化效果，同 时成本很低。但随着碳含量的提 高韧脆转变温度显著提高，故碳 含量一般限制在0.2％以下
第6页/共9页
提高低合金高强度钢的工艺方法
• 提高低合金高强度钢的工艺方法主要是用Al脱氧和在钢中加入Nb、V、Ti等微合金元素， 生成弥散的碳化物、氮化物和碳氮化物，它们能钉扎晶界，抑制晶粒的长大。
• 同时析出的碳氮化物降低铁素体中的碳氮含量，提高钢的韧性、塑形、成型性和焊接性。 • 另外还可以通过提高冶金质量，改善加工工艺（如通过热机制控制工艺TMCP生产）
第2页/共9页
细晶强化
通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细着晶粒尺寸d的减小，钢的屈服强度将提高
第3页/共9页
细化晶粒也同时能改善韧性
• 采用细化晶粒的方法，每提高15MPa可使韧脆转变温度下降10℃。细化晶粒是既能使钢强化又能改善韧性 的唯一方法。 第4页/共9页
细化晶粒减少位错塞积数量
降低因位错塞积引起的应力集中，减轻裂纹的形成 即使裂纹形成，晶界增多也会阻碍裂纹扩展
钢的屈服主要是由于位错的滑移和增殖，影响位错运动的主要有固溶强化、细晶强化 和析出弥散强化
• 固溶强化
固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力， 使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
• 细晶强化
通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
• 析出弥散强化
在材料中析出弥散分布的硬质微粒，利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高 材料强度。
第1页/共9页
固溶强化
• 固溶强化是融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻 力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
碳能产生大的固溶强化效果，同 时成本很低。但随着碳含量的提 高韧脆转变温度显著提高，故碳 含量一般限制在0.2％以下
第6页/共9页
提高低合金高强度钢的工艺方法
• 提高低合金高强度钢的工艺方法主要是用Al脱氧和在钢中加入Nb、V、Ti等微合金元素， 生成弥散的碳化物、氮化物和碳氮化物，它们能钉扎晶界，抑制晶粒的长大。
• 同时析出的碳氮化物降低铁素体中的碳氮含量，提高钢的韧性、塑形、成型性和焊接性。 • 另外还可以通过提高冶金质量，改善加工工艺（如通过热机制控制工艺TMCP生产）
第2页/共9页
细晶强化
通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细着晶粒尺寸d的减小，钢的屈服强度将提高
第3页/共9页
细化晶粒也同时能改善韧性
• 采用细化晶粒的方法，每提高15MPa可使韧脆转变温度下降10℃。细化晶粒是既能使钢强化又能改善韧性 的唯一方法。 第4页/共9页
细化晶粒减少位错塞积数量
降低因位错塞积引起的应力集中，减轻裂纹的形成 即使裂纹形成，晶界增多也会阻碍裂纹扩展
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11
沉淀强化
沉淀强化是可变形粒子强化：位错且过第二项粒子 所引起的强化作用。第二相粒子与基体共格，能被 位错切过，位错切过粒子时，粒子产生宽度为b的 表面台阶，增加表面能，通过共格应变场等因素使 合金强化。
12
弥散强化
弥散强化型合金中不可变形的第二相粒子的强化作用是通过粒 子对位错的阻碍作用实现的，如图为奥罗万（E.Orowan）机制。
力增大到某一数值时，使位错源停止开动。则要使 第二晶粒产生滑移，必须增大外加应力，以启动第 二晶粒中的位错源动作。即对于多晶体而言，外加
14
应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作产 生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。
晶界对多晶体塑性变形的影响主要取决于晶界数量，晶
粒大小又决定了晶界数量。图为低碳钢的晶粒大小与屈
积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有
可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高
的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中
少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过
程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
17
加工硬化
金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提 高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。
加工硬化的实质是金属经过冷加工产生大量的位 错，位错发生积塞和缠结等交互作用，部分成为 不可动位错，起到了“钉扎”作用，对塑性变形 起到阻碍作用，从而达到强化基体的目的。
18
什么是金属纳米材料？
金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳 米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感、 生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
7
低碳钢屈服现象的柯氏气团理论
所谓的柯氏气团，就是指碳原子偏聚于刃位 错的下方，碳原子有钉扎位错，使位错不易 运动。位错要运动，只要从气团中挣脱出来， 摆脱碳原子的钉扎。位错要从气团中挣脱出 来，需要较大的力，这就形成了上屈服点。 而一旦挣脱之后，位错的运动就比较容易， 因此有了应力降落，出现下屈服点和水平台。
19
金属纳米材料的制备工艺
零维金属纳米材料的制备方法 气相法 液相法 水热法 溶胶-凝胶法 高能球磨法 一维金属纳米材料的制备方法 晶体的气-固生长法 选择电沉积法 二维金属纳米材料的制备方法 溶胶-凝胶法 高速超微粒子沉积法 溅射法 惰性气体蒸
16
细晶强化是唯一不以降低材料的塑性来增加 强度的强化方法
晶粒强化的原因 ：晶粒细化后，晶界增多，而晶界
上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高 强度。
塑性，韧性好的原因： 晶粒越细，在一定体积内的
晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在
更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞
5
固溶强化的主要机制：
柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原
子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
6
低碳钢在上屈服点 开始塑性变形，当 应力达到上屈服点 之后开始应力降落， 在下屈服点发生连 续变形而应力并不 升高，即出现水平 台，这就是屈服平 台。
低碳钢退火状态的工程应力—应变曲线及屈服现象
8
低碳钢的应变时效
a---预塑性变形
b---卸载后立即加载
c---卸载后放置一段时间或在200摄氏度加热后在加载
9
当卸载后立即重新加载，由于位错已经挣脱柯氏气 团的钉扎，所以没有出现屈服点，如果卸载后放置 很长时间或经时效则溶质原子已经通过扩散而重新 聚集到位错周围形成柯氏气团，屈服现象又重复出 现。
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移 系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从 一个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排 列不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
根据位错理论，迫使位错线弯曲到该状态所需的切应力： G为切变弹性模量，b为柏氏矢量，λ为两粒子间距离。 由此可见，不可变形粒子的强化作用与粒子间距λ成反比， 粒子越多，粒子间距越小，强化作用明显，因此，减小粒子 尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小，则粒子间距也越1小3 ） 或提高粒子的体积分数都会导致合金强度的提高。
金属强化机制
金属强化机制
固溶强化 第二相粒子强化 细晶强化 加工硬化
2
固溶强化
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中 溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀 混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类 型。
与组成固溶体的纯组元相比，固溶体的晶格类 型不发生变化，但点阵常数都会发生变化；其 硬度、强度升高，而塑性、韧性相对下降，但 综合力学性能优于纯金属。
服点的关系曲线，由图可见，钢的屈服点与晶粒直径平
方根的倒数呈线性关系。晶粒越小，晶粒数量越多，屈
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ服点越大。
15
霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d 与屈服强度σs的关系：
-1/2
σs = σ0+kd
σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强 度； k——晶界对变形的影响系数。
3
根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置分 为：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂点阵的阵点 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙
4
固溶强化
溶质原子的存在及其 固溶度的增加，使基 体金属的变形抗力随 之提高。如图表示CuNi固溶体的强度和塑 性随溶质含量的增加， 合金强度、硬度提高， 而塑性有所下降，即 产生了固溶强化效果。
10
第二相粒子强化
根据第二相粒子的尺寸大小分为：
聚合型合金：两相晶粒尺寸属于同一数量级，较
强相数量较少时，塑性变形基本上都发生在较弱 相中，只有较强相的体积分数大于30%时，才能 起到明显的强化作用。
弥散分布型合金：弥散地分布于基体中的第二相
粒子会阻碍位错运动而起到强化作用。通过第二 相粒子是否可变形可分为两类强化机制： 沉淀强化（时效强化） 弥散强化
沉淀强化
沉淀强化是可变形粒子强化：位错且过第二项粒子 所引起的强化作用。第二相粒子与基体共格，能被 位错切过，位错切过粒子时，粒子产生宽度为b的 表面台阶，增加表面能，通过共格应变场等因素使 合金强化。
12
弥散强化
弥散强化型合金中不可变形的第二相粒子的强化作用是通过粒 子对位错的阻碍作用实现的，如图为奥罗万（E.Orowan）机制。
力增大到某一数值时，使位错源停止开动。则要使 第二晶粒产生滑移，必须增大外加应力，以启动第 二晶粒中的位错源动作。即对于多晶体而言，外加
14
应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作产 生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。
晶界对多晶体塑性变形的影响主要取决于晶界数量，晶
粒大小又决定了晶界数量。图为低碳钢的晶粒大小与屈
积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有
可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高
的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中
少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过
程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
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加工硬化
金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显著提 高，而塑性则很快下降，即产生了加工硬化现象。
加工硬化的实质是金属经过冷加工产生大量的位 错，位错发生积塞和缠结等交互作用，部分成为 不可动位错，起到了“钉扎”作用，对塑性变形 起到阻碍作用，从而达到强化基体的目的。
18
什么是金属纳米材料？
金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳 米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。
金属纳米材料具有许多其本体普通材料所没有的 独特的物理和化学性能,在光、电、磁、催化剂、传感、 生物医药等方面具有广泛的应用前景。 这些独特性能与 纳米材料的尺寸、 形状密切相关, 因而形貌可控地 制备纳米材料非常重要。
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低碳钢屈服现象的柯氏气团理论
所谓的柯氏气团，就是指碳原子偏聚于刃位 错的下方，碳原子有钉扎位错，使位错不易 运动。位错要运动，只要从气团中挣脱出来， 摆脱碳原子的钉扎。位错要从气团中挣脱出 来，需要较大的力，这就形成了上屈服点。 而一旦挣脱之后，位错的运动就比较容易， 因此有了应力降落，出现下屈服点和水平台。
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金属纳米材料的制备工艺
零维金属纳米材料的制备方法 气相法 液相法 水热法 溶胶-凝胶法 高能球磨法 一维金属纳米材料的制备方法 晶体的气-固生长法 选择电沉积法 二维金属纳米材料的制备方法 溶胶-凝胶法 高速超微粒子沉积法 溅射法 惰性气体蒸
16
细晶强化是唯一不以降低材料的塑性来增加 强度的强化方法
晶粒强化的原因 ：晶粒细化后，晶界增多，而晶界
上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高， 阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高 强度。
塑性，韧性好的原因： 晶粒越细，在一定体积内的
晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在
更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞
5
固溶强化的主要机制：
柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原
子可以与位错交互作用而形成溶质原子气团。
6
低碳钢在上屈服点 开始塑性变形，当 应力达到上屈服点 之后开始应力降落， 在下屈服点发生连 续变形而应力并不 升高，即出现水平 台，这就是屈服平 台。
低碳钢退火状态的工程应力—应变曲线及屈服现象
8
低碳钢的应变时效
a---预塑性变形
b---卸载后立即加载
c---卸载后放置一段时间或在200摄氏度加热后在加载
9
当卸载后立即重新加载，由于位错已经挣脱柯氏气 团的钉扎，所以没有出现屈服点，如果卸载后放置 很长时间或经时效则溶质原子已经通过扩散而重新 聚集到位错周围形成柯氏气团，屈服现象又重复出 现。
细晶强化
多晶体中晶体各项异性，不同位向晶粒的滑移 系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能从 一个晶粒直接延续到另一个晶粒中；晶界处原子排 列不规则，点阵畸变严重。
因此，在室温下晶界将会阻碍
位错的滑移，使每个晶粒中的滑移
带终止在晶界附近，并发生位错堵
塞现象，如图所示，位错塞积群又
会对位错源产生一反作用力，这个
根据位错理论，迫使位错线弯曲到该状态所需的切应力： G为切变弹性模量，b为柏氏矢量，λ为两粒子间距离。 由此可见，不可变形粒子的强化作用与粒子间距λ成反比， 粒子越多，粒子间距越小，强化作用明显，因此，减小粒子 尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小，则粒子间距也越1小3 ） 或提高粒子的体积分数都会导致合金强度的提高。
金属强化机制
金属强化机制
固溶强化 第二相粒子强化 细晶强化 加工硬化
2
固溶强化
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中 溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀 混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类 型。
与组成固溶体的纯组元相比，固溶体的晶格类 型不发生变化，但点阵常数都会发生变化；其 硬度、强度升高，而塑性、韧性相对下降，但 综合力学性能优于纯金属。
服点的关系曲线，由图可见，钢的屈服点与晶粒直径平
方根的倒数呈线性关系。晶粒越小，晶粒数量越多，屈
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ服点越大。
15
霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸d 与屈服强度σs的关系：
-1/2
σs = σ0+kd
σ0——晶内对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强 度； k——晶界对变形的影响系数。
3
根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置分 为：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂点阵的阵点 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙
4
固溶强化
溶质原子的存在及其 固溶度的增加，使基 体金属的变形抗力随 之提高。如图表示CuNi固溶体的强度和塑 性随溶质含量的增加， 合金强度、硬度提高， 而塑性有所下降，即 产生了固溶强化效果。
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第二相粒子强化
根据第二相粒子的尺寸大小分为：
聚合型合金：两相晶粒尺寸属于同一数量级，较
强相数量较少时，塑性变形基本上都发生在较弱 相中，只有较强相的体积分数大于30%时，才能 起到明显的强化作用。
弥散分布型合金：弥散地分布于基体中的第二相
粒子会阻碍位错运动而起到强化作用。通过第二 相粒子是否可变形可分为两类强化机制： 沉淀强化（时效强化） 弥散强化