第5章金属及合金的强化方法介绍
第五章 金属基复合材料成型技术
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
金属材料学第四、五章 合金元素对工艺性能的影响
第四章 合金元素对钢强韧性和工材艺性料能学的—影西响安理工大学材料学院
一、 钢的强化机制
➢ 屈服强度是金属材料的重要性能指标，钢的强化机制就 是提高其屈服强度。
➢ 屈服强度就是使塑性变形开始时，滑移系上的临界切应 力，也就是使位错开动，增殖并在金属中传播所需要的 应力。
第四章 合金元素对钢强韧性和工材艺性料能学的—影西响安理工大学材料学院
二、低碳马氏体具有较高韧性的原因（与中碳马氏体相比）
• ①、板条马氏体的亚结构为位错，且分布均匀，不 含或少含孪晶亚结构，而中碳马氏体的亚结构为孪 晶，其可用的形变系统少；
• ②、板条马氏体是平行生长的，造成显微裂纹的机 会少，孪晶马氏体为非平行生长而相互冲突，易造 成显微裂纹；
Ci－－第i种固溶原子的固溶量 （不是钢中的含量）（重量百分 浓度）；
第四章 合金元素对钢强韧性和工材艺性料能学的—影西响安理工大学材料学院
2、固溶强化的韧化效果
• 固溶强化对塑性、韧 性的影响较大。
• 一般而言：合金元素 含量越多，强化效果 越大，其损害韧性亦 越严重。
• 但是唯一例外的元素 是Ni：在所有浓度的 情况下，均增加钢的 韧性。
注意：细晶强化是利用材料晶界强度高于晶内 强度的原理来实现材料的强化。一旦材料的晶界 强度低于晶内强化，细晶将不是强化材料的方法， 反而是弱化材料的途径。
第四章 合金元素对钢强韧性和工材艺性料能学的—影西响安理工大学材料学院
细化晶粒对韧性的影响
细化晶粒同时也可增加钢的 韧性
晶粒越细，造成裂纹所需 的应力集中越难，裂纹扩 展所消耗的能量越高，而 且晶界越多，阻碍位错运 动的作用越大，韧性越高。 可用韧脆转化温度Tc衡量。 Tc越低，韧性越好。
《金属材料与热处理》教材习题答案：第五章 合金钢
《金属材料与热处理》教材习题答案第五章合金钢1.什么是合金钢?答：所谓合金钢就是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。
2.合金元素在钢中有哪些主要作用?这些作用对钢的性能会产生哪些影响?答：合金元素在钢中的作用是非常复杂，其中主要作用包括：一是形成合金铁素体。
由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用。
二是与碳能形成碳化物，当这些碳化物呈细小颗粒并均匀分布在钢中时，能显著提高钢的强度和硬度。
三是抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒，从而提高其综合力学性能。
四是可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体的转变，减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。
五是提高回火稳定性，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度。
在强度要求相同的条件下，合金钢可在更高的温度下回火，以充分消除内应力，而使韧性更好。
3.合金钢是如何分类的?答：合金钢最常用下面两种分类方法。
一是按用途分类：分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
其中合金结构钢又可以分为低合金高强度钢，渗碳钢，调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。
合金工具钢可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。
特殊性能钢则有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
二是按合金元素总含量分类：分为低合金钢（合金元素总含量＜5％）、中合金钢（合金元素总含量5％一10％）和高合金钢（合金元素总含量＞10％）。
4.合金钢的牌号编制有何特点？答：我国合金钢牌号采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号，简单明了，比较实用。
其中合金结构钢的牌号采用两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示，前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数；合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量大于等于1.0％时，则不予标出。
第5章金属材料及热处理概论
第5章金属材料及热处理概论 （3）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称 为热膨胀性，用线膨胀系数α表示，其单位是1／℃或1／K， 即温度每升高1℃，其单位长度的膨胀量。α值越大，金属的 尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。
第5章金属材料及热处理概论
2.金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下
全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。 目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料 的冲击韧度值αk。 金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状
和尺寸的试样(图5－1(a)为u形缺口冲击试样)，将其安放在冲
击试验机上，把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后，使摆锤 自由下落(见图5－1(b))。
第5章金属材料及热处理概论 3）塑性 塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致
破裂的能力。
许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有
较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一
定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常 用的塑性指标有断后伸长率δ 和断面收缩率ψ 。关于塑性
第5章金属材料及热处理概论 （2）收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线 性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生
缩孔、缩松、变形等缺陷。
第五章-材料的形变和再结晶
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
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5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
第5章金属
第五章金属及合金的形变金合金变金属及合金的塑性变形¾单晶体的滑移¾单晶体的应力-应变曲线及加工硬化¾孪生及扭折¾多晶体的塑性变形¾塑性变形后金属的结构、组织和性能单晶体的滑移滑移要素——滑移系(slip system)滑移是指在外力作用下晶体沿某些特定晶面和晶向相对滑开的形变方式。
滑移的特定晶面称为滑移面(slip plane)，开的形变方式滑移的特定晶面称为滑移面特定晶向称为滑移方向(slip direction)。
滑移面和滑移方向合称为滑移要素。
合称为滑移要素对于一定的晶体结构，不论载荷大小或方向，滑移要素的类型一般都是确定的。
一般地，滑移面是晶体的密排面和较密排面，滑移方向是晶体的密排方向。
面心立方晶体：滑移面——{111}滑移方向——<110>体心立方晶体：滑移面——{110}、{112}、{123}滑移方向——<111>密排六方晶体：滑移面{}c/a>1.633 ——{0001}滑移方向——<11-20>c/a<1.633——{10-10}c/a<1.633 滑移面{1010}滑移方向——<11-23>一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系(slip system)。
面心立方结构有12个滑移系；体心立方结构有48个滑移系；密排六方结构有3个滑移系；在外力作用下，并不是所有的滑移系都会开动，只能是其中一个或几个滑移系开动，那些没有开动的滑移系称为潜在滑移系(potential slip system)。
滑移带与滑移线光学显微镜观察7%形变Al表面形貌扫描电镜观察形变Co单晶表面形貌Schmid 定律（临界分切应力定律）F==τm A ⋅⋅⋅σϕλcos cos 0取向因子（Orientation Factor ）临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress ）Slip in a Zinc single crystal From C.F.ElamThe Distortion of Metal Crystals Oxford University Press London,1935London1935滑移系开动时，所需要的临界分切应力是和外力无关的常数，这个规律称为Schmid定律或临界分切应力定律。
金属材料热处理原理 第五章 马氏体转变
二、马氏体转变的主要特点 1. 切变共格和表面浮凸现象
钢因马氏体转变而产生的表面浮凸
马氏体形成时引起的表面倾动
马氏体是以切变方式形成的，马氏体与奥氏体 之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体， 是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界 面称之为“切变共格”界面。
马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图
4. 马氏体转变是在一个温度范围内完成的
马氏体转变量与温度的关系
Ms—马氏体转变开始温度；Mf—马氏体转变终了点； A、B—残留奥氏体。
5. 马氏体转变的可逆性
在某些铁合金中，奥氏体冷却转 变为马氏体，重新加热时，已形成的 马氏体又可以逆马氏体转变为奥氏体， 这就是马氏体转变的可逆性。一般将 马氏体直接向奥氏体转变称为逆转变。 逆转变开始点用As表示，逆转变终了 点用Af表示。通常As温度比Ms温度高。
2. 马氏体转变的无扩散性
马氏体转变的无扩散性有以下实验证据：
(1) 碳钢中马氏体转变前后碳的浓度没有 变化，奥氏体和马氏体的成分一致，仅发生晶 格改组：
γ-Fe(C) → α-Fe(C)
面心立方 体心正方
(2) 马氏体转变可以在相当低的温度范围 内进行，并且转变速度极快。
3. 具有一定的位向关系和惯习面
西山关系示意图
③ G-T关系
{111}γ∥{110}α′ 差1°；<110>γ∥<111>α′ 差2°。
(2) 惯习面
马氏体转变时，新相总是在母相的某个晶面族上 形成，这种晶面称为惯习面。在相变过程中从宏观上 看，惯习面是不发生转动和不畸变的平面，用它在母 相中的晶面指数来表示。
钢中马氏体的惯习面随碳含量及形成温度不同而 异，常见的有三种：(1) 含碳量小于0.6%时，为{111}γ； (2) 含碳量在0.6%~1.4%之间时，为{225}γ；(3) 含碳 量高于1.4%时，为{259}γ。随马氏体形成温度下降， 惯习面有向高指数变化的趋势。
第五章金属的塑性和变形抗力
第五章 金属的塑性和变形抗力从金属成形工艺的角度出发，我们总希望变形的金属或合金具有高的塑性和低的变形抗力。
随着生产的发展，出现了许多低塑性、高强度的新材料，需要采取相应的新工艺进行加工。
因此研究金属的塑性和变形抗力，是一个十分重要的问题。
本章的目的在于阐明金属塑性和变形抗力的概念，讨论各种因素对它们的影响。
§5.1 塑性、塑性指标、塑性图和变形抗力的概念所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。
人们常常容易把金属的塑性和硬度看作成反比的关系，即认为凡是硬度高的金属其塑性就差。
当然，有些金属是这样的，但并非都是如此，例如下列金属的情况： Fe HB ＝80 ψ＝80％Ni HB ＝60 ψ＝60％Mg HB ＝8 ψ＝3％Sb HB ＝30 ψ＝0％可见Fe 、Ni 不但硬度高，塑性也很好；而Mg 、Sb 虽然硬度低，但塑性也很差。
塑性是和硬度无关的一种性能。
同样，人们也常把塑性和材料的变形抗力对立起来，认为变形抗力高塑性就低，变形抗力低塑性就高，这也是和事实不符合的。
例如奥氏体不锈钢在室温下可以经受很大的变形而不破坏，既这种钢具有很高的塑性，但是使它变形却需要很大的压力，即同时它有很高的变形抗力。
可见，塑性和变形抗力是两个独立的指标。
为了衡量金属塑性的高低，需要一种数量上的指标来表示，称塑性指标。
塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。
常用的塑性指标是拉伸试验时的延伸率δ和断面缩小率ψ，δ和ψ由下式确定： %100l l l 00k ×−=δ （5.1） %100F F F 0K 0×−=ψ (5.2) 式中l 0、F 0——试样的原始标距长度和原始横截面积；l K 、F K ——试样断裂后标距长度和试样断裂处最小横截面积。
实际上，这两个指标只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力。
金属的塑性指标除了用拉伸试验之外，还可以用镦粗试验、扭转试验等来测定。
金属材料的四种强化方式 -回复
金属材料的四种强化方式-回复金属材料的四种强化方式是：固溶强化、细晶强化、位错强化和相变强化。
这些强化方式可以通过改变金属晶体结构、控制晶粒大小、引入位错和控制相变来提高金属材料的强度和硬度。
固溶强化是指通过固溶体中添加溶质元素来改善金属材料的性能。
溶质元素可以在金属基体中占据空位或替代原子的位置，通过与基体原子发生相互作用来影响金属的晶体结构和力学性能。
溶质元素的添加可以形成固溶体溶解度限度以及形成沉淀相，从而有效地改善金属材料的强度和塑性。
细晶强化是指通过控制金属材料的晶粒尺寸来提高材料的强度和硬度。
晶粒边界是材料中晶粒之间的界面，晶粒越细小，晶界面越多，阻碍位错移动的机会就越多，从而提高材料的强度。
细晶强化可以通过控制冷变形过程中的变形温度、变形速率和变形温度等参数来实现。
位错强化是指通过加入位错（晶体结构缺陷）来提高金属材料的强度。
位错是晶体中的一种阻碍原子位置正常排列的缺陷，位错强化的基本原理是位错产生了一系列应变场，阻碍了位错周围的其他位错的运动，从而提高了材料的强度。
位错强化可以通过冷变形和热处理等工艺实现。
相变强化是指通过金属材料的相变来提高材料的强度和硬度。
相变是指材料从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
相变强化的基本原理是相变过程中晶粒的生长和变化，使得晶体结构得以改善，从而提高材料的性能。
相变强化通常通过热处理来实现，如淬火、时效等。
金属材料的四种强化方式相互作用，可以通过不同的方式和工艺进行组合来实现对材料性能的综合强化。
例如，可以通过固溶强化控制溶质元素的含量和溶解度来改善材料的强度和塑性；通过细晶强化来控制材料的晶粒尺寸，提高材料的强度和硬度；通过位错强化控制位错密度和位错类型来改善材料的强度和耐腐蚀性能；通过相变强化来控制材料的相变过程，调节材料的晶体结构和硬度等。
综合应用这些强化方式，可以实现对金属材料性能的全面改善，满足不同工程应用的要求。
《金属材料学》课程教学大纲
《金属材料学》课程教学大纲《金属材料学》课程教学大纲一、课程说明课程名称：金属材料学所属专业：材料物理专业课程性质：专业基础课学分：3 课程简介：《金属材料学》是一门综合性和应用性较强的专业必修课。
根据材料物理专业先修课程和教学内容，本课程包括金属学和金属材料两大部分，其中金属学的内容作为《材料科学基础》课程的补充和深入，金属材料部分在《材料科学基础》、《材料力学性能》等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。
课程的学习，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。
目标与任务；通过本课程的学习主要掌握：1.金属材料的成份、组织结构及性能三者间的关系，金属的基本理论和知识。
2.合金元素在钢中的作用、原理和规律；3.钢的热处理原理以及其与合金化的配合；4.掌握各类铸铁的成分组织和性能特点；5.常用有色金属及其合金的成分、性能和热处理特点. 先修课程：《材料科学基础》、《材料力学性能》等。
教材与主要参考书。
教材：《金属学与热处理》第二版，崔忠圻主编，哈尔滨工业大学出版社。
参考书：《金属材料学》第二版，吴承建陈国良强文江等编著，冶金工业出版社。
《金属材料学》第二版，戴起勋主编程晓农主审，化学工业出版社。
《材料科学基础》，胡赓祥、蔡荀主编，上海交通大学出版《材料科学基础》，潘金生等编，清华大学出版社二、课程内容与安排绪论讲授，2学时内容及基本要求 1.金属材料的发展概况。
2.了解金属材料在国民经济中的地位与作用。
3.本课程的性质、地位和任务。
第一章金属的晶体结构第一节金属的结合方式第二节金属的晶体结构第三节实际金属的晶体结构教学方法与学时分配讲授，5学时内容及基本要求主要内容：1．组成材料的原子间的键合方式及其与性能间的关系。
2．晶体学基础的基本概念和应用。
4. 点缺陷、线缺陷、面缺陷。
5. 刃型位错、螺型位错的结构特征、应力场、相互作用、增殖及其对性能的影响。
第五章、形变和再结晶
形变和再结晶弹性变形时，出现的有别于理想弹性变形的现象，称之为弹性的不完整性包申格效应弹性的不完整性材料经预先加载产生少量塑性变形。
而后同向加载则屈服强度增加，反向加载则屈服强度降低。
弹性后效在弹性极限内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象弹性滞后应变落后于应力，在应力-应变曲线上加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后滑移系数目：BCC﹥FCC﹥HCP滑移的临界分切应力（定值）反映单晶体受力起始屈服的物理量晶体中的多个滑移系并非同时参与滑移，只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可首先进行滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力F／A ＝σs滑移面趋向于与轴向平行滑移方向趋向于最大分切应力方向取向因子（施密特因子）任一给定Φ角，若Φ+λ＝90°，滑移方向位于F与滑移面法线所组成的平面上，沿此方向，所需切应力较小，得到以下两个结论❶当Φ=45°时，取向因子具有最大值0.5。
以最小的拉应力达到发生滑移所需的分切应力，σs最小❷Φ=90°/λ=90°，取向因子为0，不能产生滑移Φ由45→0°或由45→90°，σs↑(变硬)取向因子大的为软取向取向因子小的为硬取向hcp晶体软/硬取向σs差距很大fcc晶体软/硬取向σs差距不大(2倍)——思考：为什么？•b——滑移方向上的原子间距• a ——滑移面的面间距•ν——泊松比•W=a/(1-ν)——位错宽度τP-N= 2G/(1-ν)exp(-2πW/b) 派一纳（P-N）力滑移的特点：滑移总是沿密排面上的密排方向进行（P-N）力小，则屈服应力低，反之亦然（3）滑移和孪生1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。
——同2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生——异3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化；孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移——异4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％），但引起的晶格畸变大。
材料性能学第5章
图5-9 F-R再生核模型
24
a—交变应力为零，循环开 始时，裂纹处于闭合状态。 b—随拉应力增加，裂纹前 端因解理断裂向前扩展。 c—在切应力作用下，沿 45°方向在很窄范围内产生 局部塑性变形。 d—发生塑性钝化，裂纹停 止扩展。 e—应力为零或进入压应力 周期，裂纹闭合，其尖端重 图5-10 脆性疲劳条带形成过程示意图 新变得尖锐，但裂纹已经向 前扩展了一个条带的距离。
以提高疲劳抗力。 ▶ 晶界开裂产生裂纹
晶界弱化、粗化等也会使晶界开裂。强化、净化、 细化晶界，可提高材料的疲劳抗力。 ▶ 材料内部的缺陷(如气孔、夹杂、分层、各向异 性、相变或晶粒不均匀等)，都会因局部的应力集 中而引发裂纹。
19
疲劳裂纹扩展的方式和机理 ▶ 疲劳裂纹扩展，按扩展方向可分为两个阶段
常将0.05~0.10mm的裂纹定义为疲劳裂纹核， 由此来确定疲劳裂纹的萌生期。
14
疲劳裂纹一般都萌生于零件的表面，可能有三 个位置： 对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，裂纹多 萌生在表面滑移带处，即所谓驻留滑移带的地方。 当经受较高的应力/应变幅时，裂纹萌生在晶 界处，特别是在高温下更为常见。 对一般的工业合金，裂纹多萌生在夹杂物或第 二相与基体的界面上。
在电子显微镜下可显示出疲劳条带。疲劳带是每次循环 加载时形成的。
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图5-7 疲劳条带 (a)韧性条带×1000 (b)脆性条带×600
21
► 裂纹扩展的塑性钝化模型(L-S模型)
a—交变应力为零，循环开始时， 裂纹处于闭合状态。 b—拉应力增加，裂纹张开，且 顶端沿最大切应力方向产生滑移。 c—拉应力达到最大时，滑移区 扩大，裂纹顶端变为半圆形，并 停止扩展。裂纹顶端由于塑性变 形产生塑性钝化，应力集中减少。 d—应力反向，滑移方向改变， 裂纹表面被压拢，裂纹顶端弯折 成一对耳状切口。 e—压应力最大值时，裂纹完全 图5-8 韧性疲劳条带形成过程示意图 闭合，并恢复到开始状态。
金属学及热处理习题参考答案(1-9章)
第一章金属及合金的晶体结构一、名词解释：1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。
2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。
3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。
4．晶胞：构成晶格的最基本单元。
5．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。
6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。
7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。
8．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。
9．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
10．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。
11．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。
12．固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。
二、填空题：1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。
2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。
3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。
4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。
5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。
6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。
7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。
8．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。
9．位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。
10．在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、(210)、(201)、(201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。
第5章_金属及合金的形变(5-6-7)
第五章金属及合金的形变（第五、六、七节）第五章金属及合金的形变U第一节应力与应变U第二节弹性形变U第三节范性形变的表象U第四节单晶体的滑移ª第五节孪生及扭折ª第六节多晶体的范性形变ª第七节范性形变后金属的结构、组织和性能第五节孪生及扭折滑移是形变的主要形式，孪生及扭折也是形变的不同形式。
一、孪生孪生━晶体受力后，以产生孪晶的方式而进行的切变过程，称为孪生。
孪晶━以共格界面相联结，晶体学取向成镜面对称关系的这样一对晶体（或晶粒）的合称。
孪生前后晶体的形变晶体受到切应力后，沿着一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在一个区域内发生连续的顺序的切变。
滑移≠孪生滑移时晶体两部分相对滑移面的(整体) 切变量是原子间距的整数倍。
孪生时各晶面相对于孪生面的切变量与该晶面和孪生面的距离成正比，是原子间距的分数值。
第五节孪生及扭折孪生也是通过位错运动来实现的。
产生孪生的位错的柏氏矢量必须小于一个原子间距━部分位错。
每层原子都有一个不相等的部分位错。
逐层横扫、形成孪晶。
孪生比滑移困难：n晶体学条件必须满足孪生后取向关系，只能沿确定的晶面和晶向进行切变；o孪生所需切应力往往比滑移大许多倍。
孪生核心大多产生于晶体内的局部高应力、高应变区，即在滑移已进行到相当程度、并受到严重阻碍的区域。
对于一些滑移系较多，而孪生与滑移的临界分切应力又相差很大的晶体来说，要使晶体不发生滑移而进行孪生，是相当困难的。
Z HCP金属(Mg、Zn) 是最常见出现孪晶的。
六方晶系的滑移系很少，滑移困难，容易出现孪晶。
FCC 金属很少进行孪生，只有很少金属(Cu、Ag)在极低温度下滑移很困难时才发生孪生。
BCC 金属(αFe)在室温时，只有在冲击载荷下，才进行孪生。
第五节孪生及扭折二、扭折扭折是在滑移受阻、孪生也不利的条件下，晶体所作的不均匀局部塑性变形来适应外力的作用，是位错汇集引起协调性的形变。
和孪生不同，扭折区晶体的取向发生了不对称的变化，扭折带大多是由折曲(ABCD)和弯曲（左右两侧）两部分组成。
第5章 强化机理及过程
[Physical Metallurgy]
§5-3 沉淀硬化
自固溶体中产生沉淀的必要条件是：要有较大的 倾斜固溶度曲线存在。 一、沉淀热处理过程 1. 沉淀硬化过程 ① 生产一种沉淀硬化合金的全过程可分为三个部分：a. 选择成分；b.固溶处理；c.沉淀热处理。 ② 图10.28是一个典型的沉淀硬化合金系的平衡图，它 表明硬化是β相自过饱和的α相中沉淀的结果。虽然 这里最大的硬化效果可能在含B金属6%是产生，但 在低温下α加β相区的整个成分范围内，却都会发生 某些硬化作用。 2. 固溶处理 ① 将合金加热到高温，但低于使晶粒过分长大或某种组 成物熔化的温度。
第五章 强化机理及过程
引言
在开始研究强化金属和合金的方法时，首先应考虑 不同结构对强度的要求。 承压构建，可用砖和混凝土陶瓷材料； 承受轻载荷的物品（电话机、玩具）可用塑料； 对金属材料需根据不同的使用条件选择合适的材 料，一般条件下可用铸铁、普通热轧钢以及非铁合金。 要求高的条件下可用性能优良的材料。 在工程设计中，在不同的服役条件下，具有高的强 度一般还是需要的。
[Physical Metallurgy]
3. 有序硬化 ① 一般溶质原子浓度约为20%或更多时，才产生显著的 有序化效果。对于固溶体，有序状态代表一个低能量 的状态，所以这个能量随反相畴界总量的增多而增大。 ② 在超合金中可看到有序相强化的例子，在这些合金 中，由于有序化的缘故，第二相颗粒成为更有效的阻 碍位错通过的障碍物。 ③ 有序化在很多中心开始，随后这些中心长大，直至最 后相互碰撞。它们不仅产生一个阵列的有序畴，而且 由于正方性还产生了点阵畸变，所引起的强化效果可 以是很大的。 ④ 有序合金的变形，需要一种特殊类型的位错—超位错。 有序结构的一个完全位错的单位柏氏矢量比无序结构 大一倍。
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Gb c ， c相对固定，是两个相邻晶粒的取向 差。由于材料内的晶粒 cos 取向差别很大，因此 K S是一个变化的量。对于 多晶体，可以得到一个 的统计 2）K S＝ 平均值，材料确定，该 统计平均值确定。因此 K S也是材料的参数，是固 定数值. 研究发现材料滑移系越 多，K S越小。K S还与材料内位错钉扎强 度有关，C、N 原子钉扎会造成较大的 K S。
外因：温度提高，位错运动容易，σs↓ 应变速率提高，σs↑ 应力状态: 切应力分量τ↑，σs↓ 特殊应力状态：平面应力和平面应变状态
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5.2.1 晶粒细化强化本质
• 晶粒：正常晶粒和亚晶粒 • 亚晶粒的形成原因？ • 晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界 （位向差小于10度） • 晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要 原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中 的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶 界为材料中的弱化区域，不起强化作用） • 晶界是位错运动的障碍 原因？
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• Hall－Petch公式本质 1）晶界两侧晶体存在取向差——位错滑移从晶粒A 传递到晶粒B需要额外的应力——该应力由晶粒A 中形成的位错塞积群提供 2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数 有关——塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶 粒尺寸D 3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少——需要 更大的外加应力——造成屈服强度提高
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• 滑移的临界分切应力 τ=(P/A)cosφcosλ φ—外应力与滑移面法线夹 角； λ—外应力与滑移方向的夹角； Ω= cosφcosλ称为取向因子。 • 因为各晶粒的取向不同， cosφcosλ不同
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• 室温下位错在晶体内的运动过程： ——位错运动到晶界后消失于晶界，或受 到晶界阻碍形成位错塞积 ——晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错 开动 ——相邻晶粒内位错开动需要更大的应力 ——需要外加应力提高，即屈服强度提高
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什么是屈服强度
1）在应力1作用下，晶粒A内 A B 位错运动到晶界后受阻 2）晶粒B内的位错需要开动， 需要更大的外加应力 3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内 位错开动 4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作 用下，相邻的C晶粒内位错也能开动
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4）位错运动能够从晶粒A、B、C。。。传递 下去 5）由于晶界的作用，应力从1增大到2，表现 为晶界对材料的强化作用 6）这种能够使位错在不同晶粒间传递下去的 应力（应力2）就是材料的屈服强度
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A
B
如果采用正应力表示， 得到：
s＝ i＋K s D 1/ 2
这就是Hall－P et ch 公式，反映 材料屈服强度与晶粒直 径的 1 / 2成正比 讨论： 1 ） i 表征材料内位错运动阻 力，主要包括晶格摩擦 力，可以用派－纳力表 示 研究表明，应变速率提 高， i 增大；温度降低， i 增大
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假设晶粒B中位错滑移方向为 QR， 它在QR方向上位错滑移临界应 力为 c， 此时： D( s i ) 2 cos c Gb 所以 Gb c 1/ 2 s＝ i＋ D cos Gb c 设K ＝ ，那么 cos 1 / 2 s＝ i＋K’ D s
’ s
为外加切应力 i为位错在晶体内运动所 受到的阻力
A
B
13
按照位错塞积群理论， 2 L( i ) 2 n Gb 其中L为位错塞积群长度， 如果塞积群在晶内中心 ， 那么L＝D / 2 G为剪切弹性模量 b为布氏矢量 思考：位错塞积群不在 晶粒中心的情况？
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A
B
所以
g
D( i )
屈服强度是位错能够在 晶粒间传递下去所需要的应力！！ • 举例：复合材料的屈服强度
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• 按照上面的思路建立晶界与位错运动的模 型，如下图
A B
11
• 位错塞积群形成的方式（F-R位错源）
b S 1
2
12
位错塞积群顶端 Q处受到的应力为：
g n( i )
其中n为位错塞积群中位错个 数
3
• 材料的构成 1）基体相 2）界面：包括相界面和晶界 3）第二相 • 举例： 1）Al－4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2， 2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的 第二相
4
• 金属强化途径：
内因： 界面（晶界）——细晶强化 溶质原子——固溶强化 第二相——第二相强化 提高位错密度——加工硬化
2
Gb 这是晶粒A中位错塞积群 在晶界Q处引起的应力集中
晶粒B中位错在Q处受到的应力为：
g＋＝n(－ i ) n (－ i ) g
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假设晶粒B中位错滑移方向为 QR， 它在QR方向上位错滑移临界应 力为 c， 那么 g cos c D( s i ) 2 c Gb 上式涵义是：外加应力 作用下 — —引起位错塞积 — —塞积群应力集中达到 晶粒B位错滑移临界应力 — —此时外加应力使得位 错滑移从晶粒A传递到晶粒B — —该外加应力就是材料 的屈服强度 s
第5章 金属及合金的强化方法
1
本章内容
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5.1 强化的概念和途径 5.2 晶粒细化强化 5.3 固溶强化 5.4 第二相强化 5.5 加工硬化
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5.1强化的概念和途径 • 金属失效方式——过量弹性变形；过量塑 性变形；断裂 • 金属塑性变形方式——位错滑移 • 提高位错运动阻力——强化金属 • 金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。 • 为什么不去提高金属的断裂强度？
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• Hall－Petch公式发现过程 发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch都 是英国剑桥大学研究生，Hall在论文中对钢 的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试验研 究；Petch采用位错塞积群理论进行了理论 分析。 • 材料科学中为数不多的定量描述公式之一 • 纳米材料中的Hall－Petch关系？