第六章 第二相强化

E12 2 0.8Gb C (1 2 ) L E2
这种强化机制在Al-Li合金中起着重要作用。
1
E1 —软相（基体相）弹性模量； E 2 —硬相（强化相）弹性模量； G —基体剪切模量；
L
—粒子的平均间距。
第二节 沉淀强化机制
五、层错强化
第二相粒子的层错能与基体的层错能不同时，会引起扩展位错能量的改变， 产生运动的阻碍。这种强化效果称之为层错强化。 当沉淀相粒子中层错能远小于基体时，产生的临界切应力（增量）为：
C
5.2 f r G b2
1 2
2 3
1 2
( P m )
P —沉淀相粒子的强度； m —基体相的强度；
r —沉淀相粒子的直径；
f
—沉淀相粒子的体积份数；
G —基体剪切模量； b —位错柏氏矢量。
即，强化效果正比于沉淀相与基体的强度差。
第二节 沉淀强化机制
小结
总体上来说，以上六种强化为可变形粒子有可能引起的基本强 化机制。对于不同体系而言，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。
GP区-圆盘状 在{100}面上Cu原子富集
Cu原子比Al原子尺寸小， 基体点阵在三个方向上都受拉。
相当于一个错配球模型
第二节 沉淀强化机制
一、共格应变强化
与前面一样，讨论第二相粒子与位错的弹性交互作用，
可以得到临界切应力（增量）：
3 2 2 3
C G f ( )
b
或者：
Gb C L
C —临界切应力；
L
—硬粒子间距；
G
—基体剪切模量。
起初，人们利用这个公式的计算值作为第二相粒的临界切应力。 但后来发现，它比实际值小得多。原因何在呢？ 有两个因素没有考虑： 粒子尺寸； 界面对位错线的排斥作用。
第三节 弥散强化机制
一、Orawan公式
2、有效粒子尺寸的确定
；
1 3
2 3
—扩展位错的平均宽度。
第二节 沉淀强化机制
层错强化主要适用于：密排点阵，以形成扩展位错； 沉淀相粒子与基体之间的层错能差异较大。
六、派—纳（P-N）力强化
第二相粒子的P-N力大于与基体的P-N力时，则必然会增大位错运动的阻 力，称这种强化机制为P-N力强化。 P-N力强化所产生的临界切应力（增量）为：
f
源自文库
rS —沉淀相粒子半径；
f —沉淀相体积份数；
T —位错的线张力。
第二节 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，使位错切过粒子时自身的 能量发生了变化，从而引起的强化效应，称之为模量强化。 位错线进入硬粒子时，能量升高；位错线进入软粒子时，能量降低。 模量强化所导致的临界切应力（增量）为：
第一节 第二相强化机制的分类
第二节 沉淀强化机制
（可变形粒子强化机制）
（1）与基体共格； 可变形粒子的特点： （2）位错可以切过。
与基体共格 存在共格应变场 共格应变强化。
一、共格应变强化
可以把第二相粒子视作一个错配球，它会在集体中造成应力—应变 场，与位错产生交互作用。 例如，在Al-Cu合金中的GP区：

例如，Al-Li合金时效硬化过程： 580℃，0.5h固溶+水淬+180℃时效——
1.欠时效： 2.峰时效： 3.过时效：
欠 时 效
峰 时 效
过 时 效


第二相强化机制就是要解释：为什么随着组织的变化，会产生性能的变化？
第一节 第二相强化机制的分类
Al-Mg-Si 合金中的析出相和晶界无析出带
位错绕过粒子的临界条件是：
F 2T cos
* *
*
2
* b L
2T * cos bL 2
Gb2 R 又 T ln 4k r0
Gb R * ln cos 2L r0 2
*
又，取R＝3D时与实际测量值符合得很好， R—位错绕过起始颈部距离； Gb 3D * * ln cos r0—位错中心尺寸，取r0＝b； 2L r0 2 k—与位错性质有关的系数，取K＝1。
3 2 2 3

1 2
—常数；
—常数，对于刃型位错=3，对于螺形位错=1；
—共格切应变；
1
r 2 C G f ( ) b
f
—体积份数；

—沉淀相粒子间距；
r —沉淀相粒子直径。
可见，随着共格应变和体积份数的增大，沉淀强化效果不断增加。
第二节 沉淀强化机制
二、化学强化作用
化学强化作用着眼于位错切过第二相粒子后形成新界面所引起的强化。 化学强化机制对于薄片状析出相比较重要，因为位错切过会引起较大的 表面积增量。
化学强化所引起的临界切应力（增量）可以表达为：
2 6 f S C r
f
—沉淀相体积份数； —沉淀相粒子半径。 —界面能；
r
S
第二节 沉淀强化机制
d （2） 下降 d

位错切过阻力逐渐降低； 沉淀相粒子使位错平面塞积的可能性降低。 从而造成加工硬化率下降。
上述两个特点造成均匀延伸率下降； 由于粒子很细小，且与基体共格； 所以，可变形粒子强化对局部延伸率影响不大。 总体来说，使材料塑性迅速下降。
第五节 第二相粒子强化的特点
一、第二相粒子强化对材料塑性的影响
第三节 弥散强化机制
三、Orawan公式的进一步修正
（粒子与基体切变部协调对强化的影响） 经过上述修正后，计算得到的 C 值比实际值还低。
其主要原因在于没考虑到粒子与基体变形的不协调性： 由于临界切应力仅仅与起始塑性变形有关，可以考虑两相在弹性变形阶段的 不协调性。而弹性阶段的不协调性只产生力，并不产生错配位错。
第六章 第二相强化
目录
第一节 第二相强化机制的分类
第二节 沉淀强化机制
第三节 弥散强化机制
第四节 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响 第五节 第二相粒子强化的特点
第一节 第二相强化机制的分类
一、第二相强化的概念
第二相强化 是指由于弥散分布于基体中的第二相粒子阻碍位错运动而引起的 强化。
一般来说，共格应变强化起主要作用。但是，也有一些例外的情况。
例如，Al-Li合金中，由于 相非常细小，共格应变强化效果很小。 δ ＇ 此时，有序强化和模量强化占主导地位。
？问题：如何知道一个相的共格应变是大还是小呢？
通常，与基体共格应变小的沉淀相呈球形，而共格应变大的呈针状或片状。
第二节 沉淀强化机制
2、不可变形粒子强化对材料塑性的影响
位错绕过阻力逐渐升高； 第二相粒子使位错平面塞积的可能性增大。
从而使均匀延伸率升高； 由于粒子与基体结合性不好，使局部延伸率下降； 总体来说，使材料塑性比固溶体下降，但比欠时效和峰时效态塑性高。


0.2


d

第五节 第二相粒子强化的特点
二、第二相粒子强化机制的利用
L
Leff L D 2x L 1.2D
（一般取x＝0.1D）
Gb Gb Gb C ( ) Leff l 1.2 D L
x D
但计算结果仍然比实际测量值低。 还要修正。
第三节 弥散强化机制
二、Orawan公式的修正
进一步分析表明，位错绕过障碍粒子时，需要通过粒子附近弯曲位错线颈部两段异号位 错的相互吸引和销毁才能实现。故需要控制颈部开始吸引时的R值。
+
=
无粒子时会发生很大的塑性变形
实际过程中不能发生切变
第四节 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
第五节 第二相粒子强化的特点
一、第二相粒子强化对材料塑性的影响
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 析出相沉淀于位错线上，给位错启动造成阻力，从而使位错临界切应力 提高，即切过机制造成的临界切应力提高。
1、可变形粒子强化（沉淀强化）
最主要的就是增加析出相的体积份数。 增加溶质原子的过饱和度
（1）提高固溶温度，增加淬火速度； （2）快速凝固（从液相）； （3）利用同类异构转变（奥氏体淬火为过饱和马氏体）。
例如，马氏体时效钢是目前强度最高的金属（～4GPa），其原因何在？ 成分：Fe－18Ni－10Mo－Co合金，C<0.02%（越少越好）； 基本组织：板条马氏体（尺寸细小的板条，内部为高密度的位错）； 为高过饱和度的固溶体，时效析出Ni3Mo沉淀相； 综合了细晶强化、位错强化和沉淀强化三种机制，使材料强度极高。
第四节 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
二、硬粒子与周围基体不协调性对对加工硬化的影响
与前面所述的弹性不协调性相似，塑性变形时，为使界面不开裂，也要在硬 粒子附近的基体中形成反向塑性切变（协调变形）。
总的结果是，由于塑性变形的不协调性，在粒子周围产生大量的位错。 这些位错被称为“几何必须位错”，也就是为了保证材料在几何上的同一 性（即完整性），必须有位错存在，否则会产生裂纹。 几何必须位错的存在也产生了加工硬化效果。

反

外
＝ 反+
Gb l 1 .2 D

反
这种情况下，计算值与实测值拟和得很好。 外 但是，此时的 仅仅是开始塑性变形时的强度，即屈服强度
外
由于第二相粒子的存在，还会在塑性变形过程中产生明显的加工硬化。（为什么？）
第三节 弥散强化机制
第四节 不可变形粒子对材料加工硬化行为的影响
一、位错绕过粒子对加工硬化的影响
选应合适的时效工艺
（1）形变时效——形成高密度位错，使析出相在位错处形核； （2）分级时效——低温下形成高密度的晶核，高温下再生长。
二、第二相粒子
沉淀相粒子：合金时效析出的粒子； 弥散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金，内氧化法）； 可变形粒子：位错可切过的粒子（欠时效和峰时效析出的粒子）； 不可变形粒子：位错不可切过的粒子（过时效析出的粒子，弥散相粒子）；
三、强化机制
沉淀相强化：指析出相引起的强化，主要指欠时效和峰时效引起的强化； 弥散相强化：弥散相粒子产生的强化； 可变形粒子强化：位错切过第二相粒子所引起的强化作用（切过机制）， 与粒子特性有关； 不可变形粒子强化：位错绕过第二相粒子所引起的强化作用（绕过机制）， 与粒子特性无关；
Al-Mg-Si 合金中的析出相和晶界无析出带
Al-Mg-Si合金性能随时效时间的变化
显微组织（Al-Li-Cu-Mg-Zr)
主要强化相´(Al3Li)相及´- ´ (Al3Zr)复合相
晶界无析出带
S´(Al3CuMg)相
晶界平衡相及晶界无析出带
Al-Li-Cu-Mg-Zr合金拉伸性能时效时间的变化曲线
m 3 k ( ) ln( ) P P C f C 0.59( m ) b T Gb 2 其中： k ( ) ，为 角与 bP 有关的系数； 4 bP —扩展位错中部分位错的柏氏矢量； (1 3)
C 32rS2
外

外

反

反

外

外
第三节 弥散强化机制
三、Orawan公式的进一步修正
硬粒子与基体弹性变形不协调性模型： 在外力作用下，无颗粒时，孔将发生变形； 有硬粒子时，基体产生变形，维持界面的连续性； 变形不协调性的结果：引起与外力应力相反的切应力

反

外
eff＝
外
－ 反 ＝
Gb l 1 .2 D
第三节 弥散强化机制
（不可变形粒子强化机制）
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。 这种特点决定了位错只能绕过第二相，且阻力主要来源于： 位错线弓弯所需的力； 加工硬化率的明显升高； 第二相粒子与基体变形的不协调（辅助作用）。
一、Orawan公式
1. 弥散强化模型(Orawan模型)：
三、有序强化
位错切过有序相粒子， 产生APB（反向畴界）， 使系统能量升高而 造成的强化。
APB
沉淀相为金属间化合物时，呈现有序点阵结构，且与基体保持共格关系。 有序强化所引起的临界切应力（增量）为：

b
—反向畴界能； —位错柏氏矢量；
4 rS f 1 C ( ) ( )2 2b T
随变形的不断进行，弥散粒子周围的位错环不断增多（随机存储的位错）。
（1）位错环也相当于位错塞积，会对位错源产生反作用力； （2）位错环的增加使 Leff 减小，位 错绕过阻力增大：
Gb C Leff
（3）位错增加到一定程度后，应力集中增大，会使领先位错发生交滑移或 攀移，使位错环的各位错线交互作用而缠绕在粒子周围，使材料中位错密度 增大，产生加工硬化效果。