关于材料的强化与韧化课件

固溶强化机制
➢ 固溶造成晶格的畸变，固溶强化的微观机理是溶质原子和位 错交互作用的结果。
弹性交互作用、化学作用、电化学作用、有序化作用
➢ 溶质原子可以是均匀不规则地分布在基体中，也可以偏聚到 位错周围形成各种气团，这两种情况都可以使金属材料的基 体造成强化。 均匀强化 非均匀强化
➢由于固溶度有限或由于合金原子与基体原子的半径差较小， 均匀分布的合金元素的固溶强化效果较小，当溶质原子发生偏 聚时，合金元素与位错会发生强的交互作用。
思考：高温下使用的材料，能否用细化晶粒来达到增强增韧的目的？
3）细化晶粒的方法
➢ 改善结晶及凝固条件； ➢ 调整合金成分，加细化晶粒的
元素，如B，Mg，稀土元素等； ➢ 控制热处理工艺； ➢ 采用形变热处理方法； ➢ 往复相变细化方法；
四、第二相强化
➢ 组成：基体＋第二相
➢ 位错和第二相交互作用形成第二相强化，其强化效 果比固溶强化更为显著： ①通过相变热处理（如时效）获得的，称为沉淀强化、 析出硬化或时效强化； ②通过粉末烧结或内氧化获得的，称为弥散强化。
属
细晶强化
形变强化
固溶强化
细晶强化 合
பைடு நூலகம்
金
第二相强化
纤维强化
界面强化
沉淀强化 弥散强化
形变热处理强化、相变强化
一、形变强化
它不是工业上广泛应用的强化方法，它受到两 个限制：
➢ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会 软化；
➢ 由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金 属，一般不宜利用形变强化来提高强度性能。
➢晶界附近产生的位错塞积群 会对晶内的位错源产生一反作 用力，此反作用力随位错塞积 的数目n而增大。
晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多， 多晶体的强度就越高。
大量实验和理论的研究工作证实了晶界处位错源的 存在。
Hall-Petch关系式
1
s 0 Kyd 2
σ0和Ky是两个和材料有关的常数（需试验测定），d为晶 粒直径 。
➢ 原因：柯氏气团的存在、破坏和 重新形成。
思考：吕德斯带会使低碳钢在冲压成型时使工件 表面粗糙不平，怎么解决？
根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷 轧（约1％～2％的压下量）工序，被溶质原子钉扎的位错 大部分基本摆脱气团包围，使屈服点消除，然后进行冲压 成型；也可向钢中加入少量Ti，Al与C，N等形成化合物， 使之不能有效的钉扎住位错，消除屈服点。
➢ 要求：溶质原子在基体中的溶解度随温度而变化， 高温时第二相溶于基体中，低温时则析出第二相。
➢ 获得方法：先高温固溶，再急冷形成过饱和固溶体， 最后时效析出第二相；
➢ 第二相与基体结合较牢固，强化效果与第二相的形 状、数量、大小及分布等有关；
➢ 沉淀强化受温度影响。
2） 弥散强化
➢ 用粉末冶金法，向基体金属中加入金属氧化物、氮 化物、碳化物等强化相粒子（第二相），并使这类 粒子在基体中高度弥散分布来强化合金；
非均匀固溶强化理论
浓度梯度强化
Cottrell气团强化 Snoek气团强化 Suzuki气团强化 静电相互作用强化
有序强化
Cottrell（柯氏）气团强化:
➢ 原因：合金元素与位错之间是弹性交互作用
交互能： U4GbR3 sin －错配度
r
位错 合金元素
➢在稳定状态（U<0）时，位 错周围合金元素的浓度与其他 地方有所不同。围绕位错而形 成的溶质原子聚集物，称为 “柯氏气团”；
低碳钢晶粒与屈服强度的关系
2）细晶韧化
塑性代表的是断裂（由裂纹扩展引起）时的伸长率， 韧性是强度和塑性的综合表现。
➢合金经细化晶粒后，单位体积内的晶界面积上偏析 的夹杂物减少，晶界结合力提高；
➢晶界既是位错运动的阻力，也是裂纹扩展的障碍。
➢在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以 做到既提高强度，又改善塑性和韧性的方法。 ➢细化晶粒降低材料的韧－脆转变温度。
强度：材料抵抗变形和断裂的能力
材 无缺陷的 料 理论强度
强 度
冷加工 状态
退火状态
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
提高强度的方法：
➢完全消除内部的缺陷，使 它的强度接近于理论强度；
➢ 增加材料内部的缺陷，提 高强度，如形变，固溶， 细化晶粒，第二相粒子。
3.1 金属及合金的强化与韧化
形变强化
纯
金
关于材料的强化与 韧化
强韧化意义
➢ 提高材料的强度和韧性； ➢ 节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可
靠性和延长服役寿命； ➢ 希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧
性，通常的材料二者不可兼得； ➢ 理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理
本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘 材料性能潜力的基础。
ε>0 ➢若破坏这种状态使位错运动， 要增加外力，即提高金属强度。
正刃型位错
ε<0
柯氏气团也称为合金元素对位错 钉扎作用，气团的形成不需要很 多的溶质原子。
屈服现象、应变时效与Cottrell气团
➢ 屈服现象：上下屈服点、吕德斯 带扩展。
➢ 应变时效：去载后立即加载不出 现屈服现象；去载后放置一段时 间或200℃加热后（人工时效）再 加载出现屈服。
二、固溶强化
➢ 固溶方式：间隙固溶、置换固溶
➢ 固溶强化：在纯金属中加入溶质元素，形成固溶合金或多 相合金，将显著提高屈服强度。
➢ 固溶强化的影响因素： 溶质原子含量越多，强化效果越好；（但固溶是有限
的） 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好； 溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好； 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。
➢ 强化效果与第二相粒子的强度、体积分数、间距、 粒子形状和分布等有关，按粒子的大小和形变特性 分成： ①不易形变的粒子，包括弥散强化的粒子以及沉淀强 化的大尺寸粒子； ②易形变的粒子，如沉淀强化的小尺寸粒子。
1）沉淀强化
➢ 沉淀强化：金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏 聚和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产 生的一种强化。
固溶强化举例
➢ 马氏体钢：当间隙固溶碳量增至0.4%时，硬度为 60HRC，ψ约为10%；提高碳含量，wt(C)=1.2%， 硬度为68HRC，ψ<5%。可见随着固溶C原子的增加， 在提高强度的同时塑性损失较大。
➢ 一般情况下，固溶强化降低塑性，材料韧性下降。
三、 细晶强化与韧化
1）细晶强化
➢晶界对位错滑移的阻滞效应， 导致一侧晶粒中的滑移带不能 直接进入第二个晶粒；