第5章金属及合金的强化方法

5.3.2 影响因素 铜 中 加 入 不 同 含 量 的 元 素 强 化 效 果
1. 溶质原子浓度
理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强化作用 也越大。
2. 溶质溶剂原子尺寸差
溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著。 3. 溶质原子类型 一种是溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强 化效果较弱，约为G/10，G为弹性模量，如置换型溶 质原子或面心立方晶体中的间隙型溶质原子；另一 种是溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化效 果极强，约为G的几倍，如体心立方晶体中的间隙型 溶质原子。
第5章 金属及合金的强化方法
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本章内容
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？
◆几乎所有合金的塑性都低于纯金属。铜锌合
金的强度和塑性都高于纯铜，是个例外。
◆合金的电导率大大低于纯金属。
◆固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。
5.3固溶强化
5.3.1 固溶强化现象 定义：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的 强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强 化。例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为 主来提高合金强度和硬度的。 原因：由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位 错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶 强化的主要原因。 Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Zn Cu Zn Cu Cu Cu Cu Cu
2）还包括位错交互作用产生的阻力 P-N力： fcc 位错宽度大，位错易运动。bcc 反之。 交互产生的阻力： 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错 交互作用产生的阻力。
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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。
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• 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
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• 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
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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
…ABCABCAB┇ABCABCABC… 堆垛层中抽出一层C，其中 …ABCABCA B A BCABCABC… 均为孪晶界。
…ABCABCAB┇A┇CABCABC… 堆垛层中插入一层A，其中 …ABCABCABACABCABC… 均为孪晶界。
（4）层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆 垛层错的结构与基体并不相同。异类原子溶入某基 体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟 着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力 也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是 不一样的。晶体发生塑性变形时，当扩张位错沿滑 移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候， 上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的 变化。由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所 以位错的运动同样要求外界提供更大的能量。
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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
5.3 固溶强化
如果把液态的镍和液态的铜混合在一起，它们 能够形成均匀的一种液相。这个均匀的液态镍铜合 金冷却成固体时，均匀形成一种固相，称为白铜。
白铜山水墨盒
在铜镍合金这样的固相中，成分、结构和性质 均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开 来的界面。这种固相称为固溶体。
5.3 固溶强化
无限固溶体 像铜镍合金这样没有溶解度限制、可以无限互 溶的固溶体称为无限固溶体。 有限固溶体
有溶解度限制、不可以无限互溶的固溶体称为 有限固溶体。 大多数情况，物质之间的相互溶解是有限度的 。
5.3 固溶强化
如果在液态铜中添加少量液态锌，可以得到单 相的液态的铜Leabharlann Baidu合金。液态铜锌合金冷却后，可以 得到固态的铜锌合金，就是所谓的黄铜。
如果添加的液态锌的量超过30%，就会有一部 分锌无法溶解在铜里。多余的这部分锌会与铜生成 化合物CuZn。
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• 滑移的临界分切应力 τ=(P/A)cosυcosλ υ—外应力与滑移面法线夹 角； λ—外应力与滑移方向的夹角； Ω= cosυcosλ称为取向因子。 • 因为各晶粒的取向不同， cosυcosλ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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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
3. 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却 工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。
5.3 固溶强化
几个基本概念 相指的是一种结构。在一个相中，结构或者原 子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环 境或其他相之间一定存在明确的界面。 固溶体 两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为一 相，称为无限互溶。
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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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• 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？
5）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固 溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区 域将遭到破坏。引起这种稳定状态破坏的塑性变 形是要付出更多的能量作为代价的。 思考题: 何谓“屈服现象”？为什么低碳钢在变形时 会产生这种现象？ 低碳钢经过退火后，位错受到强烈钉扎，位错密 度也比较少； 为了以一定的速度实现变形（变形速率），就需 要位错有较高的运动速率，这就要求运动位错受
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？
5.3 固溶强化
此时，固态的铜锌合金中存在两相。 一个相是含锌为30%的饱和固溶体，另一个相 是化合物CuZn。 像锌这样在铜中的溶解度是有限的，就是有限 固溶体。 通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目 的。
5.3 固溶强化
固溶强化对材料性质的影响
◆合金的屈服强度、抗拉强度、硬度都会超过纯
金属。
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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
（2）由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生 变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹 性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引 起位错和溶质原子间更大的交互作用能；
（3）电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。 在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中 到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶 质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用， 从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚；
为外加切应力 i为位错在晶体内运动所 受到的阻力
A
B
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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
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• 位错塞积群形成的方式（F-R位错源）
b S 1
2
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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
g n( i ) D( i ) g
Gb
2
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5.2.2细化晶粒方法 晶粒细化是唯一一种不牺牲材料韧性的强化方 法，是一种很重要的强化方法。
1. 对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增 大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。 2. 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变 形度、再结晶退火温度和时间。
较大的外力来保证。（运动位错的速度与所受力 有一关系式）；
外力作用下位错大量脱钉和增殖时，位错密度就 陡然增加； 若变形dε/dt恒定，外应力将不得不减小，以使 位错运动速度降低； 这就是屈服现象产生的理由。
L α Si
• 固溶强化的应用： 提高金属材料强度的主要途径 Al 受到溶解度限制： 1）一种元素有特定的最大溶解量，受到相图控制 2）一种元素的溶解不影响其它元素的溶解量 可以采用多加入几种合金元素，从而提高金属的强 度，比如低合金高强度钢 提高金属材料的淬透性，如40钢中加入Ni、Cr 提高钢的热处理特性，如抗回火特性
5.3.4 固溶强化原因及应用
固溶种类：间隙固溶；置换固溶
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固溶强化的原因
（1）因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起 的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外， 在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作 用上（溶质原子会在位错周围形成原子气团，这种 气团将能产生与屈服现象有关的一系列效应，就象 我们在低碳钢变形时常常看到的那样）。