举例说明金属间化合物韧化的方法及其原理

习题

举例说明金属间化合物韧化的方法及其原理

金属间化合物是指由两种或两种以上的组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序结构和金属基本特性的化合物。它具有高的化学稳定性、热稳定性和高温强度，但是室温下都呈低塑性，因此很难加工成结构件，低的断裂韧性也妨碍其作为工程材料使用。综上，需要通过韧化改善其特性。

材料的韧性是强度和塑性的综合体现，改善材料的韧性的基本途径有：

1 减少诱发微裂纹的组成相；

2 提高基体的塑性；

3 增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中）；

4 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展；

5 强化同时的增韧：

(1)位错强化与塑性和韧性。位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性。可动的未被锁住的位错对韧性的损害小于被沉淀物或固溶原子锁住的位错。故提高可动位错密度对塑性和韧性均有利。

(2)固溶强化与塑性。固溶强化应在保证强度的同时提高塑性。通过添加合适的合金元素，如Ni，可促进交滑移，改善塑性。另外，调整间隙原子的添加浓度，实现强度和塑韧性的最佳配合。

(3)细化晶粒与塑性，细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧性，是目前公认最佳的实现材料强韧化的途径。

(4)沉淀相颗粒与塑性。沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和硬度，但可能会明显降低塑性和韧性。尤其，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著降低材料塑性。减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状和分布状态，可改善材料塑性。

以长程有序金属间化合物NiAl为例，由于它具有一系列优良的力学、化学和物理性能，例如高熔点、低密度、高导热率、高杨氏模量及很好的抗腐蚀抗氧化性等特点。因此，极有希望成为在高温条件下使用的高性能的结构材料，在宇航工业中有着广泛的应用前景。然而室温韧性和塑性差，高温强度低，难以加工成型，这些阻碍了NiAl合金的实用化。，许多学者志力于NiAl的研究，发现通过合金化、制备纳米合金、制备多相合金、制备单晶等方法，可提高NiAl室温韧性、塑性以及高温强度。

1 宏合金化

合金化是用来改善 NiAl合金力学性能的一种非常有效的方法。加入合金元素进行宏合金化的一个重要的目的是调整合金或引入塑性相以期达到优良的综

合性能。其中所应用的增韧或强化合金的机制主要有：向合金中加入有一定固溶度的元素如 Fe 和 Co 等，通过溶质气团钉扎位错来引起固溶强化；以及向合金中加入伪共晶形成元素,如Cr 等，通过形成伪共晶组织从而改善合金的室温韧性和高温强度等性能；还有向合金中加入一定量的合金化元素，在基体中形成塑性第二相，从而起塑化作用等。

2 微合金化

一个可能的原因是这些元素影响 NiAl 的电子结构与成键特征，从而改变位错核心结构，增加位错的可动性、Peierls应力和热激活滑移过程，间接的影响来自于这些元素与杂质，特别是间隙元素 O、N、C 或 S 的交互作用。

3 细化晶粒

细化晶粒是改善合金的韧性和塑性是一种比较传统的方法，同时也是改善金属间化合物室温塑性和高温强度最有效的途径之一。晶粒细化引起晶界的增多，对强度的提高起了决定性的作用。

4 制备单晶

NiAl 单晶的断裂韧性很低。它主要取决于热处理、杂质元素、晶体取向和缺口的取向及几何尺寸。较好的热处理方式可以提高单晶塑性，除了消除晶界的效果外，还与应力诱发马氏体相变有关。脆性的β相发生马氏体相变，可以协调γ相的变形，有利合金塑性的改善。

5 其他方法

扩散结合法：把预加工纤维条带或散纤维夹在金属薄片或箔片间，并在真空或惰性气体中采用加热和加压使其固结成完全致密的复合材料。采用连续纤维作增强剂，可改善金属间化合物基体的断裂韧性和疲劳性能，并改善其高温强度和抗蠕变性能。

快速冷却法：快速冷却法是指在热处理过程中通过某种方法使材料快速冷却到室温从而迅速越过不利于材料某些性能的温度范围，达到提高材料性能的一种方法。研究表明<110>取向的二元 NiAl 的断裂韧性通过快速冷却越过 400～20 ℃温度范围，把应变时效脆化降低到最低，从而使断裂韧性大幅度提高。