武汉理工-材料物理学课件(6)

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4.5弥 散 强 化
所谓弥散强化，是指将多相组织混合在 一起所获得的材料强化效应
在弥散强化合金中，一定存在着一种以 上的相 ，含量大的连续分布的相称为基 体。而第二相则一般是数量较少的析出物。
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4.5弥 散 强 化
基体与析出物之间的关系
1． 基体应该是塑性的，而析出物则应该是 脆性的
2． 脆性的析出物应该是不连续分布的，而 塑性的基体则应该是连续分布的
金属间化合物中，有两个非常重要的材料。
一个是TiAl， 又称为γ合金。另一个是
Ti3Al，又称为α合金。这两种金属间化合 物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和
航天飞机。这两种金属间化合物都是有序
化的晶体结构。
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利用共晶反应也能够获得 弥散强化的材料
4.5弥 散 强 化
在共晶反应中，会生成α相和β相两种固 相。这两个固相的化学成分由共晶反应 线的两端来决定。
共析反应
固相之间的反应，所以在热处理时，可以先
将材料加热到形成固相S1的温度，然后在冷 却过程中利用共析反应得到S2和S3两个固相。 作为共析反应产物的两个固相可以使合金实
现弥散强化
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4.6固态相 变强化
图4.30
铁-碳相图
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4.6固态相变强化
在铁-碳相图中，含碳量为0.77%时为共析成分， 这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到 727℃以上时，出现单一的γ相。γ相冷却到 727℃时，发生如下的共析反应：
4.5弥 散 强 化
图4.27 PbSn合金的成 分和强化机
制对抗拉强 度的影响
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13பைடு நூலகம்
共晶反应应用
4.5弥 散 强 化
•共晶焊锡 (共晶反应的具有很低 的熔点)
•共晶合金 •陶瓷材料的制作
•加快金属和陶瓷粉末之间的扩散 连接或增大其烧结速率
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4.5弥 散 强 化
不过，有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶 组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初 相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使 共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变 脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发 生断裂。
可以用来强化材料的固态相变有时效强化、共 析反应，非平衡态的马氏体相变。所有这些固 态相变都需要经过热处理
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4.6固态相变强化
图4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能
出现的组织结构 h
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共格析出物
4.6固态相变强化
只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位 错继续滑移。
如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列 保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那 么析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物 的影响。这种析出物称为共格析出物。
3．析出物的尺寸应该小，数密度应该多
4．析出物的形状应该是圆的，而不应该是 尖的 或针状的
5．析出物的数量越多，合金的强度越高
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4.5弥 散 强 化
弥散强化合金中常常含有金属间化合物。 所谓金属间化合物，是指两种或多种元素 按一定比例形成的新相。金属间化合物具 有一定的晶体结构和特定的性能。金属间 化合物大都又硬又脆。
Al2O3的熔点很高，为2020℃，常用作盛放液态金 属的耐火材料。CaO的熔点则更高，为2570℃。
但如果Al2O3耐火砖接触到CaO后，会产生一系列 的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的
炼钢温度，就可能引起耐h火材料的破坏。
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4.6固态相变强化
通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能 在材料冶炼制备过程中采用一次。但是，控制 固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次 采用。
位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物 旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物 的影响。
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共格析出的热处理方法
4.6固态相变强化
1.固溶化处理 ：将合金加热到固溶度线以上 的温度，使合金生成均匀的α相固溶体
2.淬火 ：将已经加热的合金放入水中，达到 迅速冷却的目的
3.时效 ：将具有过饱和固溶体的合金在低于 固溶度线的温度下进行加热
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4.6固态相变强化
时效强化的合金是不能在高温状态下使 用的。
时效强化合金面临的另一个问题是焊 接。
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共析反应
4.6固态相变强化
共析反应是固态相变强化的重要手段。
从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的 反应，如下公式所示:
S1 → S2 + S3
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共晶反应
4.6固态相变强化
从一个液相转变成两个固相的。共晶反 应肯 定不能通过热处理的方式来实现。
含碳量为0.77% 的γ相
含碳量为0.0218%的α +含碳量为6.67%的Fe3C
这种薄片状的α相和Fe3C互相叠在一起的组织
称为珠光体（Pearlite）h 。
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4.6固态相变强化
图4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组
织结构变化
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α相的凝固会促进β相的凝固，而β相的凝 固也会促进α相的凝固。这是共晶反应的 一个重要特点。
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4.5弥 散 强 化
图4.25 Snh-Pb相图
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共晶反应
4.5弥 散 强 化
含锡量为61.9%的锡铅合金是共晶合金。这 一合金在183℃以上时为液相，液相的成分 也为61.9%。当这一合金液相冷却到183℃ 时，开始发生共晶反应，也就是：
含锡量为61.9% 的液相
含锡量为19%的α相
+含锡量为 97.5% 的β相。
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4.5弥 散 强 化
图4.26锡铅合金h共晶组织示意图
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4.5弥 散 强 化
当锡铅合金的含锡量在19%~61.9%之间 时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在 61.9%~97.5%之间时，则称为过共晶合金。
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4.6固态相变强化
图4.29 Al-Cu合金的h 时效强化过程
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4.6固态相变强化
时效强化效应的4个条件
1 合金相图中必须存在这样一条固溶度线， 其固溶度将随着温度的降低而减小
2 基体应该比较软，具有塑性。而析出物则 应该比较硬，且具有脆性。
3 合金应该能够进行淬火
4.合金中应该有共格析出物生成。
非化学价金属间化合物的成分不像化学化
合物那样严格，它可以在一定的范围内变
化。非化学价金属间化合物又称为金属间 固溶体。
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4.5弥 散 强 化
图4.24金属间固
溶体相图
(a) Al-Sb相图;
(b) Mo-Rh相图
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4.5弥 散 强 化
为了利用金属间化合物的高熔点、高硬 度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，有 些新材料本身就是全部由金属间化合物 所组成的。
第4章 材料强化
4.1概述 4.2力学实验与材料性能
2个学时
4.3加 工 硬 化 4.4固 溶 强 化
2个学时
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
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4.5弥 散 强 化
如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了 其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。 在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有 晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界 面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。 这就是弥散强化的由来。