材料强化和韧化课件.pptx

1、n强韧化意义强韧化意义u提高材料的强度和韧性提高材料的强度和韧性u节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的节约材料，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可靠性和延长服役寿命u希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，希望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通常的材料二者不可兼得u理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质 合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力性能潜力n注意注意第1页/共17页n提高金属材料强度途径提高金属材料强度途径强度是指材料抵抗变形和断裂的能力强度是指

2、材料抵抗变形和断裂的能力材材料料强强度度缺陷数量缺陷数量冷加工冷加工状态状态退火状态退火状态无缺陷的无缺陷的理论强度理论强度材料强度与缺陷数量的关系材料强度与缺陷数量的关系u两种方法两种方法完全消除内完全消除内部的缺陷，部的缺陷，使它的强度使它的强度接近于理论接近于理论强度强度增加材料内增加材料内部的缺陷，部的缺陷，提高强度提高强度第2页/共17页u增加材料内部的缺陷，提高强度增加材料内部的缺陷，提高强度v固溶强化固溶强化v细晶强化细晶强化v第二相粒子强化第二相粒子强化v形变强化形变强化n提高金属材料强度途径提高金属材料强度途径即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动即在金属中引入大量的缺陷

3、，以阻碍位错的运动第3页/共17页v定义定义v本质本质 利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化v强化机理强化机理 间隙固溶体间隙固溶体 碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性弹性交交互作用，使金属获得强化。互作用，使金属获得强化。 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效果要

4、比填隙式原子小面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小u固溶强化固溶强化第4页/共17页u 细晶强化细晶强化v定义定义v强化机理强化机理晶界对位错滑移的阻滞效应晶界对位错滑移的阻滞效应 当位错运动时，由于当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同晶界两侧晶粒的取向不同，加，加之这里之这里杂质原子较多杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中晶界上形变要满足协调性晶界上形变要满足协调性 需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处穿过晶界，

5、而是塞积在晶界处晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强度就越高多晶体的强度就越高第5页/共17页u 细晶强化细晶强化v定义定义v强化机理强化机理晶界对位错滑移的阻滞效应晶界对位错滑移的阻滞效应 当位错运动时，由于当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同晶界两侧晶粒的取向不同，加，加之这里之这里杂质原子较多杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中晶界上形变要满足协调性晶界上形变要满足协调性 需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易需要多个滑移系统同

6、时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处穿过晶界，而是塞积在晶界处晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强度就越高多晶体的强度就越高第6页/共17页霍耳霍耳-配奇配奇(Hall-Petch)关系式关系式vy ikyd-1/2 i和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，临界尺寸dc,十几到二十纳米之间反Hall-Petch效应在纳米晶粒，晶界核心区原子所占的比例可高达50%理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc第7页/共17页u第二相粒子强化第二

7、相粒子强化v分类分类通过相变（热处理）获得通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化析出硬化、沉淀强化或时效强化通过粉末烧结或内氧化获得通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化弥散强化v强化效果强化效果相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响和分布等都对强化效果有影响第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著第8页/共17页第二相粒子强化第二相粒子强化v强化机理强化机理不易形变的粒子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包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子位错绕过机制

8、（位错绕过机制（OrowanOrowan，奥罗万机制，奥罗万机制）位错线绕过粒子，恢复原态，继续向前滑移运动位错线在不易形变粒子前受阻、弯曲外加切应力的增加使位错弯曲，直到在A、B处相遇位错线方向相反的A、B相遇抵消，留下位错环，位错增殖第9页/共17页第二相粒子强化第二相粒子强化v强化机理强化机理易形变的粒子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包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子位错切割机制位错切割机制位错切过粒子的示意图位错切过粒子的示意图Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过合金中位错切过Ni3Al粒子的透射电子显微像粒子的透射电子显微像 第10页/共17页

9、切过粒子引起强化的机制切过粒子引起强化的机制短程交互作用短程交互作用位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产生反相畴界能生反相畴界能 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; ; 粒子的粒子的派派- -纳力纳力P-NP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加高于基体等，都会引起临界切应力增加长程交互作用（作用距离大于长程交互作用（作用距离大于10b10b）由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），由于粒子与基体的点阵不同

10、（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场导致共格界面失配，从而造成应力场第11页/共17页第二相粒子强化的最佳粒子半径 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径rc=(Gb2)/(2s)第12页/共17页n形变强化（加工硬化）形变强化（加工硬化）v定义定义v强化机理强化机理 金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难错的运动越来越困难位错强化v作用作用提高材料的强度提高材料的强度使变形更均匀使变形更

11、均匀防止材料偶然过载引起破坏防止材料偶然过载引起破坏 第13页/共17页形变强化（加工硬化形变强化（加工硬化）v不利方面不利方面金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率冷加工需要消耗更多的功率形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工v限制限制使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性对于脆性材料

12、，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能能第14页/共17页u材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性强度与塑性的的综合表现综合表现u当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展形核和扩展。通常。通常以裂纹形核和扩展的以裂纹形核和扩展的能量消耗能量消耗或或裂纹扩展抗力裂纹扩展抗力来标示材料来标示材料韧性。韧性。u材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相的弹性交互

13、作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和晶界的作用等晶界的作用等 n金属材料的韧化金属材料的韧化第15页/共17页金属材料韧性表征及韧化原理金属材料韧性表征及韧化原理n金属材料韧性表征 材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高断裂韧性断裂韧性冲击韧性冲击韧性n韧化原理增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性第16页/共17页金属材料韧化途径金属材料韧化途径u细化组织韧化细化组织韧化u韧性相与脆性相的比例、分布韧性相与脆性相的比例、分布基体韧性相基体韧性相纤维、晶须等纤维、晶须等u韧化工艺韧化工艺熔炼铸造（减少缺陷）熔炼铸造（减少缺陷）热处理韧化热处理韧化压力加工压力加工第17页/共17页