第4章 材料强化 4.1 概述 4.2 力学实验与材料性能 4.4 固 溶 强 化 4.3 加 工 硬 化 4.5 弥 散 强 化 4.6 固态相变强化 2个学时2个学时2个学时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，通过控制这些 相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可 以获得理想的性能组合。 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。 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。 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。 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。 化学价金属间化合物具有固定的成分。 钢铁中就是依靠化学价化合物Fe3C来获得 强化的。 图4.24金属间固 溶体相图 (a) Al-Sb相图 (b) Mo-Rh相图 化学价化合物金属间固熔体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。金属间化合物中，有两个非常重要的 材料。一个是TiAl， 又称为合金。另一 个是Ti3Al，又称为合金。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。Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻 ，耐腐蚀。硬度与钢铁差不多，但比重小 一半，稍比Al大，但强度（硬度）是Al的 2倍。这对航空业的材料是最好的选择。 在宇宙火箭和导弹中，就大量用Ti代替钢 。另外，Ti粉可用做燃料，是火箭的好 燃料。Ti被誉为宇宙金属、空间金属。人们是这样描述的：人类对金属的应 用，如果把Cu当作第一代，Fe第二代，Al 第三代，则Ti就是超越了前辈的第四代金 属。常温下，Ti不与无机酸反应，即使是 王水也不能溶解。有人做过实验，把一块 Ti沉到海底，经5年后取上来观察，一点没 有生锈，依旧亮闪闪的。这个用于轮船， 潜艇就非常有利。除此之外，Ti没有磁性 。这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时 ，它的强度大，Ti潜艇可在深达4500m的深 海中航行。高温下，Ti能直接与许多非金属形成很稳 定、很硬、很难熔的化合物，如TiN，TiC， TiB，TiB2，或与许多金属形成金属间化合物 。其中 在18002000下发生反应： Ti+CTiC（黑色）。TiC熔点3100，硬度 高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具 材料。 r-TiAl，金属间合物，高硬度比，耐高温 ，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空材 料。- TiAl， -Ti3Al 这两种金属间化合 物都是有序化的晶体结构。例如，在面心正方结构的TiAl中，Ti原 子占据8个角和上下两个面的面心的晶格位 置，而Al原子占据其余4个侧面的面心位置 。这种有序结构使位错滑移更加困难，同 时有序结构也增大了原子扩散的难度，因此 增大了材料的高温蠕变强度。在共晶反应中，会生成相和相两种 固相。这两个固相的化学成分由共晶反应 线的两端来决定。 相的凝固会促进相的凝固，而相 的凝固也会促进相的凝固。这是共晶反应 的一个重要特点。图4.25 Sn-Pb相图 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19%的相 +含锡量为 97.5% 的相。含锡量为61.9% 的液相共晶反应图4.26 锡铅合金共晶组织示意图 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。 图4.27 Pb- Sn合金的成 分和强化机制 对抗拉强度的 影响 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。 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，就可能引起耐火材料的破坏。 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 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。 图4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的组织结构 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。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。 共格析出物图4.29 Al-Cu合金的时效强化过程 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。 图4.30 铁-碳相图 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，出现单一的相。相冷却到 727时，发生如下的共析反应： 含碳量为0.77% 的相 含碳量为0.0218%的 +含碳量为6.67%的Fe3C 这种薄片状的相和Fe3C互相叠在一起的 组织称为珠光体（Pearlite）。 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 共晶反应的合金的结晶1.相图分析PbSn合金相图（图2-14中），AEB为液相线，ACENB为固相线 ，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、）；三个两 相区（L+、L+、+）；一条的三相L+共存线（水平线 cde）。E点为共晶点。 这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固 相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物 叫共晶体。水平线CEN为共晶反应线。CF线为Sn在Pb中的溶解度线（或相的固 溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。从 固态相中析出的相称为二次，常写作 。这种二次结晶可表示为： 。NG线为Pb在Sbn中溶解度线（或相的固溶线 ）。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样发 生二次结晶，析出二次；即。 2.合金的平衡结晶过程3.合金的结晶过程合金的室温组织全部为共晶体，即只含 一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相 仍为和相。 共晶合金组织的形态4.合金的结晶过程合金的室温组织为初生+(+)， 合金的组成相为和。