第3章 材料的强化与韧化,研究材料强韧化的意义,强度和韧性是衡量结构材料的最重要的力学性能指标。由于新型、先进材料的结构的复杂化、多样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制备方法已远远满足不了材料强韧化的要求。换言之，为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的整体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、界面性能和材料制备工艺等。,3.1 金属及合金的强化与韧化,金属的屈服对金属结构件来说，意味着失效。-如何使其不发生屈服或者提高屈服抗力，从而保障其服役的安全。 介绍金属及合金强化与韧化方面的理论及方法。应该说强化的方法很多，如：加工硬化、淬火及热处理等，但最有效而稳定的方法，实际生产中常用的方法就是合金化。 重点介绍：固溶强化-均匀强化、非均匀强化理论、细晶强化、弥散强化以及其它的一些强化方法，形变强化即加工硬化的问题已在第2章论及，在此不再阐述。,均匀强化 溶质原子混乱地分布于基体中，因为位错线具有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方式有如(a)和(b)所示的两种情况。(a)为相互作用强时，位错线便“感到”溶质原子分布较密；(b)为相互作用弱时，位错线便“感到”溶质原子分布较疏。,3.1 金属及合金的强化与韧化,3.1 金属及合金的强化与韧化,(a)为强相互作用的结果； (b)为弱相互作用的结果 图 由于溶质原子与位错线间相互作用的不同对其可弯曲性的影响,3.1 金属及合金的强化与韧化,若以l和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度，F为溶质原子沿滑移方向作用在位错线上的阻力，则使位错运动所需的切应力可表示为,从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性低属于情况(a)；置换式固溶所引起的晶格畸变小，对称性高属于情况(b)。但事实上间隙式溶质原子在晶格中，一般总是优先与缺陷相结合，所以已不属于均匀强化的范畴。,Mott-Nabarro理论,3.1 金属及合金的强化与韧化,假设了溶质原子在晶格中产生一长程内应力场了ti，则位错弯曲的临界曲率半径为Gb/ti。若溶质原子间距lGb/ti，即位错与溶质原子间的作用为强相互作用时，整个位错便可以分成独立的n段，且n=L/l。根据统计规律知道，作用在长为L位错上的力应等于n1/2倍作用在每一段上的力，故长为L的位错运动的阻力可写成btil(L/l)1/n。若此时外加切应力为tc，遂得:,位错曲率,溶质浓度,铜合金中固溶强化与晶格畸变间的关系,3.1 金属及合金的强化与韧化,两个主要的特点：一为溶质原子与基体原子的相互作用中，除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于“软”“硬”不同，即弹性模量不同而产生的影响；另一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中，除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的。,3.1 金属及合金的强化与韧化,3.1 金属及合金的强化与韧化,弹性模量相互作用示意图,3.1 金属及合金的强化与韧化,3.1 金属及合金的强化与韧化,弹性位错单位长度L的定义示意图,3.1 金属及合金的强化与韧化,铜合金中固溶强化和溶质原子与螺型位错相互作用的关系,3.1 金属及合金的强化与韧化,溶质原子分布示意图,3.1 金属及合金的强化与韧化,3.1.2 非均匀强化 由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本结构。这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如铜中加入少量的镍，银中加入少量的金等。此外，就目前所知非均匀强化的类型大致可分为：浓度梯度强化，Cottrell气团强化，Snoek气团强化, 静电相互作用强化，化学相互作用强化和有序强化等几种。 着重介绍其特点及存在的问题。,3.1 金属及合金的强化与韧化,浓度梯度强化 强化机制实质上可分为三部分：一为晶格常数相互作用，即由于合金元素的分布存在浓度梯度，所以晶格常数也就有相应的变化梯度。当刃型位错的运动方向与浓度梯度方向一致时，或螺型位错的运动方向与浓度梯度方向垂直时，就会在滑移面两边产生类似位错的对不齐现象，从而提高了位错运动的阻力；二为弹性模量相互作用，即由于合金元素的分布存在浓度梯度，弹性模量亦不再可能是常数，结果对位错的运动相当于额外地施加阻力。不过，一般讲这两种力都可以忽略不计；三为具有浓度分布梯度的合金元素与位错间的弹性相互作用，即存在合金元素分布梯度时的Cottrell气团强化作用。,3.1 金属及合金的强化与韧化,由正刃型位错形成的Cottrell气团,合金元素与位错之间有弹性交互作用能,Cottrell气团强化,3.1 金属及合金的强化与韧化,应变时效对应力-应变曲线的影响,3.1 金属及合金的强化与韧化,Snoek气团强化,BCC金属中，间隙原子（如C、N）绝大部分分布在八面体的间隙位置，造成晶格四方畸变，如钢中C原子进入a-Fe的三个八面体间隙位置的机会是相等的。如果有外力作用，在这三个位置中C原子所产生的应变能各不相同，应变能较大的C原子就要到应变能较小的间隙位置上去，以降低系统的能量，这就是Snoek效应。,Snoek气团的主要特点 是其强化作用与温度无关，而与溶质浓度成正比。,3.1 金属及合金的强化与韧化,静电相互作用强化,研究发现，刃型位错的静电作用如同一串电偶极子，受到部分屏蔽的溶质原子显然与此刃型位错间存在着静电相互作用。如考虑非线性的弹性效应时，螺型位错中心将带有负电荷，所以螺型位错与溶质原子之间也应有静电相互作用。此外，事实上合金中溶质原子的电荷将完全被导电电子的重新分布所屏蔽。因此，位错和溶质原子间的静电相互作用是作用于溶质原子离子壳的力和作用于屏蔽电子间的力的一个复杂的差效应。,3.1 金属及合金的强化与韧化,Suzuki气团强化,在FCC金属中，一个滑移的全位错可能分解为一对不全部分位错中间夹着一层为密排六方结构的层错区，即形成扩展位错。一对不全位错分开的距离(扩展位错的宽度)与层错能成反比，并服从,扩展位错示意图,已滑移区,3.1 金属及合金的强化与韧化,可见：层错能低的金属容易形成扩展位错。并且层错能愈小，扩展位错宽度愈宽。为保持热平衡溶质原子在层错区和基体两部分浓度需不同，这种溶质原子非均匀分布，起着阻碍位错运动的作用。Suzuki称此种作用为化学交互作用，人们称这种组态为Suzuki气氛(团)。当扩展位错运动时，必须连同层错一起运动。此时由于点阵结构不同溶质原子的浓度差表观出对位错有钉扎作用。为使位错运动，则必须增大外力。即由于Suzuki气团存在，使合金强化了。,Suzuki气团强化,3.1 金属及合金的强化与韧化,Suzuki气团强化,扩展位错AB在Suzuki气团中的运动,一对扩展位错AB, A与B之间是层错区，AB之间的距离为d。由于层错区内溶质原子浓度和基体中浓度不同，因而有浓度差。令Dm代表了这个浓度差。当在外加切应力(t)作用下，扩展位错由AB移至。 由于这种移动是瞬时完成的，溶质原子来不及做相应的调整。新的层错区溶质原子浓度仍为原基体中溶质原子的浓度。而已不是层错区，且仍保持原层错区内溶质原子的浓度。由于扩展位错向前移动=d，层错区溶质原子浓度没有达到平衡的要求如，外界必须为此付出代价。即需要外力作功使层错区的溶质原子浓度达到热力学平衡的浓度。,实 例,3.1 金属及合金的强化与韧化,化学交互作用对位错的钉扎力比弹性交互作用小。但化学交互作用受温度影响比较小。一般讲，室温条件下很难使Suzuki气氛和扩展位错分解。既使在高温条件下，Suzuki气氛强化作用也是比较稳定的，而且对刃型位错和螺型位错都有阻碍作用。某些镍基合金中加入钴，提高了高温强度，就是因为钴能降低镍的层错能，使位错容易扩展，并形成Suzuki气团而达到强化之目的。扩展位错要脱离Suzuki气团，需要走的距离比全位错脱离Cottrell气团强钉扎所走的距离要远得多。,Suzuki气团强化的注意问题,3.1 金属及合金的强化与韧化,有序强化一般可分短程和长程的两种。短程有序强化的作用大小和Suzuki气团的强化在同一量级。Flinn曾对此强化作用进行过仔细分析，在忽略了熵的变化作用的前提下，当有序度不大时，可将二元固溶体中内能E表示为,有序强化,其中,原子的键能e,在FCC结构中，位错滑移一柏氏矢量后，每一个原子在横跨滑移面两边的三个最邻近原子的键合中有两个要被破坏，这样滑移面上每个原子增加了2e能量。-强化,3.1 金属及合金的强化与韧化,由多晶体的屈服理论可知，晶界是位错运动的障碍，晶界越多，则位错运动阻力越大，屈服应力就越高。材料的屈服强度与晶粒直径服从Hall-Petch关系。在此讨论细化晶粒对材料强化的机理，同时介绍细晶韧化以及细化晶粒的方法。,细晶强化,3.1 金属及合金的强化与韧化,细晶强化机理,晶粒直径与屈服强度之关系,研究发观，晶界对屈服强度的影响，不只是来自晶界的本身，而与晶界是连接二个晶粒的过渡区有关，由于在此过渡区的两边走两个排列不同位向的晶粒，一个晶粒内的滑移带不能穿过晶界直接传播到相邻晶粒，故构成位错运动的障碍。,多晶体中相邻晶粒滑移传播过程的位错模型,3.1 金属及合金的强化与韧化,细晶强化机理,3.1 金属及合金的强化与韧化,细晶强化机理,塞积的位错数n为,在塞积群头部将产生一个应力集中，其值为：,可见由于位错塞积，这相当于将有效应力放大了n倍， n为位错塞积数目,3.1 金属及合金的强化与韧化,细晶强化机理,如果晶粒II内位错源S2在晶界附近，开动这个位错源的临界切应力为tr是由位错塞积群的应力集中t1提供。如果位错S2开动并放出位错，则t1tr，即：,3.1 金属及合金的强化与韧化,细晶韧化,细晶强化方法不同于加工硬化(形变强化)及固溶强化等，其最大的特点就是细化晶粒在使材料强化的同时不会使材料的塑性降低，相反会使材料的塑性与韧性同时提高。,韧化机理：在金属中的夹杂物多在晶界处出现，特别是低熔点金属形成的夹杂物，更易在晶界析出，从而显著降低材料的塑性。合金经细化晶粒后，则单位体积内的晶界面积增加，在夹杂物相同的情况下，经细化晶粒合金晶界上偏析的夹杂物相对减少，从而使晶界结合力提高，故材料的塑性提高了。另一方面，由于晶界既是位错运动的阻力，又是裂纹扩展的障碍，因此细化晶粒在提高强度的同时，也提高了合金的韧性。,3.1 金属及合金的强化与韧化,细化晶粒的常见方法,改善结晶及凝固条件。通过增大过冷度与提高形核率来获得细小的铸态组织，如采用铁模及加入孕育剂(变质剂) 。在现代连铸、连轧方式的生产过程中，通过施加外场（包括强电场和强磁场）以及控制结晶条件均可实现细晶化。 调整合金成分。添加一些细化晶粒的元素以获得细晶组织。钢中常用的添加元素有Mg、B、Zr及其它稀土金属。 严格控制热处理工艺。尤其是对冷变形后的金属，通过控制其回复和再结晶的进程，达到细化晶粒之目的。 采用形变热处理方法。可获得细小晶粒及亚晶粒。 往复相变细化方法。即在固态相交相变点附近某温度范围内，反复加热冷却，通过相交相变反复形核，以获得细小晶粒。,3.1 金属及合金的强化与韧化,第二相强化,第二相的类型,第二相在冶炼过程中产生。如钢中的氧化物、硫化物、碳化物等。 第二相在热处理过程中产生，如时效硬化型合金，在时效处理时，从基体固溶体中析出第二相，使合金强度提高。这种强化称为沉淀硬化或时效强化。 另一种就是利用粉末冶金办法，在合金基体中形成强化相，称为构成弥散强化。如TDNi等。,3.1 金属及合金的强化与韧化,第二相强化,第二相的作用,在冶炼过程中形成的第二相，一般来说对合金是有害的，它使合金的强度和塑性下降幅度增加低。随第二相数量增加，合金的塑性下降的愈多。主要因为这些第二相(即或夹杂物)与基体结合强度比较低，在外力作用下很容易沿第二相与基体界面产生裂纹，而使合金的塑性和强度降低。另一个原因是这些第二相往往成尖角状，如奥氏合金中氧化物和氰化物就是如此。在外力作用下，在尖角处形