金属材料的强韧化

材料的强韧化主讲人：邵红红强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能。调整化学成分细化晶粒金属材料的强韧化形变热处理复相热处理下贝氏体强韧化复习强度是材料抵抗变形和断裂的能力。塑性表示材料断裂时总的塑变程度。韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少表示韧性的高低．小结：金属强化基本原理1固溶强化（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。2细晶强化霍尔-佩奇公式：σs=σ+Kyd-1/23、位错强化（1）晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力。可以有效地提高金属的强度。流变应力τ和位错密度的关系：培莱-赫许公式（2）加工硬化4、沉淀相颗粒强化（1）可变形微粒的强化作用——切割机制适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。主要有以下几方面的作用：A位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。B若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒子时需要附加应力。C由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。D由于粒子的层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化。E由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度。（2）不可变形微粒的强化作用——奥罗万机制·适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为τ=Gb/（2R）设颗粒间距为λ则τ=Gb/λ∴Rmin=λ/2只有当外力大于Gb/λ时，位错线才能绕过粒子。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。（3）粗大的沉淀相群体的强化作用由两个相混合组成的组织的强化主要是由于：①一个相对另一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化，直到末形变的相开始形变为止。②在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错。金属韧化的原理改善金属材料韧性断裂的途径是：1减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量。2提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗3增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中4避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展。金属材料的强韧化性能从学术的角度对材料性能分类主要有两种：（1）结构不敏感的性能由原子本身的基本特性决定的因素，如元素的熔点、弹性模量、线膨胀系数、磁特性等结构不敏感的性能表示了原子核的性质。（2）结构敏感性能它们与材料的组织形态、晶粒大小、加工经历等密切相关。强韧化主要是解决结构敏感的性能。性能是衡量材料和判定材料的依据。从工程应用的角度来讲，常提到的性能是使用性能和工艺性能。强度是在变形及断裂过程中表现出来的特性，因此研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。相变和形变是研究材料的两大领域，不合理的相变和变形不均匀时，会造成应力集中，达到一定程度就形成裂纹。金属强韧化从机理上划分可分为三种：(1)物理强韧化金属内部晶体缺陷的作用和通过缺陷之间的相互作用，对晶体的力学性能产生一定的影响，进而改变金属性能的现象。(2)化学强韧化指的是元素的本质决定的因素以及元素的种类不同和元素的含量不同造成的材料性能的改变。这里包括了元素之间的相互作用和结合对性能带来的影响，也包括元素的含量不同造成的由量变到质变的许多问题。(3)机械强韧化是一个与之完全不同的强韧化机理，除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化。在界面上发生的行为和现象，用上述理论不能概括、代替。如两种材料组成复合材料形成了新的界面造成的强韧化和各相的几何尺寸变化造成的强韧化，这正是机械强韧化，它可以构成独立的体系值得进一步研究。一、物理强韧化指的是利用金属内部结构因素：即原子排列、晶体结构、相的分布、大小与形状等因素，控制、影响、改善金属材料的力学性能的方法。这里晶体缺陷起了重要作用。位错的交割1刃型位错之间的交割（1）两个位错相互垂直，两个b也相互垂直即b1⊥b2交割前交割后（2）两个位错相互垂直，两个b相互平行交割前交割后2螺型位错之间交割→两个相互垂直的螺位错相向运动交割后的情况位错间相互交割时的变化：（1）不在同一个滑移上的位错之间相互交割，都发生对方b大小的变化。（2）相互交割后位错线上产生的一段折线，若是扭折会在位错线张力作用下自动消失，而割阶不会。（3）割阶有两种类型：一类可以随位错一起滑移，另一类则不能滑移。图中阴影区域是23刃位错多余半原子面的区域，如果这段位错沿滑移面移动，必然导致这个多余半原子面扩大或缩小，即发生位错大攀移。二、化学强韧化化学强韧化的核心意义是阐述元素以化学相互作用方式强韧化的概念、内涵、化学强化所面对的结合键和材料腐蚀的问题。空位对位错的作用从物理意义上讲，晶体中的空位（和间隙原子）在不断的运动状态中存在，位错对空位的吸收和释放，会造成位错自身的攀移，位错吸收一个空位，则位错线在一个原子长度上攀移一个原子间距，反之亦然。如果晶体中的空位浓度偏离平衡浓度，则这些非平衡的空位由于具有额外的能量，将会对位错造成一种攀移方向的作用力。由于非平衡空位的存在，对位错造成一种作用力，这是一种化学力，称为渗透力。Fos=[（KTb）/Va]ln（C/Co）C：空位浓度Co：空位的平衡浓度Va：空位体积C＞Co，即空位过饱和，Fos＞0，使正刃型位错向上攀移，负刃型位错向下攀移。C＜Co，即空位欠饱和，Fos＜0，使正刃型位错向下攀移，负刃型位错向上攀移。C=Co，Fos=0，无渗透力。过饱和空位对正刃位错一个向上攀移的力，这在强烈变形或位错塞积严重的情况下会使应力得到适当的松弛，也因改变位错的分布而使应力得到适当的松弛，这就是空位的韧化（软化）作用，这个作用在适当的温度更明显。空位对晶体的韧化作用也体现在空位能使扩散加速。塑性变形的本质不仅有位错运动造成的滑移，同时伴随着原子的扩散迁移。原子扩散迁移的最有效机制就是空位扩散机制。高温时钢的强度损失机理1τp-N启动自由位错在晶体中运动所需的最小应力。baGNP12exp2该应力与温度关系很大，主要体现在晶体的点阵常数随温度变化方面。随温度升高原子的热振动使位错容易短程障碍物发生攀移而流变应力逐渐下降。2位错攀移与交滑移常温下，位错滑移被局限在特定的几个滑移面上。在较高温度下，点缺陷的运动可以改变位错的结构或使位错容易攀移。当温度达到（0.5~0.7）Tm时，点缺陷的数量大幅度增加，原子扩散速度也很高，位错的攀移和交滑移变得非常显著。3析出相粗化和长大在高温若停留时间足够长，析出相粗化以达到稳定状态。弥散析出物的强化效果与其大小和间距密切相关。4钉扎原子脱离位错高于一定临界温度柯氏气团会蒸发，即消除了位错的钉扎作用。5夹杂物粒子和第二相粒子脱离基体基体屈服后，由于变形机制的不同，夹杂物粒子或第二相粒子脱离基体，降低钢的强度。造成原因：①随温度变化而性能的变化不同导致有不同的变形特性；②热膨胀系数不同产生热应力，与外力叠加产生脱离。6晶界滑移当温度高于0.5Tm时，晶界滑移变得比较明显。通常有一个内聚温度（也叫等强温度），这个温度晶界强度和晶内强度一样大，高于这个温度，晶界相对较弱，晶界滑动可以产生大量的变形，而变形抗力却不很大。三、模具选材及强韧化我国现有模具生产厂点约20000余家，从业人员约50万人，年产值达250亿元左右；商品模具约占1／3，其余为自产自用。从模具市场看，处于供不应求的状态，特别是精密、大型、复杂、长寿命模具，缺口更大。模具市场主要集中在汽车、摩托车、家电、电子产品、通讯设备和仪器仪表等行业。另外、通讯设备、PVC门窗和上下水管道及管接头、铝型材加工等都将成为模具的重要市场。模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具寿命3个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的寿命取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素，其中材料和热处理是影响模具使用寿命最重要的内在因素。1影响模具使用寿命的基本因素（1）结构设计不合理的结构设计往往是造成模具早期失效和热处理变形开裂的重要因素。模具的结构设计应尽量避免尖锐的圆角和过大的截面变化。尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算应力的10多倍。当由于模具结构的要求，尖锐圆角不允许消除时，可将整体结构改成组合式或将圆角的加工放在最终热处理后进行。如内四方头螺栓，原设计用冷镦模镦制，使用寿命500件，在冲头圆角过渡应力集中部位折断；后来改进设计，加大圆角过渡部位的半径，由R＝0.127mm增大到0.381～0.5mm，寿命提高到12000～27000件，仍在圆角过渡处断裂失效；第二次改进设计成组合式，寿命提高到100，000件，最终以磨损失效（2）模具材料与热处理模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确、材质是否良好和使用是否合理3个方面。模具选材原则：（一）满足工作条件要求1耐磨性坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。2强韧性模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。3疲劳断裂性能模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的含量。4高温性能当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。5耐冷热疲劳性能有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压交变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。（二）满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。（三）满足经济性要求模具选材必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。塑料模具钢选用时要兼顾其在塑料成形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性，同时还应考虑其加工性能和镜面度。热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当，致使模具早期失效的约占70％。（3）冷热加工工艺锻造和机加工对模具寿命的影响，常常被人们忽略，不正确的锻造和机加工往往成为导致模具早期失效的关键。Cr12MoV钢是国内最常用的冷作模具钢之一，属于高碳高铬莱氏体钢，含有大量的一次和二次碳化物，偏析很大。因此，改善其碳化物分布状况成为提高模具寿命的重要环节。共晶网状碳化物难以通过热处理消除，必须通过锻造使其细化并均匀化。对钢坯从不同方向上进行多次镦粗和拉拔，按“二轻一重”法锻造。锻造比一般控制在