第5章金属及合金的强化方法

1金属力学性能第5章金属及合金的强化方法2本章内容5.1强化的概念和途径5.2晶粒细化强化5.3固溶强化5.4第二相强化5.5加工硬化35.1强化的概念和途径•金属失效方式——过量弹性变形；过量塑性变形；断裂•金属塑性变形方式——位错滑移•提高位错运动阻力——强化金属•金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。•为什么不去提高金属的断裂强度？4•材料的构成1）基体相2）界面：包括相界面和晶界3）第二相•举例：1）Al－4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2，2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的第二相5•金属强化途径：内因：界面（晶界）——细晶强化溶质原子——固溶强化第二相——第二相强化提高位错密度——加工硬化外因：温度提高，位错运动容易，σs↓应变速率提高，σs↑应力状态:切应力分量τ↑，σs↓特殊应力状态：平面应力和平面应变状态65.2晶粒细化强化•晶粒：正常晶粒和亚晶粒•亚晶粒的形成原因？•晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度）•晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶界为材料中的弱化区域，不起强化作用）•晶界是位错运动的障碍原因？7•滑移的临界分切应力τ=(P/A)cosφcosλφ—外应力与滑移面法线夹角；λ—外应力与滑移方向的夹角；Ω=cosφcosλ称为取向因子。•因为各晶粒的取向不同，cosφcosλ不同8•室温下位错在晶体内的运动过程：——位错运动到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻碍形成位错塞积——晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错开动——相邻晶粒内位错开动需要更大的应力——需要外加应力提高，即屈服强度提高9什么是屈服强度1）在应力1作用下，晶粒A内位错运动到晶界后受阻2）晶粒B内的位错需要开动，需要更大的外加应力3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内位错开动4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作用下，相邻的C晶粒内位错也能开动AB104）位错运动能够从晶粒A、B、C。。。传递下去5）由于晶界的作用，应力从1增大到2，表现为晶界对材料的强化作用6）这种能够使位错在不同晶粒间传递下去的应力（应力2）就是材料的屈服强度屈服强度是位错能够在晶粒间传递下去所需要的应力！！•举例：复合材料的屈服强度11•按照上面的思路建立晶界与位错运动的模型，如下图AB12•位错塞积群形成的方式（F-R位错源）bS1213受到的阻力为位错在晶体内运动所为外加切应力数为位错塞积群中位错个其中处受到的应力为：位错塞积群顶端in)(ignQAB14晶粒中心的情况？思考：位错塞积群不在为布氏矢量为剪切弹性模量＝那么，如果塞积群在晶内中心为位错塞积群长度，其中按照位错塞积群理论，b2/LL)(2n2GDGbLiAB15giig2ig)(n)n(QBQA)(－－＝＋处受到的应力为：中位错在晶粒处引起的应力集中在晶界中位错塞积群这是晶粒所以GbD16sc2icgcB)(cosQRB的屈服强度—该外加应力就是材料—传递到晶粒错滑移从晶粒—此时外加应力使得位—位错滑移临界应力晶粒—塞积群应力集中达到——引起位错塞积—作用下上式涵义是：外加应力那么，力为方向上位错滑移临界应它在，中位错滑移方向为假设晶粒ABGbDQRs172/1siscs2/1cisc2iscKcosGKcosGcos)(QRBDbDbGbDQR’’＋＝，那么＝设＋＝所以此时：，力为方向上位错滑移临界应它在，中位错滑移方向为假设晶粒AB18增大增大；温度降低，高，研究表明，应变速率提示力，可以用派－纳力表力，主要包括晶格摩擦表征材料内位错运动阻）讨论：成正比径的材料屈服强度与晶粒直公式，反映－这就是＋＝得到：如果采用正应力表示，iii2/1sis12/1PetchHallKD2）还包括位错交互作用产生的阻力P-N力：fcc位错宽度大，位错易运动。bcc反之。交互产生的阻力：平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。19。原子钉扎会造成较大的、度有关，还与材料内位错钉扎强越小。多，研究发现材料滑移系越定数值也是材料的参数，是固统计平均值确定。因此平均值，材料确定，该的统计多晶体，可以得到一个是一个变化的量。对于取向差别很大，因此差。由于材料内的晶粒是两个相邻晶粒的取向相对固定，，＝）SSSSSccSKNCKK.KKcosGbK22021•Hall－Petch公式发现过程发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch都是英国剑桥大学研究生，Hall在论文中对钢的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试验研究；Petch采用位错塞积群理论进行了理论分析。•材料科学中为数不多的定量描述公式之一•纳米材料中的Hall－Petch关系22•Hall－Petch公式本质1）晶界两侧晶体存在取向差——位错滑移从晶粒A传递到晶粒B需要额外的应力——该应力由晶粒A中形成的位错塞积群提供2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数有关——塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶粒尺寸D3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少——需要更大的外加应力——造成屈服强度提高)(ignGbD2ig)(235.3固溶强化固溶：外来原子溶入金属种类：间隙固溶；置换固溶24•间隙式固溶：固溶原子都大于间隙尺寸，即使最小的C、N作为固溶原子也是如此——间隙固溶都导致固溶原子周围出现压应力区域•置换式固溶：固溶原子大于溶剂金属原子——造成压应力区；固溶原子小于溶剂金属原子——造成拉应力区；25•金属中固溶后产生以下几种作用：1）固溶原子与位错应力区之间的交互作用（间隙原子都处于位错拉应力区；大固溶原子处于位错拉应力区；小固溶原子处于压应力区）——位错运动阻力增大，导致强化2）电子相互作用：溶质原子与附近溶剂原子之间的电子相互作用，导致位错穿越该区域需要更大的能量——导致强化263）化学相互作用：如fcc中的层错是一种hcp结构，溶质原子在fcc和hcp中的溶解度不同，在hcp结构的层错中溶解度高——层错难以运动，导致强化4）增加扩展位错宽度——层错扩展宽度受到溶解在层错中的溶质原子的影响——层错宽度影响层错的可动性（越宽，层错越难以运动）275）短程有序强化A-A3低B-B4低A-B4高A-A2低B-B3低A-B6高AB低高28•丛聚状态A－B能量A－A/B－B丛聚越紧密，能量越小（6）；紧密丛聚状态破坏后，能量升高（8）；AB低高29•固溶强化的应用：提高金属材料强度的主要途径受到溶解度限制：1）一种元素有特定的最大溶解量，受到相图控制2）一种元素的溶解不影响其它元素的溶解量可以采用多加入几种合金元素，从而提高金属的强度，比如低合金高强度钢提高金属材料的淬透性，如40钢中加入Ni、Cr提高钢的热处理特性，如抗回火特性LSiαAlSi305.4第二相强化•第二相相：特定成分、特定晶体结构组织：几种相构成如珠光体组织•形成途径：凝固；共析转变；时效；复合材料AlSiLSiααFe3C珠光体组织31前4章作业•第一章：A）查找2010版关于金属室温拉伸实验的国家标准，1）作笔记说明金属力学性能指标的测量方法，2）现有一块厚度6mm的轧制铝板，要测量其室温强度、塑性，画出试样的尺寸，3）现有一圆柱低碳钢棒材，要测量其室温强度、塑性，画出试样的尺寸B）在地球和月亮之间架设一天梯，什么材料能满足要求（两者相互位置不动、重力加速度使用底面重力加速度）•第二章：1、7•第三章：4•第四章：3、10要求：A4纸，手写，抄袭的退回重写32•第二相分类1）弥散分布和大块聚集2）不可变形和可变形不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。“硬相”可变形的第二相，位错可以切过。“软相”第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。33•弥散质点强化1）切过型第二相－基体界面增大；第二相有序结构破坏；第二相变形需要能量强化效果：Tsd1342）绕过型位错线弯曲成半圆时需要的应力最大，强化效应：•质点周围位错增多后，有效dT减小•形成的位错塞积对后续的位错产生阻碍TdGb35•弥散强化的效果都与质点间距成反比•弥散度提高——强化效果增大•Al－4.5Cu合金欠时效：GP区（θ”）Cu在Al中的“丛聚”状态；共格；纳米尺寸；弥散分布；“软相”，可以切过峰时效：θ”＋θ’Cu与Al的原子比趋向于1：2，半共格；尺寸增大；弥散度稍微降低；根据尺寸介于“硬相”和“软相”之间。过时效：θ成为CuAl2化合物；非共格；尺寸长大；弥散度低；属于“硬相”欠过峰时间硬度36•大块聚集型强化11：等应变状态22：等应力状态•面积为S；•基体含量为f1，第二相含量为f2•假设处于弹性状态1122f1f237EEEE)(1122112211221122112211混合法则这是＝＝＝＝所以：＝：等应变方向总总总总总sssffffEffEffSfSfFE1E201Eσ1σ201σ1122f1f2f2f238E1E201Eσ1σ201σ)()(111)(221222112112212211222111221121如果＝如果＝＝＝＝所以：＝：等应力方向总总总总总总总总ssEEEfEfEEfEfEEfEfEff等应力条件下（11方向）比等应变条件下（22方向）更能发挥第二相的强化效果！1122395.5形变强化或称形变硬化，加工硬化1、意义（1）形变强化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）强化金属，提高力学性能。（4）提高低碳钢的切削加工性能。402、形变强化机理（1）三种单晶体金属的应力应变曲线面心立方（铜）体心立方（铌）密排六方（镁）单晶金属加工硬化曲线aedcbfg1、面心立方金属形变强化能力远大于其它金属2、随应变增大，面心立方金属经历弱的形变强化阶段后，发生强的形变强化，随后形变强化能力减弱3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属41（2）形变强化机理（单晶体）a）易滑移阶段：单系滑移hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑移，∴易滑移段长。b）线性硬化阶段：多系滑移位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。（fcc，bcc，hcp）c）抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移（刃型位错不能产生交滑移）多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段。面心立方金属典型加工硬化曲线强弱423、形变强化指数Hollomon关系式：S=ken（真应力与真应变之间的关系）n—形变强化指数；k—硬化系数形变强化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性体;n=0，材料无硬化能力。层错能低的材料形变硬化程度大；如高Mn钢（Mn13），层错能力低∴n大形变强化指数，用直线作图法求得：logS＝logk＋nloge43•形变强化与颈缩——产生颈缩——应变集中到颈缩区域——颈缩区域由于形变强化，屈服强度提高（而没有颈缩区域屈服强度不变）——变形转移到颈缩区域以外——颈缩受到抑制•形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性”•超塑性：塑性应变超过100％444形变强化的几个途径位错密度提高是形变强化的前提1）变形协调位错452）F－R位错源bS12463）位错之间的相互作用•位错与同号位错之间的斥力作用•位错之间的交互作用形成割阶•平行/垂直位错之间的交互作用：作用力正比于位错密度的1/2——位错密度增大，位错交互作用增大——位错运动阻力增大——强化475形变强化与材料组织之间的关系固溶态（固溶体）欠时效（GP区（θ”））（铜的丛聚区，共格，容易变形）峰时效（θ”＋θ’）（CuAl2弥散分布，细小，共格关系部分遭到破坏，部分可变形）过