第5章金属及合金的强化方法

1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65.2.1晶粒细化强化本质•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)(5.2.2细化晶粒方法晶粒细化是唯一一种不牺牲材料韧性的强化方法，是一种很重要的强化方法。1.对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。2.对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。3.对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数,利用相变重结晶来细化晶粒。5.3固溶强化相指的是一种结构。在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明确的界面。几个基本概念固溶体两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为一相，称为无限互溶。5.3固溶强化如果把液态的镍和液态的铜混合在一起，它们能够形成均匀的一种液相。这个均匀的液态镍铜合金冷却成固体时，均匀形成一种固相，称为白铜。在铜镍合金这样的固相中，成分、结构和性质均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开来的界面。这种固相称为固溶体。白铜山水墨盒5.3固溶强化无限固溶体像铜镍合金这样没有溶解度限制、可以无限互溶的固溶体称为无限固溶体。有限固溶体有溶解度限制、不可以无限互溶的固溶体称为有限固溶体。大多数情况，物质之间的相互溶解是有限度的。5.3固溶强化如果在液态铜中添加少量液态锌，可以得到单相的液态的铜锌合金。液态铜锌合金冷却后，可以得到固态的铜锌合金，就是所谓的黄铜。如果添加的液态锌的量超过30%，就会有一部分锌无法溶解在铜里。多余的这部分锌会与铜生成化合物CuZn。5.3固溶强化此时，固态的铜锌合金中存在两相。一个相是含锌为30%的饱和固溶体，另一个相是化合物CuZn。像锌这样在铜中的溶解度是有限的，就是有限固溶体。通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。固溶强化对材料性质的影响5.3固溶强化◆合金的屈服强度、抗拉强度、硬度都会超过纯金属。◆几乎所有合金的塑性都低于纯金属。铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，是个例外。◆合金的电导率大大低于纯金属。◆固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。5.3固溶强化5.3.1固溶强化现象定义：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强化。例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强度和硬度的。原因：由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶强化的主要原因。CuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuZnZn5.3.2影响因素铜中加入不同含量的元素强化效果1.溶质原子浓度理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强化作用也越大。2.溶质溶剂原子尺寸差溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著。3.溶质原子类型一种是溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化效果较弱，约为G/10，G为弹性模量，如置换型溶质原子或面心立方晶体中的间隙型溶质原子；另一种是溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化效果极强，约为G的几倍，如体心立方晶体中的间隙型溶质原子。335.3.4固溶强化原因及应用固溶种类：间隙固溶；置换固溶固溶强化的原因（1）因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上（溶质原子会在位错周围形成原子气团，这种气团将能产生与屈服现象有关的一系列效应，就象我们在低碳钢变形时常常看到的那样）。（2）由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能；（3）电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用，从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚；…ABCABCAB┇ABCABCABC…堆垛层中抽出一层C，其中…ABCABCABABCABCABC…均为孪晶界。…ABCABCAB┇A┇CABCABC…堆垛层中插入一层A，其中…ABCABCABACABCABC…均为孪晶界。（4）层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆垛层错的结构与基体并不相同。异类原子溶入某基体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是不一样的。晶体发生塑性变形时，当扩张位错沿滑移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候，上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的变化。由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所以位错的运动同样要求外界提供更大的能量。5）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作为代价的。思考题:何谓“屈服现象”？为什么低碳钢在变形时会产生这种现象？低碳钢经过退火后，位错受到强烈钉扎，位错密度也比较少；为了以一定的速度实现变形（变形速率），就需要位错有较高的运动速率，这就要求运动位错受较大的外力来保证。（运动位错的速度与所受力有一关系式）；外力作用下位错大量脱钉和增殖时，位错密度就陡然增加；若变形dε/dt恒定，外应力将不得不减小，以使位错运动速度降低；这就是屈服现象产生的理由。40•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LSiαAlSi5.4第二相强化定义：第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，使合金强度、硬度升高的现象。原因：第二相阻碍位错运动，使位错滑动阻力增大。分类：如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为弥散强化。5.4.1沉淀强化（时效强化）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.第二相微粒通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，称之为沉淀强化或时效强化。1.固溶处理具有时效强化现象合金的最基本条件是在其相图上有固溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。如图5-21所示。当组元B含量大于Bo的合金加