第二相强化

第二相粒子强化目录第一节、第二相强化机理的分类第二节、沉淀强化的机理第三节、弥散强化的机理第四节、第二相粒子强化的特点第一节、第二相强化机理的分类一、第二相强化的概念第二相强化，是指弥散分布于基体的第二相粒子阻碍位错运动而引起的强化。二、第二相粒子沉淀相粒子：由合金时效析出的粒子。弥散相粒子：人工加入的粒子（粉末冶金、内氧化法）可变形粒子：位错可切过的粒子（欠时效和峰时效时析出的粒子）不可变形粒子:位错不可切过的粒子（过时效析出的粒子、弥散相粒子）三、强化机理1、沉淀相强化：指析出相引起的强化，主要指欠时效和峰时效引起的强化。可变形粒子强化：位错切过第二相粒子所引起的强化作用。（切过机制）与粒子的特性有关。2、弥散相强化：弥散相粒子产生的强化。不可变形粒子强化：位错绕过第二相粒子所引起的强化作用。（绕过机制）与粒子的特性无关。第二节、沉淀强化的机理（可变形粒子强化）（1）、与基体共格可变形粒子的特点（2）、位错可以切过与基体共格→存在共格应变场→共格应变强化一、共格应变强化可以把第二相粒子看成一个错配球，他会在集体中造成应力-应变场，与位错产生交互作用。讨论第二相粒子与位错的交互作用，可以得到临界切应力分量：可见，随着共格应变和体积分数的增大，沉淀强化效果不断增强。二、化学强化作用化学强化作用着眼于位错切过第二相粒子后形成新界面所引起的强化。化学强化机制对于薄片状析出比较重要，因为位错切过会引起较大的表面积增量。化学强化所引起的临界切应力（增量）可以表达为：三、有序强化位错切过有序相粒子，产生APB（反相畴界），使系统能量升高而造成强化。沉淀相为金属间化合物，呈现有序点阵结构，且与基体保持共格关系。有序强化所引起的临界切应力（增量）为：四、模量强化第二相粒子的弹性模量与基体的弹性模量不同，使位错切过粒子时自身的能量发生变化，从而引起的强化效应，称之为模量强化。位错进入硬粒子时能量升高，进入软粒子时能量降低。模量强化所引起的临界切应力（增量）为：这种强化机制在Al-Li合金中起到重要作用。五、层错强化第二相粒子的层错能与基体的层错能不同时，会引起扩展位错能量的改变，产生运动的阻碍。这种强化效果称之为层错强化。当沉淀相粒子中的层错能远小于基体中的层错能时，会产生临界切应力（增量）为：层错强化主要适应于：1、密排点阵，易形成扩展位错；2、沉淀相粒子与基体之间的层错能差异较大。六、派—纳（P-N）力强化第二相粒子的P-N力大于与基体的P-N时，则必然会增大位错运动的阻力，称这种强化机制为P-N力强化。P-N强化所引起的临界分切应力（增量）为：即强化效果正比于沉淀相与基体的强度差。小结1、总体上来说，以上六种强化为可变形粒子有可能引起的基本强化机制。对于不同体系而言，可能是其中的一种或两种起作用。而且体积分数越大，尺寸越大，强化效果越明显。2、一般来说共格强化起主要作用。但是，也有些例外的情况。例如，Al-Li合金中，由于相非常细小，共格应变强化效果很小。此时有序强化和模量强化占主导作用。第三节、弥散强化机制(不可变形粒子强化机制）（1）弹性模量远大于基体的弹性模量不可变形粒子的特点（2）和基体非共格这个特点决定了位错只能绕过第二相，且阻力主要来源于：1、位错弓弯所需的力。2、加工硬化率的明显增加；3、第二相粒子与基体的变形的不协调（辅助作用）。一、不可变形粒子的强化作用不可变形的粒子对位错的阻碍作用如下图所示。当运动位错与其相遇时，将受到粒子的阻挡，使位错绕线绕着它发生弯曲。随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，一直围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环留下，而位错的其余部分则越过粒子继续移动。显然，位错按这种方式移动时受到的阻力是很大的，而且每个留下的位错环要作用位错源-反向应力，故继续变形时必须增大应力以克服此反向应力，使流变应力迅速提高。二、Orawan公式（奥罗万公式）根据位错理论，迫使位错弯曲到曲率半径为R时所需的切应力τ=。此时由于R=λ/2，所以位错线弯曲到该状态所需的切应力τ=。这是一个临界值，只有外加应力大于此值时，位错才能绕过去。由上式可见，不可变形粒子的强化作用于粒子间距λ成反比，即粒子越多，粒子间距越小，强化作用越明显。因此，减少粒子的尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小，则粒子间距也越小）或提高粒子的体积分数都会导致合金强度的提高。b2GRbG第四节第二相粒子强化的特点一、第二相粒子强化对材料塑形的影响。1、可变形粒子对材料塑形的影响。2、不可变形粒子对材料塑形的影响。二、第二项强化机制的利用1、可变形粒子的强化（沉淀强化）2、不可变形粒子的强化（弥散强化）1、可变形粒子对材料塑形的影响。（1）屈服强度明显提高析出相沉淀于位错线上，给位错启动造成阻力，从而使临界切应力提高，切过机制造成的临界切应力提高。（2）下降i、位错切过阻力逐渐降低ii、沉淀相粒子使位错平面塞积的可能性降低。从而造成加工硬化率降低。上述两个特点造成均匀延伸率降低：由于粒子很细小，且与基体共格；所以，可变形粒子强化对局部延伸率影响不大。总的来说，使材料塑形迅速下降。dd2、不可变形粒子对材料塑形的影响。i、为错绕过阻力逐渐升高；ii、第二相粒子使位错平面塞积的可能性增大。从而使均匀延伸率升高；由于粒子与基体结合性不好，使局部延伸率降低；总体来说，使材料塑性比固溶体下降，但比欠时效和峰时效塑性高二、第二项强化机制的利用1、可变形粒子的强化（沉淀强化）最主要的就是增加析出相的体积分数。i、增加溶质原子的过饱和度（1）提高固溶温度，增加淬火速度；（2）快速凝固（从液相中）；（3）利用同素异构转变（奥氏体淬火成过饱和马氏体）。ii、选用适合的时效工艺（1）形变时效——形成高密度位错，使析出相在位错处形核；（2）分级时效——先在低温下形成高密度晶核，高温下在生长。2、不可变形粒子的强化（弥散强化）强化效果好相同体积分数时，比可变形粒子的强化率高的多。体积分数小于1%时，细小弥散的硬粒子也能达到强化效果。但是总会导致材料的早期失效：主要原因在于粒子太大，分布不均匀。改善方法是细化粒子，分散粒子。i、提高过饱和度，以便析出大量的金属间化合物；ii、粉末冶金加变形；iii、采用纳米粒子。例如，马氏体时效钢是目前强度最高的金属（~4GPa），原因何在？成分Fe-18Ni-10Mo-Co合金，C0.02%(越少越好）；基本组织：板条马氏体（尺寸细小的板条，内部为高密度位错）；为高过饱和固溶体，时效析出Ni3Mo沉淀相；综合了细晶强化、位错强化和沉淀强化三种机制，使材料强度极高。例如，用粉末冶金方法制得的铝和氧化铝弥散强化型合金材料。一般含有1%～30%Al2O3。是一种典型的低温耐热材料。烧结铝的高温强度优于所有的普通铝合金，在500℃以下不发生软化，比重轻，导热性好，易切削加工，抗氧化性好