金屬強化機制

1、金屬強化機制金屬強化機制固溶強化固溶強化第二相粒子強化第二相粒子強化細晶強化細晶強化加工硬化加工硬化固溶強化固溶強化固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混入其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格類型與組成固溶體的純組元相比，固溶體的晶格類型不發(fā)生變化，但點陣常數(shù)都會發(fā)生變化；其硬不發(fā)生變化，但點陣常數(shù)都會發(fā)生變化；其硬度、強度升高，而塑性、韌性相對下降，但綜度、強度升高，而塑性、韌性相對下

2、降，但綜合力學性能優(yōu)于純金屬。合力學性能優(yōu)于純金屬。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑點陣中所處的位置分為：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑點陣中所處的位置分為：置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點陣的陣點置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點陣的陣點間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙固溶強化固溶強化溶質(zhì)原子的存在及其固溶質(zhì)原子的存在及其固溶度的增加，使基體溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之金屬的變形抗力隨之提高。如圖表示提高。如圖表示Cu-NiCu-Ni固溶體的強度和塑性固溶體的強度和塑性隨溶質(zhì)含量的增加，隨溶質(zhì)含量的增加，合金強度、硬度提高，合金強度、硬度提高，而塑性有所下降，即而塑性有所

3、下降，即產(chǎn)生了固溶強化效果。產(chǎn)生了固溶強化效果。固溶強化的主要機制固溶強化的主要機制：柯氏氣團：柯氏氣團：在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團。子可以與位錯交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團。低碳鋼退火狀態(tài)的工程應(yīng)力低碳鋼退火狀態(tài)的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象低碳鋼在上屈服點開始塑性變形，當應(yīng)力達到上屈服點之后開始應(yīng)力降落，在下屈服點發(fā)生連續(xù)變形而應(yīng)力并不升高，即出現(xiàn)水平臺，這就是屈服平臺。低碳鋼屈服現(xiàn)象的柯氏氣團理論所謂的柯氏氣團，就是指碳原子偏聚于刃位錯的下方，碳原子有釘扎位錯，使位錯不易運動。位錯要運動，只要從氣團

4、中掙脫出來，擺脫碳原子的釘扎。位錯要從氣團中掙脫出來，需要較大的力，這就形成了上屈服點。而一旦掙脫之后，位錯的運動就比較容易，因此有了應(yīng)力降落，出現(xiàn)下屈服點和水平臺。低碳鋼的應(yīng)變時效a-預(yù)塑性變形b-卸載后立即加載c-卸載后放置一段時間或在200攝氏度加熱后在加載第二相粒子強化第二相粒子強化根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分為：根據(jù)第二相粒子的尺寸大小分為：聚合型合金：聚合型合金：兩相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級，較強兩相晶粒尺寸屬于同一數(shù)量級，較強相數(shù)量較少時，塑性變形基本上都發(fā)生在較弱相相數(shù)量較少時，塑性變形基本上都發(fā)生在較弱相中，只有較強相的體積分數(shù)大于中，只有較強相的體積分數(shù)大于30%30%時，才能

5、起到時，才能起到明顯的強化作用。明顯的強化作用。彌散分布型合金彌散分布型合金：彌散地分布于基體中的第二相粒彌散地分布于基體中的第二相粒子會阻礙位錯運動而起到強化作用。通過第二相子會阻礙位錯運動而起到強化作用。通過第二相粒子是否可變形可分為兩類強化機制：粒子是否可變形可分為兩類強化機制：沉淀強化（時效強化）沉淀強化（時效強化）彌散強化彌散強化 彌散強化彌散強化彌散強化型合金中不可變形的第二相粒子的強化作用是通過粒子彌散強化型合金中不可變形的第二相粒子的強化作用是通過粒子對位錯的阻礙作用實現(xiàn)的，如圖為奧羅萬（對位錯的阻礙作用實現(xiàn)的，如圖為奧羅萬（E.Orowan）機制。）機制。 根據(jù)位錯理論，迫使

6、位錯線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力：根據(jù)位錯理論，迫使位錯線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力： G為切變彈性模量，為切變彈性模量，b為柏氏矢量，為柏氏矢量，為兩粒子間距離。為兩粒子間距離。 由此可見，不可變形粒子的強化作用與粒子間距由此可見，不可變形粒子的強化作用與粒子間距成反比，成反比，粒子越多，粒子間距越小，強化作用明顯，因此，減小粒子粒子越多，粒子間距越小，強化作用明顯，因此，減小粒子尺寸（在同樣的體積分數(shù)時，粒子越小，則粒子間距也越小）尺寸（在同樣的體積分數(shù)時，粒子越小，則粒子間距也越?。┗蛱岣吡Ｗ拥捏w積分數(shù)都會導(dǎo)致合金強度的提高。或提高粒子的體積分數(shù)都會導(dǎo)致合金強度的提高。細晶強化細晶強化 多晶

7、體中晶體各項異性，不同位向晶粒的滑移系多晶體中晶體各項異性，不同位向晶粒的滑移系取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能從一取向不同，滑移方向也不同，滑移方向不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中；晶界處原子排列個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中；晶界處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重。不規(guī)則，點陣畸變嚴重。 因此，因此，在室溫下在室溫下晶界將會阻礙晶界將會阻礙 位錯的滑移，使每個晶粒中的滑移位錯的滑移，使每個晶粒中的滑移 帶終止在晶界附近，并發(fā)生位錯堵帶終止在晶界附近，并發(fā)生位錯堵 塞現(xiàn)象，如圖所示，位錯塞積群又塞現(xiàn)象，如圖所示，位錯塞積群又 會對位錯源產(chǎn)生一反作用力，這個會對位錯源產(chǎn)生一反作用力，這

8、個 力增大到某一數(shù)值時，使位錯源停止開動。則要使力增大到某一數(shù)值時，使位錯源停止開動。則要使第二晶粒產(chǎn)生滑移，必須增大外加應(yīng)力，以啟動第第二晶粒產(chǎn)生滑移，必須增大外加應(yīng)力，以啟動第二晶粒中的位錯源動作。即對于多晶體而言，外加二晶粒中的位錯源動作。即對于多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作產(chǎn)應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。晶界對多晶體塑性變形的影響主要取決于晶界數(shù)量，晶粒晶界對多晶體塑性變形的影響主要取決于晶界數(shù)量，晶粒大小又決定了晶界數(shù)量。圖為低碳鋼的晶粒大小與屈服大小又決定了晶界數(shù)量。圖為低

9、碳鋼的晶粒大小與屈服點的關(guān)系曲線，由圖可見，鋼的屈服點與晶粒直徑平方點的關(guān)系曲線，由圖可見，鋼的屈服點與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系。晶粒越小，晶粒數(shù)量越多，屈服根的倒數(shù)呈線性關(guān)系。晶粒越小，晶粒數(shù)量越多，屈服點越大。點越大。霍爾霍爾- -佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式描述了晶粒平均尺寸）公式描述了晶粒平均尺寸d與屈服強度與屈服強度s的關(guān)系：的關(guān)系： s = 0+kd-1/2 0晶內(nèi)對變形的阻力，相當于極大單晶的屈服強晶內(nèi)對變形的阻力，相當于極大單晶的屈服強度；度； k晶界對變形的影響系數(shù)。晶界對變形的影響系數(shù)。細晶強化是唯一不以降低材料的塑性來增加強度的強化方法晶粒強化的原因 ：晶

10、粒細化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過，即阻礙塑性變形，也就實現(xiàn)了高強度。 塑性，韌性好的原因： 晶粒越細，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機會較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，既表現(xiàn)出較高的塑性。細晶粒金屬中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不宜傳播（晶界曲折多），因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。加工硬化加工硬化金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強度（硬度）顯著提金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了

11、加工硬化現(xiàn)象。高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。加工硬化的實質(zhì)是金屬經(jīng)過冷加工產(chǎn)生大量的位加工硬化的實質(zhì)是金屬經(jīng)過冷加工產(chǎn)生大量的位錯，位錯發(fā)生積塞和纏結(jié)等交互作用，部分成為錯，位錯發(fā)生積塞和纏結(jié)等交互作用，部分成為不可動位錯，起到了不可動位錯，起到了“釘扎釘扎”作用，對塑性變形作用，對塑性變形起到阻礙作用，從而達到強化基體的目的起到阻礙作用，從而達到強化基體的目的。什么是金屬納米材料？ 金屬納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度或由它們作為基本單元構(gòu)成的金屬材料。 金屬納米材料具有許多其本體普通材料所沒有的獨特的物理和化學性能,在光、電、磁、催化劑、傳感、生物醫(yī)藥等方面具有廣

12、泛的應(yīng)用前景。這些獨特性能與納米材料的尺寸、形狀密切相關(guān),因而形貌可控地制備納米材料非常重要。金屬納米材料的制備工藝 氣相法 液相法 水熱法 溶膠-凝膠法 高能球磨法 晶體的氣-固生長法 選擇電沉積法l 溶膠-凝膠法 高速超微粒子沉積法 濺射法 惰性氣體蒸發(fā)法 惰性氣體蒸發(fā)、原位加壓制備法 非晶晶化法 高能球磨法結(jié)合加壓成塊法金屬納米材料自誕生以來對各個領(lǐng)域的影響令人矚目，這主要是因為納米材料往往“身懷絕技”，有特殊的用途?，F(xiàn)列出一些金屬納米材料在實際中的主要用途：(1)鈷(Co)高密度磁記錄材料。利用納米鈷粉記錄密度高、矯頑力高(可達119.4kAm)、信噪比高和抗氧化性好等優(yōu)點，可大幅度改

13、善磁帶和大容量軟硬磁盤的性能。(2)金屬納米粉體對電磁波有特殊的吸收作用?？勺鳛槲ú牧?，具有頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量小、厚度薄等優(yōu)點。美國新近開發(fā)的含“超黑粉”的納米復(fù)合材料，吸波率達99。法國研究者采用真空沉積法把NiCo合金及SiC沉積在基體上形成超薄電磁吸收納米結(jié)構(gòu)，再粉碎成微屑并制成納米材料，吸波頻率達50MHz50GHz。鐵、鈷、氧化鋅粉末及碳包金屬粉末可作為軍事用高性能毫米波隱形材料、可見光一紅外線隱形材料和結(jié)構(gòu)式隱形材料，以及手機輻射屏蔽材料。(3)表面涂層材料。納米鋁、銅、鎳粉體有高活化表面，在無氧條件下可以在低于粉體熔點的溫度實施涂層。此技術(shù)可應(yīng)用于微電子器件的生產(chǎn)。(4)高

14、效催化劑。銅及其合金納米粉體用作催化劑，效率高、選擇性強，可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應(yīng)過程中的催化劑。通常的金屬催化劑鐵、銅、鎳、鈀、鉑等制成納米微粒可大大改善催化效果。由于比表面巨大和高活性，納米鎳粉具有極強的催化效果，可用于有機物氫化反應(yīng)、汽車尾氣處理等。粒徑為30nm的鎳可將有機化學加氫及脫氫的反應(yīng)速度提高15倍。5)導(dǎo)電漿料。用納米銅粉替代貴金屬粉末制備性能優(yōu)越的電子漿料，可大大降低成本。此技術(shù)可促進微電子工藝的進一步優(yōu)化。(6)高性能磁記錄材料一鐵。利用納米鐵粉的矯頑力高、飽和磁化強度大、信噪比高和抗氧化性好等優(yōu)點，可大幅度改善磁帶和大容量軟硬磁盤的性能。(7)磁流體。用鐵、鈷、

15、鎳及其合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于密封減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示等領(lǐng)域。用永久磁鐵將磁流體固定在回轉(zhuǎn)軸的周圍，因回轉(zhuǎn)軸與周圍固定件間的空隙很小，其磁場強度特別大，從而能承受較大的沿軸線方向的推力，達到密封效果。(8)導(dǎo)磁漿料。利用納米鐵粉的高飽和磁化強度和高磁導(dǎo)率的特性，可制成導(dǎo)磁漿料，用于精細磁頭的粘結(jié)結(jié)構(gòu)等。(9)高效助燃劑。將納米鎳粉添加到火箭的固體燃料推進劑中可大幅度提高燃料的燃燒熱、燃燒效率，改善燃燒的穩(wěn)定性。(10)高硬度、耐磨WC-Co納米復(fù)合材料。納米結(jié)構(gòu)的WC-Co已經(jīng)用作保護涂層和切削工具。這是因為納米結(jié)構(gòu)的WC-Co在硬度、耐磨性和韌性等方面明顯優(yōu)于普通的粗晶材料。其中，力學性能