材料強(qiáng)化和韌化課件

1、強(qiáng)韌化意義提高材料的強(qiáng)度和韌性節(jié)約材料，降低成本，增加材料在使用過程中的可靠性和延長服役壽命希望材料既有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性，通常的材料二者不可兼得理解材料強(qiáng)韌化機(jī)理，掌握材料強(qiáng)韌化本質(zhì) 合理運(yùn)用和發(fā)展材料強(qiáng)韌化方法從而挖掘材料性能潛力注意第1頁/共17頁提高金屬材料強(qiáng)度途徑強(qiáng)度是指材料抵抗變形和斷裂的能力材料強(qiáng)度缺陷數(shù)量冷加工狀態(tài)退火狀態(tài)無缺陷的理論強(qiáng)度材料強(qiáng)度與缺陷數(shù)量的關(guān)系兩種方法完全消除內(nèi)部的缺陷，使它的強(qiáng)度接近于理論強(qiáng)度增加材料內(nèi)部的缺陷，提高強(qiáng)度第2頁/共17頁增加材料內(nèi)部的缺陷，提高強(qiáng)度固溶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化第二相粒子強(qiáng)化形變強(qiáng)化提高金屬材料強(qiáng)度途徑即在金屬中引入大量的缺陷，以阻

2、礙位錯的運(yùn)動第3頁/共17頁定義本質(zhì) 利用點(diǎn)缺陷對位錯運(yùn)動的阻力使金屬基體獲得強(qiáng)化強(qiáng)化機(jī)理間隙固溶體 碳、氮等間隙式溶質(zhì)原子嵌入金屬基體的晶格間隙中，使晶格產(chǎn)生不對稱畸變造成的強(qiáng)化效應(yīng)間隙式原子在基體中與刃位錯和螺位錯產(chǎn)生彈性交互作用，使金屬獲得強(qiáng)化。 替代式溶質(zhì)原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，因而強(qiáng)化效果要比填隙式原子小固溶強(qiáng)化第4頁/共17頁 細(xì)晶強(qiáng)化定義強(qiáng)化機(jī)理晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng) 當(dāng)位錯運(yùn)動時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移帶不能直接進(jìn)入一側(cè)晶粒中晶界上形變要滿足協(xié)調(diào)性 需要多個滑移系統(tǒng)同時動作，這同樣導(dǎo)致位錯不易

3、穿過晶界，而是塞積在晶界處晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯阻滯效應(yīng)越顯著，多晶體的強(qiáng)度就越高第5頁/共17頁 細(xì)晶強(qiáng)化定義強(qiáng)化機(jī)理晶界對位錯滑移的阻滯效應(yīng) 當(dāng)位錯運(yùn)動時，由于晶界兩側(cè)晶粒的取向不同，加之這里雜質(zhì)原子較多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移帶不能直接進(jìn)入一側(cè)晶粒中晶界上形變要滿足協(xié)調(diào)性 需要多個滑移系統(tǒng)同時動作，這同樣導(dǎo)致位錯不易穿過晶界，而是塞積在晶界處晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯阻滯效應(yīng)越顯著，多晶體的強(qiáng)度就越高第6頁/共17頁霍耳-配奇(Hall-Petch)關(guān)系式y(tǒng) ikyd-1/2 i和ky是兩個和材料有關(guān)的常數(shù)，d為晶粒直徑常規(guī)的多晶體（晶粒尺寸大于100nm）納米微晶體材料(

4、晶粒尺度在1-100nm間) 中，臨界尺寸dc,十幾到二十納米之間反Hall-Petch效應(yīng)在納米晶粒，晶界核心區(qū)原子所占的比例可高達(dá)50%理論模擬的結(jié)果顯示存在一個臨界尺寸dc第7頁/共17頁第二相粒子強(qiáng)化分類通過相變（熱處理）獲得 析出硬化、沉淀強(qiáng)化或時效強(qiáng)化通過粉末燒結(jié)或內(nèi)氧化獲得 彌散強(qiáng)化強(qiáng)化效果相粒子的強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、間距、粒子的形狀和分布等都對強(qiáng)化效果有影響第二相粒子強(qiáng)化比固溶強(qiáng)化的效果更為顯著第8頁/共17頁第二相粒子強(qiáng)化強(qiáng)化機(jī)理不易形變的粒子包括彌散強(qiáng)化的粒子以及沉淀強(qiáng)化的大尺寸粒子位錯繞過機(jī)制（Orowan，奧羅萬機(jī)制）位錯線繞過粒子，恢復(fù)原態(tài)，繼續(xù)向前滑移運(yùn)動位錯線在不易形

5、變粒子前受阻、彎曲外加切應(yīng)力的增加使位錯彎曲，直到在A、B處相遇位錯線方向相反的A、B相遇抵消，留下位錯環(huán)，位錯增殖第9頁/共17頁第二相粒子強(qiáng)化強(qiáng)化機(jī)理易形變的粒子包括彌散強(qiáng)化的粒子以及沉淀強(qiáng)化的大尺寸粒子位錯切割機(jī)制位錯切過粒子的示意圖Ni-19% Cr-6% Al合金中位錯切過Ni3Al粒子的透射電子顯微像 第10頁/共17頁切過粒子引起強(qiáng)化的機(jī)制短程交互作用位錯切過粒子形成新的表面積，增加了界面能 位錯掃過有序結(jié)構(gòu)時會形成錯排面或叫做反相疇，產(chǎn)生反相疇界能 粒子與基體的滑移面不重合時，會產(chǎn)生割階; 粒子的派-納力P-N高于基體等，都會引起臨界切應(yīng)力增加長程交互作用（作用距離大于10b）

6、由于粒子與基體的點(diǎn)陣不同（至少是點(diǎn)陣常數(shù)不同），導(dǎo)致共格界面失配，從而造成應(yīng)力場第11頁/共17頁第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑綜合考慮切過、繞過兩種機(jī)制，估算出第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑rc=(Gb2)/(2s)第12頁/共17頁形變強(qiáng)化（加工硬化）定義強(qiáng)化機(jī)理 金屬在塑性變形過程中位錯密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯的運(yùn)動越來越困難位錯強(qiáng)化作用提高材料的強(qiáng)度使變形更均勻防止材料偶然過載引起破壞 第13頁/共17頁形變強(qiáng)化（加工硬化）不利方面金屬在加工過程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率形變強(qiáng)化使金屬變脆，因而在冷加工過程中需要進(jìn)

7、行多次中間退火，使金屬軟化，才能夠繼續(xù)加工限制使用溫度不能太高，否則由于退火效應(yīng)，金屬會軟化對于脆性材料，一般不宜利用應(yīng)變硬化來提高強(qiáng)度性能第14頁/共17頁材料的韌性是斷裂過程的能量參量，是材料強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)當(dāng)不考慮外因時，斷裂過程包括裂紋的形核和擴(kuò)展。通常以裂紋形核和擴(kuò)展的能量消耗或裂紋擴(kuò)展抗力來標(biāo)示材料韌性。材料的韌性與金屬組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，它涉及到位錯的運(yùn)動，位錯間的彈性交互作用，位錯與溶質(zhì)原子和沉淀相的彈性交互作用以及組織形態(tài)，其中包括基體、沉淀相和晶界的作用等 金屬材料的韌化第15頁/共17頁金屬材料韌性表征及韌化原理金屬材料韌性表征 材料在外加負(fù)荷作用下從變形到斷裂全過程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，則斷裂韌性愈高斷裂韌