第三章 改变材料性能主要途径(02晶粒细化和合金化)

1、工程材料及热加工Mechanical Engineering Materials & Hot Working Technology刘红华机械工程学院第三章 改变材料的主要途径三三. 金属的合金化金属的合金化二二. 金属的晶粒度对材料性能的影响金属的晶粒度对材料性能的影响一一. 金属塑性变形对材料性能的影响金属塑性变形对材料性能的影响四四. 金属的热处理金属的热处理五五. 高分子材料的增强与改性高分子材料的增强与改性第二节 金属的晶粒度对材料性能的影响课前复习课前复习 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧，塑性、韧性下降性下降的现象称的现象称

2、加工硬化加工硬化。1.冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形对金属性能的影响2.冷塑性变形对金属组织的影响冷塑性变形对金属组织的影响 组织纤维化组织纤维化,性能各向异性。性能各向异性。 产生变形织构产生变形织构,性能各向异性。性能各向异性。 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越因为金属晶粒越细，晶界总面积越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；大，位错障碍越多；需要协调的具有不需要协调的具有不同位向的晶粒越多，同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的使金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小与金属强

3、度关晶粒大小与金属强度关系系 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响式中，式中，y为流变应为流变应力，力，0为晶格摩擦为晶格摩擦力，力，d为晶粒直径，为晶粒直径，ky为与材料有关的为与材料有关的参数，指数参数，指数n常常 取取0.5。晶粒大小与金属强度关晶粒大小与金属强度关系系 金属的晶粒越细，其金属的晶粒越细，其塑性和韧性塑性和韧性也越高。也越高。 因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增

4、加强度和塑性同时增加,金金属在断裂前消耗的功也属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较大，因而其韧性也比较好。好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料通过细化晶粒来同时提通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称塑性和韧性的方法称细细晶强化晶强化。晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径/m抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.202635748.80.162646550.70.10278116501.1.凝固凝固物质由液态转变成固态的过

5、程。物质由液态转变成固态的过程。2.2.结晶结晶 由由液态转变为固体液态转变为固体晶体的过程。晶体的过程。或：原子由不规则或：原子由不规则( (无序无序) )排列到有排列到有( (序序) )规则排列过程规则排列过程. . 或：晶体结构形成的过程。如水或：晶体结构形成的过程。如水冰冰 热分析法热分析法将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中的温度中的温度时间曲线。这一实验方法称为热分析法，冷却时间曲线。这一实验方法称为热分析法，冷却曲线

6、又称为曲线又称为热分析曲线热分析曲线。ToTo纯金属结晶时的冷却曲线温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1T1结晶平台结晶平台时间过冷现象与过冷度 过冷现象过冷现象 金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度T T1 1低于理论低于理论结晶温度结晶温度T T0 0的现象。的现象。 过冷度过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷之差称为过冷. . 过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件。 过冷度随过冷度随金属的本性金属的本性和和纯度纯度的不同，以及的不同，以及冷却速度冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。的差异可以在很大的范围内变化。 冷却速

7、度越快，结晶温度越低，过冷度冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度越大越大, ,反之冷却速度慢，过冷度则小。反之冷却速度慢，过冷度则小。金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程结晶过程是结晶过程是形核形核和和长大长大的过程的过程当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而是经过了一定时间后才开始出时，晶核并未立即产生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期孕育期。 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与

8、此同时，液态金属中又产生第二批晶核。液态金属中又产生第二批晶核。 液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程结束。直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程结束。 金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织金属结晶的金属结晶的动态动态过程过程 形核形核 长大长大2.2 2.2 纯金属及合金的结晶纯金属及合金的结晶晶核的形成 当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定似于晶体的小集团，

9、这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为的结晶核心，称为晶核晶核。 形核有形核有均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核两种方式。两种方式。 均匀形核均匀形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；子呈规则排列的结晶核心； 均匀形核需要很大的过冷度，如纯铝结晶时的过冷度为均匀形核需要很大的过冷度，如纯铝结晶时的过冷度为130130，而纯铁的过冷度则高达，而纯铁的过冷度则高达295295。 在液态金属中总是存在一些微小的在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点固相杂质质点，并且，并且液态金属在凝固时还要和液态金属在凝固时还要

10、和型壁型壁相接触，晶核优先依附于相接触，晶核优先依附于固相杂质或型壁等现成的固体表面上形成，这种形核方固相杂质或型壁等现成的固体表面上形成，这种形核方式就是式就是非均匀形核非均匀形核。 非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，可非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，可以在较小的过冷度下进行。过冷度一般不超过以在较小的过冷度下进行。过冷度一般不超过20 20 。 形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用数量。用N NN1N1* *N2N2表示。表示。形核功影响原子扩散能力形核率形核率温度曲线上有一个极大值。开始时形核率随着过冷度的增

11、加而温度曲线上有一个极大值。开始时形核率随着过冷度的增加而增大，当超过极大值以后，形核率又随着过冷度的增加而减小，当过冷度非增大，当超过极大值以后，形核率又随着过冷度的增加而减小，当过冷度非常大时，形核率接近于零。常大时，形核率接近于零。随着过冷随着过冷度的增加，晶度的增加，晶核的临界半径核的临界半径和形核功都随和形核功都随之减小，结果之减小，结果使晶核易于形使晶核易于形成，形核率增成，形核率增加；加； 增加液态增加液态金属的过冷度金属的过冷度就势必降低原就势必降低原子的扩散能力，子的扩散能力，结果给形核造结果给形核造成困难，使形成困难，使形核率减少。核率减少。急冷非晶态材料长大速度长大速度晶

12、体的长大速度与其晶体的长大速度与其生长机制生长机制有关。当界面为光滑界面有关。当界面为光滑界面并以并以二维晶核机制二维晶核机制长大时，长大时，长大速度非常小长大速度非常小；当以；当以螺型位错机螺型位错机制制长大时，长大时，长大速度也不大长大速度也不大；对具有粗糙界面的大多数金属，；对具有粗糙界面的大多数金属，以以垂直长大机制垂直长大机制长大，长大，速度快得多速度快得多。过冷度过冷度对长大速度也有很大影响。对长大速度也有很大影响。随着过冷度的增大，随着过冷度的增大，长大速度先是增大，达到极值后，又减小长大速度先是增大，达到极值后，又减小。过冷度小时，固液。过冷度小时，固液两相自由能的差值较小，结

13、晶的驱动力小，所以长大速度小；两相自由能的差值较小，结晶的驱动力小，所以长大速度小；当过冷度很大时，温度过低，原子的扩散迁移困难，所以长大当过冷度很大时，温度过低，原子的扩散迁移困难，所以长大速度也小。速度也小。对于金属来说，由于结晶温度较高，形核和长大都对于金属来说，由于结晶温度较高，形核和长大都很快，不等过冷到较低的温度时结晶过程已经结束，长大速度很快，不等过冷到较低的温度时结晶过程已经结束，长大速度不超过极大值。不超过极大值。 主要结论： 1.结晶过程实质形核成长（大），两者相继又并存。 2.结晶终了： 得多晶粒组织(晶界多),犬牙交错，晶粒愈细愈好；晶粒大小及控制 表示晶粒大小的尺度叫

14、表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度（grain sizegrain size）。常用的表）。常用的表示方法：单位体积的晶粒数目（示方法：单位体积的晶粒数目（ZVZV）；或单位面积内的晶）；或单位面积内的晶粒数目（粒数目（ZSZS）或晶粒的平均线长度（或直径）表示）或晶粒的平均线长度（或直径）表示。 晶粒大小对金属性能的影响：晶粒大小对金属性能的影响： 实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。且晶粒愈细小，性能愈

15、好。 结晶后晶粒大小与结晶后晶粒大小与形核率形核率N N和晶核的长大速率和晶核的长大速率G G两个因素两个因素有关。有关。细化晶粒的方法细化晶粒的方法控制过冷度控制过冷度过冷度增加，形核率和长大速度过冷度增加，形核率和长大速度都随之增加，都随之增加，形核率的增长率大于长形核率的增长率大于长大速度的增长率大速度的增长率。在一般金属结晶时的过冷度范围在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小。内，过冷度越大，晶粒越细小。增加过冷度的方法主要是增加过冷度的方法主要是提高液提高液态金属的冷却速度态金属的冷却速度，增加过冷度的另，增加过冷度的另一个方法是一个方法是采用低的浇注温度采用低的浇注

16、温度，减慢，减慢铸型温度的升高，或者进行铸型温度的升高，或者进行慢浇注慢浇注。金属结晶时形核率和长大速度金属结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系与过冷度的关系细化晶粒的方法变质处理细化晶粒的方法变质处理。变质处理是在浇注前往液态金属中加入变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂形核剂，促进形，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。成大量的非均匀晶核来细化晶粒。有的变质剂，虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大有的变质剂，虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大作用，因此又称为作用，因此又称为长大抑制剂长大抑制剂。细化晶粒的方法振动、搅动。细化晶粒的方法振动、搅动。振动或搅拌可使正在长大的晶体碎裂成

17、几个结晶核心，又振动或搅拌可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心，又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。细晶强化主要应用于铸件生产领域。细晶强化主要应用于铸件生产领域。常用于铸铁件和非铁合金铸件（即有色金常用于铸铁件和非铁合金铸件（即有色金属及合金），如灰铸铁的孕育处理和铝活属及合金），如灰铸铁的孕育处理和铝活塞采用金属型铸造等都属细晶强化的实例。塞采用金属型铸造等都属细晶强化的实例。 细晶强化的应用细晶强化的应用金属的同素异构转变 在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转变的现象同素异构(晶)转变。 广义上说同素异构转变也是结晶过程，遵循生核与长大两规律

18、； 也需要一定的过冷度；有结晶热效应。 又称：重结晶，二次结晶。 由于晶格结构的转变，金属随之有体积的涨缩； 金属内部产生应变。 降温时,体积膨胀；,体积收缩1394912FeFeFe 为纯铁的冷却曲线。为纯铁的冷却曲线。可知纯铁能够发生同素可知纯铁能够发生同素异晶转变。生产中，有异晶转变。生产中，有可能对钢和铸铁进行各可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组种热处理，以改变其组织与性能。织与性能。 -Fe-Fe、 -Fe-Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)(BCC)， -Fe-Fe为为面心立方结构面心立方结构(FCC)(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -F

19、e第三节第三节 金属的合金化金属的合金化 在金属中加入某些合金元素，使之具有某在金属中加入某些合金元素，使之具有某种性能的方法称为种性能的方法称为金属的合金化金属的合金化。经合金。经合金化后可提高金属的强度、硬度及耐蚀性、化后可提高金属的强度、硬度及耐蚀性、热硬性、淬透性及其他物理性能等，以下热硬性、淬透性及其他物理性能等，以下主要讨论提高金属强度、硬度的合金化强主要讨论提高金属强度、硬度的合金化强化原理、方法和应用。化原理、方法和应用。 纯金属因性能有一定的局限性纯金属因性能有一定的局限性, ,故应用范围受到了故应用范围受到了限制限制, ,合金化合金化是提高纯金属性能的最主要的途径是提高纯金

20、属性能的最主要的途径 材材料料 工业工业纯铁纯铁40Cr60Si2CrVA工业工业纯铝纯铝LD10b(Mpa)2001000190050480材材 料料工业工业纯铜纯铜H70QBe2LC6b(Mpa)23066014006801 固溶强化固溶强化 固溶强化现象固溶强化现象 溶质原子溶入金属基溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为下降，这一现象称为固溶强化。固溶强化。固溶强化固溶强化置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体固溶强化固溶强化 固固溶溶强强化化的的影影响响因因素素 溶质原子浓度溶

21、质原子浓度 溶质溶剂原子溶质溶剂原子尺寸差尺寸差 溶质溶剂溶质溶剂价电子数目价电子数目溶质原子浓度越高，强化溶质原子浓度越高，强化作用也越大作用也越大 溶质溶剂原子尺寸相差越溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著大，强化效果越显著 电子数目相差越大，固溶强化电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而强度随着价电子浓度的增加而提高。提高。 固溶强化机理固溶强化机理 溶质原子造成溶质原子造成点阵畸变点阵畸变，其应力场与位错应力场发生弹性，其应力场与位错应力场发生弹性交互作用并交互作用并阻碍位错阻碍位错运动运动,使变形抗力提高使变形抗力

22、提高。 主要方式有：主要方式有： 溶质原子小于基体（溶剂）原子形成的置换原子，溶质原子小于基体（溶剂）原子形成的置换原子，一般移向位错线附近的受压位置，即刃型位错的上部。一般移向位错线附近的受压位置，即刃型位错的上部。 溶质原子大于基体原子形成的置换原子和间隙原子，溶质原子大于基体原子形成的置换原子和间隙原子，一般移向位错线附近的受拉位置，即刃型位错的下部。其一般移向位错线附近的受拉位置，即刃型位错的下部。其中置换式固溶体的溶质原子与基体原子直径相差愈大，其中置换式固溶体的溶质原子与基体原子直径相差愈大，其强化效果愈好。间隙式固溶体，由于间隙原子使基体晶格强化效果愈好。间隙式固溶体，由于间隙原

23、子使基体晶格畸变程度更大，故强化效果更好。畸变程度更大，故强化效果更好。 由于固溶体中溶质的由于固溶体中溶质的作用，都能使晶体中的晶格产生畸变，使得晶体内能提高，作用，都能使晶体中的晶格产生畸变，使得晶体内能提高，故强化效果更好。故强化效果更好。 固溶强化机理固溶强化机理Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系 金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形形成所谓的成所谓的“柯氏气团柯氏气团”。 柯氏气团使位错被钉扎住，从而使变形抗力

24、提高。柯氏气团使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。第二相强化第二相强化 第二相强化是指合金元素与基体金属形成金属第二相强化是指合金元素与基体金属形成金属化合物、或与碳、氮、氧形成碳化物、氮化物、化合物、或与碳、氮、氧形成碳化物、氮化物、氧化物等以细小弥散的第二相质点均匀地分布在氧化物等以细小弥散的第二相质点均匀地分布在金属基体上使金属强化。金属基体上使金属强化。 第二相为高硬度微粒，以细小弥散均匀地分布在第二相为高硬度微粒，以细小弥散均匀地分布在基体中时，强化效果最佳。由于第二相质点周围基体中时，强化效果最佳。由于第二相质点周围的基体金属产生晶格畸变，同时又增加了基体与的基体金属产生晶格畸变，

25、同时又增加了基体与第二相的界面，两者都使位错运动的阻力增大，第二相的界面，两者都使位错运动的阻力增大，则可提高金属的强度和硬度。则可提高金属的强度和硬度。不可变形粒子的强化机制不可变形粒子的强化机制 弥散粒子与基体弥散粒子与基体不共格不共格, ,它不能被它不能被D D穿过而变形穿过而变形; ; 稳定的第二相及外加的弥散粒子都不能让稳定的第二相及外加的弥散粒子都不能让D D线穿过线穿过, ,D D线只能线只能绕过它们绕过它们, ,这就是这就是19481948年奥罗万提出的机制年奥罗万提出的机制; ;奥罗万奥罗万(绕过绕过)机制机制:一一条条直直D线线向不共格粒子向不共格粒子靠近靠近,在粒子处在粒

26、子处弯曲弯曲,从两从两粒子间粒子间弓出弓出,随后随后,类似于类似于F-R源的形成过程源的形成过程,在粒在粒子周围子周围留下一个位错环留下一个位错环,原位错继续前进原位错继续前进.可变形粒子的强化机制可变形粒子的强化机制 切过机制切过机制: :当当c c时时,D,D将切过第二将切过第二相粒子相粒子; ; 情况复杂情况复杂: : 1. 1.粒子表面产生台阶粒子表面产生台阶,界面能界面能 2.D2.D与粒子间弹性交互作用与粒子间弹性交互作用 3.3.粒子的粒子的G G往往较高往往较高 DD运动的阻力运动的阻力 使使合金强化合金强化. . 沉淀强化沉淀强化或或时效强化时效强化 如果第二相微粒是通过过饱

27、和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固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化并产生强化 弥散强化弥散强化 第二相微粒是通过粉末冶金第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用方法加入并起强化作用 第二相强化第二相强化 1. 时效强化（或沉淀强化）时效强化（或沉淀强化）固溶度随温度降低而显著减少。时效强化合金时效强化合金当含量大于当含量大于B0的合的合金加热到略低于固金加热到略低于固相线的温度，使相线的温度，使B组元充分溶解后，组元充分溶解后，快速冷却，而形成快速冷却，而形成亚稳定的过饱和固亚稳定的过饱和固溶体溶体 第二相强化第二相强化 时效时效经固溶处理的合金在室温或一定温度经固

28、溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时间，使过饱和固溶下加热保持一定时间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解体趋于某种程度的分解时效的一般过程时效的一般过程过饱和固溶体过饱和固溶体饱和饱和1 1固溶体溶质富集区固溶体溶质富集区 饱和饱和2固溶体亚稳相固溶体亚稳相 饱和饱和固溶体平衡相固溶体平衡相第二相强化第二相强化 时效状态与性能时效状态与性能第二相强化第二相强化 概念概念 它是利用金属粉末或金属粉末与非它是利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经过压金属粉末的混合物作原料，经过压制成型和烧结两个主要工序来生产制成型和烧结两个主要工序来生产各种金属制品的方法各种金属制品的方法粉

29、末的制备、压制成型、烧结及后粉末的制备、压制成型、烧结及后处理处理 工艺工艺过程过程 第二相强化第二相强化 2. 弥散强化弥散强化粉末冶金原理与工艺粉末冶金原理与工艺 在冶炼浇注铸锭、生产原材料时加入一定量的某在冶炼浇注铸锭、生产原材料时加入一定量的某些元素，通过这些元素溶于基体金属中形成固溶些元素，通过这些元素溶于基体金属中形成固溶体或各类化合物，使金属得到强化。体或各类化合物，使金属得到强化。合金化强化方法合金化强化方法 在熔炼浇注铸件时加入一定量的某些元素而起强在熔炼浇注铸件时加入一定量的某些元素而起强化作用。如钢、铸铁件和非铁合金件都可用此方化作用。如钢、铸铁件和非铁合金件都可用此方法

30、来强化金属。法来强化金属。 合金化强化主要应用于各类合金钢、各类铸铁及非铁合金等，用来提高其力学性能。 在合金结构钢中加入Cr、Ni、Si、Mn等元素，可显著提高提高铁素体的硬度，产生固溶强化。 在某些合金结构钢或合金工具钢中加入Mo、W、V、Ti、Nb等强碳化合物形成元素，可形成特殊碳化合物，起第二相强化作用，使钢具有高硬度和优良的高温性能。 在耐磨铸铁中加入Cr、Mo、V、B等合金元素、在铜合金中加入Zn、Sn、Al等元素，产生第二相强化作用等都属合金化强化。 在铸造生产中，合金化强化是最常用的强化手段。合金化强化的应用合金化强化的应用合金元素在钢中作用合金元素在钢中作用 钢中加入合金元素改变了钢的组织结构和钢中加入合金元素改变了钢的组织结构和性能，同时也改变钢的相变点和合金状态性能，同时也改变钢的相变点和合金状态图。图。 一、合金元素对钢中基本相的影响一、合金元素对钢中基本相的影响 基本相基本相 铁素体铁素体+Fe3C 加入合金元素时，一部分溶于加入合金元素时，一部分溶于F形成合金铁形成合金铁素体另一部分溶于渗碳体，形成合