材料的力学性能3

3、材料的强化与韧化

RAL金属材料的主要失效形式：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂；磨损；腐蚀。强度和韧性：是衡量结构材料的最重要的力学性能指标。为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的整体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、界面性能和材料制备工艺等。

3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1金属与合金的强化与韧化强化方法按实现工艺：加工硬化、热处理、TMCP、合金化按强化机制：固溶强化、细晶强化、沉淀强化、相变强化等

RAL3.1.1均匀强化3.1金属与合金的强化与韧化

RAL由于溶质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方式有两种：(a)相互作用强时，位错线便“感到”溶质原子分布较密；(b)为相互作用弱时，位错线便“感到”溶质原子分布较疏。若以l和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度，F为溶质原子沿滑移方向作用在位错线上的阻力，则使位错运动所需的切应力可表示为τ=F/bl或τ=F/bL从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性低，属于(a)；置换式固溶所引起的晶格畸变小，对称性高，属于(b)。但事实上，间隙式溶质原子在晶格中，一般总是优先与缺陷相结合，所以已不属于均匀强化的范畴。

3.1.2非均匀强化由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长过程中位错密度大大提高，使之结构与纯金属不同——非均匀强化的部分原因。非均匀强化类型：

浓度梯度强化Cottrell气团强化Snoek气团强化静电相互作用强化Suzuki气团强化有序强化3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化浓度梯度强化晶格常数相互作用：溶质元素分布存在梯度→晶格常数存在梯度→提高位错运动阻力;弹性模量相互作用：溶质元素分布存在梯度→弹性模量不是常数→提高位错运动阻力;合金元素与位错间的弹性交互作用:存在合金元素分布梯度时的Cottrell气团强化.3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化Cottrell气团强化合金元素与位错之间存在交互作用-移至位错线附近-形成气团。位错周围合金元素的浓度与其他地方有所不同。由于这是一种稳定状态，若破坏这种状态，即位错运动时，只有增加外力才可能，故可以提高金属强度。3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化Cottrell气团强化形成Cottrell气团不需要很多的溶质原子。浓气团：这种在位错线张应力区（如正刃型位错，垂直于纸面一条位错)下边有一条间隙原子线，称为Cottrell气团的浓气团，即Cottrell气团变成饱和状态。这种浓气团强化效果大，并且受温度影响比较小。

稀气团：当间隙原子(如C，N)在位错张应力区(如正刃型位错下边)呈Maxwell－Boltzmann分布时，换言之，位错线张应力区间隙原子浓度比较小，但比平均浓度高，这种状态称为稀气团。这种状态强化效果比浓气团强化效果差，并且受温度影响比较大。3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化Cottrell气团强化

动态应变时效为应变时效的一种特殊情况，此时，可以认为塑性降低和低的应变速率敏感性，这种锯齿形曲线系因试样在试验中重复的屈服和时效引。换言之，此种条件下作为形成Cottrell气团的C，N原子的扩散速度与位错线的运动速度相近，从而使得Cottrell气团在应变中不断形成与位错线挣脱C，N原子的钉扎，故在应力－应变曲线上表现出锯齿形。

3.1金属与合金的强化与韧化

RAL应变时效3.1.2非均匀强化Snoek气团强化体心立方金属中，间隙原子分布在八面体间隙位置。当有外力作用时，应变能较大的间隙原子将到应变能较小的位置上，以降低系统能量——局部有序化。强化作用与温度无关，而与溶质浓度成正比。常温下，对位错的钉扎虽然不亚于Cottrell气团，但溶质原子这种短程的动态有序，当形变温度较高时，由于有序化太快，其作用也就不显著了。形变速度过大时，亦如此。3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化静电相互作用强化

刃型位错的静电作用如同一串电偶极子，溶质原子与刃型位错存在静电交互作用；螺型位错中心带有负电荷，溶质原子与螺型位错也存在静电交互作用.3.1金属与合金的强化与韧化

RAL3.1.2非均匀强化Suzuki气团强化面心立方金属中，一个滑移的全位错可以分解为两个不全位错，形成层错。为保持热平衡，层错区和基体部分溶质原子浓度不同，起着阻碍位错运动的作用。已滑移区

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.2非均匀强化有序强化分为短程有序和长程有序两种；一般长程有序化后，合金总是变得较硬，有时产生明显的屈服现象，随着有序度的增加，其屈服应力在某一中等有序度时出现一极大值。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.3细晶强化细晶强化机理晶界是位错运动的障碍，晶界越多，则位错运动阻力越大，屈服应力越高。

晶界对屈服强度的影响不只来自晶界本身，而与晶界是连接两个晶粒的过渡区有关——位错运动的障碍。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.3细晶强化细晶强化机理Hall-Petch关系式：ss=so+Kyd-1/2利用位错塞积模型推导Hall-Petch关系式：运动位错的有效应力是外力作用到滑移方向的分切应力(τ)减去位错运动时克服的摩擦阻力(τi)，即τ-τi。根据位错塞积群理论，塞积的位错数n为：n=[KL(τ-τi)]/Gb在塞积群头部将产生一个应力集中，其值为τ1=n(τ-τi)

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.3细晶强化细晶强化机理由于位错塞积，这相当于将有效应力放大了n倍，n为位错塞积数目。由上述两个式子得到：τ1=[KL(τ-τi)2]/Gb若晶粒Ⅱ内位错源S2在晶界附近，则开动这个位错源的临界切应力为τρ由位错塞积群的应力集中τ1提供。若位错S2开动并放出位错，则τ1≥τρ，即τ1=[KL(τs-τi)2]/Gb≥τρ，则τs=τi+Kyd-1/2如用拉伸时屈服用应力表示，两边同乘取向因子m(多晶体中取向因子m有时称Taylor因子m。则式可写成：σs=σ0+Kyd-1/2

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.3细晶强化细晶韧化细晶强化最大特点就是细化晶粒在使材料强化的同时，不会使材料的塑性降低；相反，会使材料的塑性与韧性同时提高。金属中的夹杂物多在晶界处出现，特别是低熔点金属形成的夹杂物更易在晶界析出，从而显著降低材料的塑性。合金经细化晶粒后，则单位体积内的晶界面积增加，在夹杂物相同的情况下，经细化晶粒合金晶界上偏析的夹杂物相对减少，从而使晶界结合力提高，故材料的塑性提高了。晶界既是位错运动的阻力，又是裂纹扩展的障碍，因此，细化晶粒在提高强度的同时，也提高了合金的韧性。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.3细晶强化细化晶粒的方法细化铸态结晶组织：改善结晶凝固条件、加入变质剂、外加磁场等细化奥氏体：形变热处理、再结晶细化铁素体：细化奥氏体、控轧控冷

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化第二相的类型冶炼过程产生的：氧化物、硫化物、硅酸盐等；一般是有害的，降低强度和韧性。轧制过程（或热处理）过程：碳化物、马氏体、贝氏体等；有强化作用。粉末冶金方法：外加第二相

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化沉淀强化从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子富集的亚稳区等过渡相的过程称为沉淀，或称为脱溶。首先在基体中形成第二相的溶质原子发生偏聚，称GP(Ⅰ)区，使局部产生畸变，硬度高于固溶体基体的硬度；随着时效的进行，GP(Ⅰ)区扩大，并且铜原子进一步有序化，形成GP(Ⅱ)区或θ″相，硬度进一步提高；紧接着是GP(Ⅱ)区向与基体共格的Cu2Al2，θ′相过渡，随时效进行，由过渡点阵θ′相形成平衡相θ相(CuAl2)。θ相不再与基体共格，此阶段合金硬度比共格的θ′存在的阶段的低。超过这个阶段进一步时效，第二相粒子不断长大，硬度不断降低，这种现象称为过时效。Al－Cu合金的沉淀硬化

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化沉淀强化低碳钢的相间沉淀

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化沉淀强化铁素体晶内的一般沉淀

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化弥散强化为形成高温稳定的第二相，采用粉末冶金的方法向基体金属中加入惰性氧化物之类粒子，以提高高温强度。弥散强化合金的强化除了与第二相的数量、大小、分布有关以外，还与基体和第二相本身性质有关。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化第二相强化理论共格应变强化理论：基本思想是将合金的屈服应力看成由于第二相在基体中使晶格错配而产生弹性应力场，对位错运动所施加的阻力。对于具体的时效硬化型合金，由于第二相与基体的比容不可能完全一样，由此比容差而引起弹性应力场。使基体中在某一区域内，每个质点都可能发生位移，愈靠近析出粒子，位移量愈大。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化Orowan(绕过)强化机制：当第二相粒子间距比较大时，或者第二相粒子本身很硬，位错切过第二相粒子很困难，只能绕过第二相质点而运动。各阶段分别为：①直线位错靠近粒子。②位错运动受到第二相阻碍，位错线开始弯曲；之后，位错线弯曲到临界曲率半径，并在不减少其曲率半径下运动。③在第二相粒子间相遇的位错线段符号相反，因此会相互抵消一部分，结果在第二粗粒子周围留下一个位错环。④位错线在线张力作用下变直，继续向前运动。每个位错滑过滑移面后，都在第二相粒子周围留下一个位错环。这些位错环对位错源施加反向作用力，阻止位错源放出位错。若放出位错，则必须克服这个阻力，即增加应力。结果弥散的非共格的第二相使基体强化了。3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化当析出物体积分数f一定时，r愈小，强化效果愈好。对于沉淀强化型合金，r很小时，这些又小又密的第二相粒子在位错线上产生的应力场有相互抵消的现象，若位错要绕过这些小粒子，位错线必须弯曲到很小的曲率半径才可能，这需要很大外力。这时第二相粒子强度并不太高，因此位错弯曲还远远小于质点间距一半，第二相粒子已经屈服了，即位错切过第二相的阻力比绕过第二相阻力小，因此发生切过第二相，所以对沉淀强化合金在时效初期，位错只能切过第二相而运动。在过时效时，则位错线只能绕过第二相质点而运动。沉淀硬化型合金第二相质点很硬，根本不允许位错切过，所以第二相粒子愈小，粒子间距愈小，则强化效果愈大，服从Orowan机制。

3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化位错切过第二相机制：位错切过第二相需要一定的条件：①基体与第二相有公共的滑移面。只有第二相与基体保持共格或半共格时，才能满足此条件。②基体与析出相中柏氏矢量相差很小，或基体中的全位错为析出相的半位错。③第二相强度不能太高，即第二相可与基体一起变形。

3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化切过机制产生强化的原因：

①当一个柏氏矢量为b的位错切过第二相之后，两边各形成一个宽度为b的新表面，显然要增加表面能。因此需要增加外力位错才能切过第二相。②如果第二相是有序的(如γ′相)，位错切过第二相粒子时，则增加反相畴界和反相畴界能。因此需要提高外力，才能切过第二相。③若第二相质点弹性模量与基体的弹性模量不同，这种模量差会使位错进入第二相质点前后线张力发生变化，因而需要增加能量。④若第二相与基体之间比容不同，则在第二相界面附近形成弹性应力场，这也是位错运动的阻力。3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化由于第二相不同，产生强化的原因也不同。对于Al－Mg合金，沉淀相与基体的点阵常数相差很小，切过第二相的阻力主要来自表面能的增加。对于镍基高温合金，析出的γ′强化相是有序相，有相当大的畴界能，相对来讲，表面能的增加是次要的，畴界能的增加是引起强化的主要原因。对于Al－Cu合金，析出相使其周围产生强烈的共格畸变，其点阵常数相差12%，则析出相产生弹性应力场是位错运动的主要障碍，3.1.4第二相强化第二相强化理论当第二相刚从基体中析出时，粒子半径r和第二相体积百分数f都在增加，屈服强度增量按B曲线变化;第二相粒子长大到某一尺寸后，其粒子间距也会增大到某一尺寸，位错能绕过第二相粒子而运动。由此看来，当第二相尺寸在某一临界值或粒子间距达到一定值时，强化效果最佳。可见，两条曲线的交点所对应的半径称为临界半径。当第二相粒子超过临界半径之后，随粒子的长大，则强度降低，即所谓过时效。A曲线是由Orowan机制推测出的屈服强度。B曲线是由于析出相析出时，第二相质点由刚刚形成(r＝0)和不断长大时屈服强度的增量。或者说，由位错切过第二相质点推测的屈服强度增量。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化第二相强化理论第二相强化对塑性和韧性的影响：

多相合金中含有与基体不同的第二相，即使单相合金，在冶炼过程中，也不可避免带入一些非金属夹杂物，这些夹杂物也属于第二相。此类第二相的性质、含量、大小、分布及与基体结合强弱等都影响合金的性能，特别是塑性和韧性。通常，将较脆的第二相称为脆性相，如钢中氧化物、硫化物、铝酸盐、氰化物、碳化物、氮化物和金属间化合物等。还有一些第二相较基体韧性好，称为韧性相。如合金结构钢中残余奥氏体或β－TiAl合金中少量α相都属于韧性相。这些韧性相与基体结合比较强，能提高合金的塑性和韧性。这主要因为基体中裂纹遇到韧性相时，韧性相容易发生塑性变形而不产生脆断，同时塑性变形消耗大量的弹性能。换言之，韧性相有阻止裂纹扩展的能力，因此对基体的塑性和韧性是有利的。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.4第二相强化第二相强化理论当第二相为脆性相的情况下：

研究发现，随脆性相含量增加，材料的塑性和韧性均降低，随脆性第二相含量增加，均使塑性降低。但降低趋势并不尽同

RAL3.1金属与合金的强化与韧化(a)强结合的脆性相；(b)强结合的韧性相；(c)弱结合的脆性相脆性相随其含量增加，塑性降低迅速，而韧性相则基本上不降低塑性或略有降低。与基体结合强的脆性相多是在热处理过程中沉淀出来的。如钢中Fe3C；马氏体时效钢中的Ni3Mo，Ni3Ti；高温合金中γ′(Ni3(Al，Ti))。虽然这些相均由过饱和的基体中析出，但因析出相又可能与基体共格或非共格，其对性能影响也是不同的。3.1.4第二相强化第二相强化理论

RAL3.1金属与合金的强化与韧化第二相形状的影响：球形第二相比片状第二相塑性高。夹杂物降低奥氏体塑性较大，通过金相观察，则发现奥氏体中氮化物呈尖角状，当钢件受力时，在尖角处，应力集中和应变集中较大，则容易形成空洞并长大，从而降低奥氏体钢的塑性和韧性。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.5其它强化方法纤维强化将高强度材料（如SiC，Al2O3，C，W等）与合金制成纤维，使硬的纤维束合理的分布在较软的基体金属中，达到强化基体金属的目的，这种材料称为复合材料。复合材料强化机理不像第二相强化那样，靠坚硬第二相阻碍位错运动，而是用纤维束来承受较大载荷，从而达到强化的目的。基体与纤维之间必须有一定的结合强度。

RAL3.1金属与合金的强化与韧化3.1.5其它强化方法相变强化马氏体强化：①晶体缺陷密度对强度的影响马氏体是合金从高温奥氏体区经淬火而得到的组织，决定马氏体强化因素是多方面共同起作用。由金属学理论知道，马氏体含有较多的位错，如每个条状马氏体内位错密度