材料的强化与韧化课件.ppt

第第3章章材料的强化与韧化材料的强化与韧化研究材料强韧化的意义研究材料强韧化的意义强度和韧性强度和韧性强度和韧性强度和韧性是衡量结构材料的最重要的力学性是衡量结构材料的最重要的力学性是衡量结构材料的最重要的力学性是衡量结构材料的最重要的力学性能指标由于新型、先进材料的结构的复杂化、多能指标由于新型、先进材料的结构的复杂化、多能指标由于新型、先进材料的结构的复杂化、多能指标由于新型、先进材料的结构的复杂化、多样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制备方法已远远满足不了材料强韧化的要求换言之，备方法已远远满足不了材料强韧化的要求换言之，备方法已远远满足不了材料强韧化的要求换言之，备方法已远远满足不了材料强韧化的要求换言之，为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的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、整体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、整体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、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。

界面性能和材料制备工艺等界面性能和材料制备工艺等界面性能和材料制备工艺等 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化金属的屈服金属的屈服金属的屈服金属的屈服对金属结构件来说，意味着对金属结构件来说，意味着对金属结构件来说，意味着对金属结构件来说，意味着失效失效失效失效 - - -如何使如何使如何使如何使其不发生屈服或者提高屈服抗力，从而保障其服役的安全其不发生屈服或者提高屈服抗力，从而保障其服役的安全其不发生屈服或者提高屈服抗力，从而保障其服役的安全其不发生屈服或者提高屈服抗力，从而保障其服役的安全介绍金属及合金强化与韧化方面的理论及方法应该说强介绍金属及合金强化与韧化方面的理论及方法应该说强介绍金属及合金强化与韧化方面的理论及方法应该说强介绍金属及合金强化与韧化方面的理论及方法应该说强化的方法很多，如：加工硬化、淬火及热处理等，但最有效而化的方法很多，如：加工硬化、淬火及热处理等，但最有效而化的方法很多，如：加工硬化、淬火及热处理等，但最有效而化的方法很多，如：加工硬化、淬火及热处理等，但最有效而稳定的方法，实际生产中常用的方法就是稳定的方法，实际生产中常用的方法就是稳定的方法，实际生产中常用的方法就是稳定的方法，实际生产中常用的方法就是合金化合金化合金化合金化。

重点介绍：重点介绍：重点介绍：重点介绍：固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化- - - -均匀强化、非均匀强化理论、细晶强均匀强化、非均匀强化理论、细晶强均匀强化、非均匀强化理论、细晶强均匀强化、非均匀强化理论、细晶强化、弥散强化以及其它的一些强化方法，形变强化即加工硬化化、弥散强化以及其它的一些强化方法，形变强化即加工硬化化、弥散强化以及其它的一些强化方法，形变强化即加工硬化化、弥散强化以及其它的一些强化方法，形变强化即加工硬化的问题已在第的问题已在第的问题已在第的问题已在第2 2 2 2章论及，在此不再阐述章论及，在此不再阐述章论及，在此不再阐述章论及，在此不再阐述均匀强化均匀强化均匀强化均匀强化 溶质原子混乱地分布于基体中，因为位错线具溶质原子混乱地分布于基体中，因为位错线具溶质原子混乱地分布于基体中，因为位错线具溶质原子混乱地分布于基体中，因为位错线具有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方质原子与位错线的相互作用不同，位错线的运动方式有如式有如式有如式有如(a)(a)和和和和(b)(b)所示的两种情况。

所示的两种情况所示的两种情况所示的两种情况a)(a)为相互作用为相互作用为相互作用为相互作用强时，位错线便强时，位错线便强时，位错线便强时，位错线便“ “感到感到感到感到” ”溶质原子分布溶质原子分布溶质原子分布溶质原子分布较密较密较密较密；(b)(b)为相互作用弱时，位错线便为相互作用弱时，位错线便为相互作用弱时，位错线便为相互作用弱时，位错线便“ “感到感到感到感到” ”溶质原子分布溶质原子分布溶质原子分布溶质原子分布较疏较疏较疏较疏 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化(a)为强相互作用的结果；为强相互作用的结果； (b)为弱相互作用的结果为弱相互作用的结果图图 由于溶质原子与位错线间相互作用的不同对其可弯曲性的影响由于溶质原子与位错线间相互作用的不同对其可弯曲性的影响3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化若以若以l和和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度，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需的切应力可表示为从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性低属于情况畸变大，对称性低属于情况(a)；置换式固溶所引起的晶格；置换式固溶所引起的晶格畸变小，对称性高属于情况畸变小，对称性高属于情况(b)。

但事实上但事实上间隙式溶质原子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匀强化的范畴 Mott-Nabarro理论 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化假设了溶质原子在晶格中产生一长程内应力场了假设了溶质原子在晶格中产生一长程内应力场了t ti，则位错弯，则位错弯曲的临界曲率半径为曲的临界曲率半径为Gb/t ti若溶质原子间距若溶质原子间距lGb/t ti，即位错与溶，即位错与溶质原子间的作用为强相互作用时，整个位错便可以分成独立的质原子间的作用为强相互作用时，整个位错便可以分成独立的n段，段，且且n=L/l根据统计规律知道，作用在长为根据统计规律知道，作用在长为L位错上的力应等于位错上的力应等于n1/2倍作用在每一段上的力，故长为倍作用在每一段上的力，故长为L的位错运动的阻力可写成的位错运动的阻力可写成bt til(L/l)1/n若此时外加切应力为若此时外加切应力为t tc，遂得，遂得:位错曲率溶质浓度铜合金中固溶强化与晶格畸变间的关系铜合金中固溶强化与晶格畸变间的关系铜合金中固溶强化与晶格畸变间的关系铜合金中固溶强化与晶格畸变间的关系 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化两个主要的特点两个主要的特点两个主要的特点两个主要的特点：一为溶质原子与基体原子的相互作用中，一为溶质原子与基体原子的相互作用中，一为溶质原子与基体原子的相互作用中，一为溶质原子与基体原子的相互作用中，除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于“ “软软软软”“”“硬硬硬硬” ”不同，即弹性模量不同而产生的影响；另不同，即弹性模量不同而产生的影响；另不同，即弹性模量不同而产生的影响；另不同，即弹性模量不同而产生的影响；另一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中，一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中，一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中，一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中，除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的。

除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化弹性模量相互作用示意图弹性模量相互作用示意图3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化刃刃 型型螺螺 型型大小作用大小作用“软软” “” “硬硬” ” 作用作用总总 和和* *3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化弹性位错单位长度弹性位错单位长度L的定义示意图的定义示意图 3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化铜合金中固溶强化和溶质原子与螺型位错相互作用的关系铜合金中固溶强化和溶质原子与螺型位错相互作用的关系3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化溶质原子分布示意图溶质原子分布示意图3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化3.1.23.1.2 非均匀强化非均匀强化 由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长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的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本结构。

这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如铜中结构这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如铜中结构这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如铜中结构这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如铜中加入少量的镍，银中加入少量的金等此外，就目前所知非加入少量的镍，银中加入少量的金等此外，就目前所知非加入少量的镍，银中加入少量的金等此外，就目前所知非加入少量的镍，银中加入少量的金等此外，就目前所知非均匀强化的类型大致可分为：均匀强化的类型大致可分为：均匀强化的类型大致可分为：均匀强化的类型大致可分为：浓度梯度强化，浓度梯度强化，浓度梯度强化，浓度梯度强化，CottrellCottrell气团气团气团气团强化，强化，强化，强化，SnoekSnoek气团强化气团强化气团强化气团强化, , , , 静电相互作用强化，化学相互作用静电相互作用强化，化学相互作用静电相互作用强化，化学相互作用静电相互作用强化，化学相互作用强化和有序强化强化和有序强化强化和有序强化强化和有序强化等几种着重介绍其特点及存在的问题着重介绍其特点及存在的问题着重介绍其特点及存在的问题着重介绍其特点及存在的问题3.1 金属及合金的强化与韧化金属及合金的强化与韧化浓度梯度强化浓度梯度强化 强化机制实质上可分为三部分：强化机制实质上可分为三部分：一为一为晶格常数相互作用，晶格常数相互作用，即由于合金元素的分布存在浓度梯度，所以晶格常数也就有相即由于合金元素的分布存在浓度梯度，所以晶格常数也就有相应的变化梯度。

当刃型位错的运动方向与浓度梯度方向一致时，应的变化梯度当刃型位错的运动方向与浓度梯度方向一致时，或螺型位错的运动方向与浓度梯度方向垂直时，就会在滑移面或螺型位错的运动方向与浓度梯度方向垂直时，就会在滑移面两边产生类似位错的对不齐现象，从而提高了位错运动的阻力；两边产生类似位错的对不齐现象，从而提高了位错运动的阻力；二为二为弹性模量相互作用，即由于合金元素的分布存在浓度梯度，弹性模量相互作用，即由于合金元素的分布存在浓度梯度，弹性模量亦不再可能是常数，结果对位错的运动相当于额外地弹性模量亦不再可能是常数，结果对位错的运动相当于额外地施加阻力不过，一般讲这两种力都可以忽略不计；施加阻力不过，一般讲这两种力都可以忽略不计；三为三为具有具有浓度分布梯度的合金元素与位错间的弹性相互作用。