弥散强化和固态相变强化.ppt

第 4章 材料强化 4.1 概述4.2 力学实验与材料性能 4.4 固 溶 强 化 4.3 加 工 硬 化 4.5 弥 散 强 化 4.6 固态相变强化 2个学时2个学时2个学时4.5 弥 散 强 化 所谓 弥散强化 ，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应，通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合 如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化 ,这就是弥散强化的由来 在弥散强化合金中，一定存在着一种以上的相 ，含量大的连续分布的相称为 基体 ，而第二相则一般是数量较少的析出物 弥散强化合金中常常含有金属间化合物所谓 金属间化合物 ，是指两种或多种元素按一定比例形成的新相金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能金属间化合物大都又硬又脆 非化学价金属间化合物 的成分不像化学化合物那样严格，它可以在一定的范围内变化。

非化学价金属间化合物又称为 金属间固溶体 化学价金属间化合物 具有固定的成分钢铁中就是依靠化学价化合物 Fe3C来获得强化的 图 4.24金属间固溶体相图(a) Al-Sb相图(b) Mo-Rh相图 化学价化合物金属间固熔体 为了利用金属间化合物的高熔点、高硬度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，有些新材料本身就是全部由金属间化合物所组成的金属间化合物中，有两个非常重要的材料一个是 TiAl， 又称为 γ合金另一个是 Ti3Al， 又称为 α合金这两种金属间化合物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和航天飞机 Ti的性能非常优秀，强度大，比重轻，耐腐蚀硬度与钢铁差不多，但比重小一半 ， 稍比 Al大，但强度（硬度）是 Al的2倍这对航空业的材料是最好的选择在宇宙火箭和导弹中，就大量用 Ti代替钢另外， Ti粉可用做燃料，是火箭的好燃料 Ti被誉为宇宙金属、空间金属人们是这样描述的：人类对金属的应用，如果把 Cu当作第一代， Fe第二代， Al第三代，则 Ti就是超越了前辈的第四代金属 常温下， Ti不与无机酸反应，即使是王水也不能溶解有人做过实验，把一块Ti沉到海底，经 5年后取上来观察，一点没有生锈，依旧亮闪闪的。

这个用于轮船，潜艇就非常有利除此之外， Ti没有磁性这点对于避免鱼雷攻击非常有效同时，它的强度大， Ti潜艇可在深达 4500m的深海中航行 高温下， Ti能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、很难熔的化合物，如 TiN， TiC，TiB， TiB2， 或与许多金属形成 金属间化合物其中 在 1800~2000℃ 下发生反应：Ti+C→TiC （ 黑色） TiC熔点 3100℃ ，硬度高，是目前效率最高的切削加工钢材的刀具材料 r-TiAl， 金属间合物，高硬度比，耐高温，抗氧化性，抗形变性，极具潜力的航空材料 γ- TiAl， α -Ti3Al 这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构例如，在面心正方结构的 TiAl中， Ti原子占据 8个角和上下两个面的面心的晶格位置，而 Al原子占据其余 4个侧面的面心位置这种有序结构使位错滑移更加困难，同时有序结构也增大了原子扩散的难度，因此增大了材料的高温蠕变强度 在共晶反应中，会生成 α相和 β相两种固相这两个固相的化学成分由共晶反应线的两端来决定 α相的凝固会促进 β相的凝固，而 β相的凝固也会促进 α相的凝固。

这是共晶反应的一个重要特点图 4.25 Sn-Pb相图 含锡量为 61.9%的锡铅合金是共晶合金这一合金在 183℃ 以上时为液相，液相的成分也为 61.9%当这一合金液相冷却到183℃ 时，开始发生共晶反应，也就是：含锡量为 19%的 α相+含锡量为 97.5% 的 β相含锡量为 61.9% 的液相共晶反应图 4.26 锡铅合金共晶组织示意图 当锡铅合金的含锡量在 19%~61.9%之间时，该合金称为 亚共晶合金 而含锡量在 61.9%~97.5%之间时，则称为 过共晶合金 图 4.27 Pb-Sn合金的成分和强化机制对抗拉强度的影响 有时共晶反应却是不受欢迎的由于共晶组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初相包围起来如果共晶组织是脆性的，那么即使共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变脆这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生断裂 Al2O3的熔点很高，为 2020℃ ，常用作盛放液态金属的耐火材料 CaO的熔点则更高，为 2570℃但如果 Al2O3耐火砖接触到 CaO后，会产生一系列的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的炼钢温度，就可能引起耐火材料的破坏。

可以用来强化材料的固态相变有： 时效强化、共析反应，非平衡态的马氏体相变，所有这些固态相变都需要经过热处理 4.6 固态相变强化 通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能在材料冶炼制备过程中采用一次但是，控制 固态相变 来实现材料强化的方法，则可以多次采用 图 4.28 Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的组织结构 只有当析出物刚好位于位错滑移面上才能阻止位错继续滑移如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那么析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物的影响，这种析出物称为 共格析出物 位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响 共格析出物图 4.29 Al-Cu合金的时效强化过程 时效强化的合金是不能在高温状态下使用的 时效强化合金面临的另一个问题是焊接 图 4.30铁 -碳相图 在铁 -碳相图中，含碳量为 0.77%时为共析成分，这种成分的钢称为共析钢共析钢加热到 727℃ 以上时，出现单一的 γ相 γ相冷却到727℃ 时，发生如下的共析反应： 含碳量为 0.77% 的 γ相 含碳量为 0.0218%的 α+含碳量为 6.67%的 Fe3C 这种薄片状的 α相和 Fe3C互相叠在一起的组织称为珠光体（ Pearlite）。

图 4.31 亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组织结构变化 共晶反应的合金的结晶1.相图分析Pb— Sn合金相图（图 2-14中）， AEB为液相线， ACENB为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（ L、 α 、 β ）； 三个两相区（ L+α 、 L+β 、 α+β ）； 一条的三相 L+α+β 共存线（水平线cde） E点为共晶点 这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应所生成的两相混合物叫共晶体水平线 CEN为共晶反应线CF线为 Sn在 Pb中的溶解度线（或 α 相的固溶线）温度降低，固溶体的溶解度下降从固态 α 相中析出的 β 相称为二次 β ， 常写作 β Ⅱ 这种二次结晶可表示为： α→β Ⅱ NG线为 Pb在 Sbn中 溶解度线（或相的固溶线） Sn含量小于 g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次 α ； 即 β→α Ⅱ 2.合金 Ⅰ 的平衡结晶过程 3.合金 Ⅱ 的结晶过程合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为 α 和 β 相 共晶合金组织的形态 4.合金 Ⅲ 的结晶过程合金的室温组织为初生 α+β Ⅱ +(α+β) ，合金的组成相为 α 和 β 。